基于STEAM教育理念的中學物理實驗教學策略研究

王佳偉 張軼炳

摘要：基于STEAM教育理念的中學物理實驗策略是一種新型的教育理念，旨在打破傳統物理實驗教學的禁錮；提升學生的學習興趣、創新思維以及科學素養.首先介紹了STEAM教育理念的發展背景以及特點；其次將STEAM教育進行本土化和學科化分析，及應用STEAM教育理念在我國中學物理實驗教學中的可行性；以期通過STEAM教育理念在中學物理實驗教學中的引入，在闡述教學策略有效性的同時，在一定程度上提高中學物理實驗教學的效率.

關鍵詞：中學物理；實驗教學；教學策略；STEAM教育

基金項目：寧夏高等學校科研項目，項目編號：NGY2016077.

作者簡介：王佳偉（1990-），男，甘肅張掖人，本科，碩士研究生，研究方向：中學物理教學.

通訊作者：張軼炳（1963-），女，寧夏銀川人，碩士，教授，研究方向：物理教育.

1引言

中學物理是一門以實驗為基礎的學科，在實驗教學過程中教師不僅要向學生傳授各種定律使其理解課本的內容，更要引導學生觀察驗證各種物理現象促進學生對概念的理解，激發學習動機、培養操作能力、發散創新思維，達到學而知其然，還能知其所以然的目的[1].尤其隨著新課程改革對物理實驗教學要求的提高，為提高教師的實驗教學素養和學生的實驗學習效率，出現了大量傳統和新型的關于中學物理實驗教學策略的研究.徐州市第十三中學的王松老師提出的物理實驗教學策略包括[2]：創設教學情境、優化教學過程以及營造良好環境以期提高物理實驗教學效率.蘇州工業園區星海實驗中學的張月蘭老師[3]提出了“活動、技術、實驗”融合的物理實驗教學策略.同樣，借助信息技術教學手段提高教學效率的研究引起關注.銀川市第二十四中學的趙旭升老師[4]使用微課這一新型的互聯網學習方式與傳統的物理實驗教學結合，通過微課不受時間地點限制的優勢促進了學生的學習積極性并提高了學生的學習效率.以上這些物理實驗教學策略研究總體可以分為兩方面：一是教學方式的研究；二是教學工具的研究.一堂高效的物理實驗教學課程需要同時考慮這兩個方面的結合與比重，不能喧賓奪主，脫離物理實驗教學的初衷.STEAM教育理念，是一種集合了科學、技術、工程、藝術等多種學科的綜合教育模式[5]，它旨在促進學生的概念理解，提升學生解決問題的能力、以批判性思維和科學推理提升學生的科學素養和創新能力，加強學生的溝通與團隊合作.筆者希望能將STEAM教育理論與中學物理實驗教學相結合，突破傳統物理實驗教學模式的禁錮，提升學生的綜合素養.

2STEAM教育

2.1STEAM教育的發展背景

STEAM教育是科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）、藝術（arts） 以及數學（mathematics）五個學科英語單詞的首字母縮寫，它代表著不同領域的學科在不同主題下相互聯系并應用在現實生活中[6].STEAM教育是在STEM教育的基礎上加入藝術這一學科發展起來的，實踐證明，加入藝術學科后能夠更好地提升學生的學習興趣，注入人文創新理念.STEM教育最早是由美國羅德島設計學校開發并推廣的一項教育工程，被美國政府大力推廣以期提高其全球的影響力和競爭力，并被廣泛地應用于機構、企業和個人.STEAM教育在美國的重要性等同于我國的素質教育，美國政府對于STEAM教育投入大量經費，足以說明其重要性[7].而現如今，STEAM教育已在全球范圍產生影響，引起了教育界的廣大關注.

STEAM教育在我國剛剛起步，因此大多數中學物理老師對此并沒有很深的了解，也沒有區分STEAM教育和STEM教育，兩者的關系如圖1所示.教師對STEAM教育的認識僅僅停留在政策解讀上，比如2017年3月1日，由教育部教育管理信息中心、北京師范大學聯合北京國信世教信息技術研究院共同撰寫并在北京八一學校發布的《中國STEAM教育發展報告》[8].因此，我們需要大力推廣STEAM教育理念并尋求其在物理實驗教學中的應用.相信隨著國內教育工作者對STEAM教育的重視，人們將愈發注重真正落實好該理念，STEAM課堂教學的研究也將成為人們關注的熱點.

2.2STEAM教育的特點

STEAM教育是一個基于自然學習方式的功能性教學框架，適用于各種類型的教師和學生[9].針對培養學生“帶走的能力”，而不是“背不動的書包”[10].STEAM教育擁有先進的教育理念，其具有以下特點.

221項目為導向

STEAM教育主張以項目為學習實踐單位，讓學生通過完成項目去學習知識，鍛煉動手能力，這樣不僅能夠激發學生的學習動機和學習興趣，還能夠增強學生的團隊協作能力和溝通能力，讓學生“學中做，做中學”.

222不同學科交叉，綜合性強

STEAM教育將多種學習綜合起來，不同學科的教師可以靈活交叉各科的學科知識，讓學生能夠融會貫通，使學生的學習能夠體系化，達到觸類旁通的效果，增強了學習的趣味性，拓寬了學生的知識面.同時，通過STEAM教育，學生能夠將所學知識和生活實際相結合，真正做到學以致用.

223注重過程而非結果

應試教育讓教師、學生、家長，乃至整個社會都將重點放在了學習結果上，反而忽略了學習的本質是激發學生的學習興趣，讓學生學會學習，學會思考，最終擁有發現問題和解決問題的能力.反觀STEAM教育則不然，其更加注重學習過程，而非學習結果，旨在減輕教師的教學負擔和學生的學習負擔.從而讓學生真正地沉浸到學習中，擁有學習樂趣，獲得滿足感.

224允許學生犯錯，增強學生創造性

STEAM教育本質上是一種允許學生犯錯的教育理念，敢于讓學生犯錯，鼓勵學生大膽嘗試，提出自己不同的想法，不去人云亦云，能夠做一個獨立思考的學習者，這與以標準答案為基準的傳統教育有很大區別.同時STEAM教育能體現創新是科技生產第一發展要素這一特征，可以有效激發學生的創造力.

225靈活性強，適用面廣

STEAM教育雖然起源于美國，但被全球教育家所認同，除了以上四個特點，還有一個特點是STEAM教育理念能夠適用于各個國家和地區.以我國為例，不同地區的教育工作者可以結合本地的風俗習慣和地方特色，創新教育形式，設計適應本土化的創新型教育模式.

2.3基于SWOT分析法的STEAM教育本土化可行性分析

STEAM教育理念作為一種舶來品，它有別于傳統的單學科嚴格界定、重書本知識傳授的教育方式.STEAM教育是一種重實踐的跨學科整合的教育理念和教育模式[11].基于STEAM教育的諸多優勢及特點，不論是采用其教學理念廣泛地指導實際教學，還是將其與中學物理實驗課程這樣具體的課程進行結合，都需要對其進行嚴謹的、客觀的可行性分析，不能信手拈來，見好就用.

所以，本文采用SWOT分析法，即態勢分析，將STEAM教育引入并與中學物理實驗課程結合的內部優勢、劣勢和外部的機會和威脅等進行分析（見表1），通過分析列舉出來，并依照矩陣的形式進行排列，繼而使用系統分析的方法，把多種因素相互匹配并加以總結，從中得出STEAM教育理念與中學物理實驗課程相結合可行的相應結論，最后以STEAM教育理念對中學物理實驗課程提出有建設性的實驗實施策略，指導中學物理實驗課程的有效實施，提高物理實驗課的教學效率.

通過表1的分析，對于將STEAM教育理念引入并與中學物理實驗課程結合，其優勢和機會點較為明顯，不論是其各方面能力的培養還是未來的發展前景，STEAM教育理念與中學物理實驗課程結合的未來都大有可為.對于STEAM教育理念引入與結合的劣勢和威脅，中學物理實驗課程在當前和未來都可以為其提供合適的平臺.例如，實驗課程的實驗環境、實驗儀器操作、實驗模式和實驗背景等，都與STEAM教育理念所強調的情境性、實踐性、協作性和藝術性異曲同工，尤其是基于項目學習、以問題為驅動的特性，可以為明確物理實驗目標、探索新式實驗模式給予較大的啟發.因此，鑒于二者結合的可行性，提出若干基于STEAM教育理念的中學物理實驗策略，以其對中學物理實驗課程內容的豐富及教學效率的提高有所助益.

3基于STEAM教育理念的中學物理實驗策略

3.1注重不同實驗體系之間的融會貫通

從中學物理各實驗體系的關系出發，借鑒STEAM教育理念的超學科特點，有效地建立各實驗體系及學科之間的相互關聯.眾所周知，當前的中學物理實驗體系比較分明，力學、光學、電學以及磁學實驗劃分比較明確，通常教師在進行某一體系的實驗時，只會選用該體系相關的實驗儀器和設備，各種實驗體系及相關的儀器設備的聯動會完全停滯，沒有做到各實驗體系的融會貫通.一旦展開各實驗體系的聯動，物理實驗的教學效果可有較為顯著的改觀.如圖2所示，在聲現象的實驗教學當中，加入DIS實驗系統的應用，不僅可以即時顯示動態化聲音波形，對未知的聲源進行定量分析，還可以完成傳統實驗無法完成的操作，其聯動優勢是傳統實驗無法比擬的.在現實的中學物理實驗教學中，各實驗體系之間的聯動，是需要實驗教師大膽設計方案和謹慎實驗求證的，需要不斷地去實踐和總結經驗.

與此同時，中學物理實驗課程在當今世界“互聯網+”的大背景之下，其可以進一步融合教育學、心理學、管理學等多種學科的知識理念，以物理學科為主體，與其他學科知識交叉融會，共同完成實驗教學.這樣不僅反映實驗課程的真實性，又使其充滿生活和學習的趣味，使學生在實驗過程中有所收獲，以此提高物理實驗教學的效果和質量.

3.2重視物理實驗情景，創設情景化的實驗教學環境

當前的中學物理實驗，存在較為固定的、程序化的教學思維模式，即學生課前預習實驗，課上聽教師講解實驗，課中操作實驗，課后完成報告，即進行以實驗為中心的實驗.而按部就班的實驗方式忽略了物理實驗所提供的真實的實驗環境，與倡導以學生為主體的教育理念背道而馳，因而這樣的中學物理實驗往往讓學生感到實驗操作難度大、內容枯燥無味，最終導致學生的實驗積極性不高.STEAM教育強調學生通過學習環境獲得的知識的理念，重新注重中學物理實驗所提供的實驗情景，創設情景化的實驗教學環境.

首先，教師轉變實驗教學的理念，將課堂中心由實驗轉移到學生，設計制作以學生為中心的實驗方案，創設積極良好的實驗氛圍，在充分考慮到學生的個性化學習的前提之下，利用微課、網絡教室及物理實驗資料庫等信息技術手段和資源媒體提供支持，以此來組織實驗教學，激發學生的實驗興趣.

要在真實的物理實驗課堂上營造情景化的實驗教學環境，就要把握好本節實驗課實驗前情景化設計.

（1）根據實驗教學內容，設計實驗教學環節.即將一節實驗課詳細劃分為幾個環節，并處理好幾個實驗環節之間的邏輯聯系.例如，測定金屬絲的電阻率實驗中，課前的實驗預習可改為課堂上的實驗預處理環節，在熟悉實驗儀器的前提之下，運用虛擬實驗室率先在計算機上嘗試線路的連接，這樣既能快速掌握電路的連接方式，保護實驗設備，節約課中實驗時間，也能更快捷地判定實驗電路中電壓表和電流表所采用的特殊解法（如圖3所示）.

（2）設計精細的實驗指導材料，依據實驗背景，充分挖掘設備說明書和實驗指導書，以材料為依托，給學生想象力的同時，鍛煉學生獨立實驗能力并培養學生的實驗素養.

（3）引導學生的實驗學習跳躍，在教師的闡述下明確實驗目的和內容，凝煉本節實驗課的知識點，將注意力拉回實驗本身，教師采用多樣的信息技術手段將實驗內容動態化、交互化和功能化，方便學生獲取目標內容，在寓教于樂之中完成知識的傳遞和獲取.

3.3采用問題驅動式的實驗方式

縱觀目前國內外的STEAM課程，不難發現其倡導真實問題解決的驅動方式和學生主動探索的學習方式，雖然與傳統的教學方式相去甚遠，但是其培養學生實際動手能力的效果相比傳統教學方式卻更加顯著.因而在中學物理實驗課程中采用問題驅動式的教學，將能在一定程度上提升實驗課教學效率.在驅動式實驗教學中，教師要充分吃透實驗內容，把握實驗的重難點操作，以學生已有的認知基礎為平臺，設計富有生活反饋及任務挑戰的實驗問題，引導學生進行實驗思考，進行實驗操作.在整個問題驅動式實驗過程中，學生處于主體地位，教師是實驗進程的輔助和導向，實驗目的是驅動內核，教師通過有限的引導使得學生推進實驗的進程，教師要明確以解決核心實驗問題為主要目標，讓學生小組乃至個人圍繞問題，尋求解決方案的多種實驗方法.使學生在問題驅動的環節中重復問題驅動步驟（圖4），讓實驗中的不明確問題浮出水面，得到一次性解決.

除此之外，中學物理實驗課程和STEAM課程也并不是毫無關聯的雙軌課程，我們發現，中學物理實驗中的探究實驗所倡導的探究式學習和STEAM課程中的問題驅動有著異曲同工的教學思維和方式，這正是STEAM教育理念滲透于中學物理實驗課程的契入點.中學物理探究實驗，是學生在不知曉實驗結果的前提之下，通過自己的實驗、探索、分析、研究得出實驗結論，從而形成物理知識概念的一種認知活動，其引導學生開展實驗的前提條件往往就是問題.因此，我們可以加強問題驅動式與探究式實驗的契合程度，重視探究性實驗在中學物理實驗當中的有效應用.與此同時要注意，以問題驅動式方式開展的實驗不能只針對單個的實驗學生，教師要注意在實施過程中組織學生以小組協作的實驗方式進行實驗，這樣以小組為單位的教學形式，不但可以減輕問題帶來的壓力，同時可以促進小組內成員的互相交流與合作，在潛移默化中培養學生探究問題、深化問題、拓展問題的能力.

3.4整合數字化資源，創建“雙術”實驗和學習系統

當前，中學物理實驗多采用教師口頭講授方式，并在實驗室中完成教學，這樣一對多的教學形式比較單一，學生的實驗地位也比較薄弱，他們對于實驗目的、內容以及操作并沒有進行深度加工，因而實驗的積極性、主動性不高，最終導致了學生創新能力培養缺失.同時在實驗時，學生只能面對單一的實驗儀器，對于已經熟悉或者取得實驗數據的學生來說，實驗儀器可能就沒有了二次操作的必要.更者，單一取得實驗數據就能完成本節課任務的學習心理，可能會進一步降低實驗課的教學質量.

針對這樣的問題，同樣借鑒STEAM教育的知識與能力并重、多學科知識遷移學習的理念，運用實驗技術拓展、創造發明等多種呈現方式，增加物理實驗的技術性、藝術性體驗，創建文化式的實驗及學習系統.

例如，利用微課打破教師講授實驗操作的教學模式，將實驗目的、器材、步驟等實驗具體環節拆分成視頻模塊，根據課前學生對于本實驗的掌握情況篩選自己所需的視頻碎片自主化學習，這樣不僅有效地引導了學生自學，而且為教師的教學提供了更多自主化選擇（如圖5）.與此同時，利用慕課等多媒體資源擴大中學物理實驗的教學影響，為完成實驗以及對本學科感興趣的學生展示最新實驗成果、趣味科普內容以及學生自己的創造發明，實現學生真正跨學科、自由化、多樣化學習，充分體驗STEAM教育為中學物理實驗帶來的實驗性和情境性交互融合的實驗感受.

5結論

STEAM教育理念的核心素養正好能夠彌補我國學生創新性薄弱的缺點，其優勢能夠應用于我國目前中學物理實驗教學中，通過融合STEAM教育理念，初

中物理實驗教學能夠激發學生的自主學習能力、獨立思考能力和創新能力.本文通過給出若干融合STEAM教育理念的“本土化”中學物理實驗教學策略，并以案例說明驗證了教學策略的可行性，該策略的可復制性和普適性較高，廣大物理教育工作者可以參考該策略并應用到教學中.

參考文獻：

[1]檀亞麗，許敏，桑芝芳.中學物理教學研究熱點及趨勢的可視化分析[J].物理教師，2018，39（03）：6-11.

[2]王松.初中物理教學策略研究[J].新課程·中學，2016（10）：21.

[3]張月蘭.“活動、技術、實驗”融合的初中物理教學策略探析——以“磁體與磁場”一課為例[J].中學物理教學參考，2017（9）：15-18.

[4]趙旭升.微課在初中物理教學中的應用策略研究[J].物理教學探討，2016， 34（11）：64-65.

[5]師保國， 高云峰， 馬玉赫. STEAM教育對學生創新素養的影響及其實施策略[J]. 中國電化教育， 2017（4）：75-79.

[6]王娟，吳永和."互聯網+"時代STEAM教育應用的反思與創新路徑[J].遠程教育雜志， 2016， 35（2）：90-97.

[7]張海龍，馬亞鵬.2017年度中學物理教育教學研究綜述——基于《中學物理教與學》論文轉載情況分析[J].物理教師，2018，39（02）：2-6+15.

[8]蘇樂.STEAM視角下的小學《科學》教學設計研究[D].曲阜：曲阜師范大學，2017.

[9]劉亞同，汪基德.STEAM教育對我國基礎教育創新能力培養的啟示[J].數字教育，2017， 3（4）：48-52.

[10]謝麗，李春密.物理課程融入STEM教育理念的研究與實踐[J].物理教師，2017，38（04）：2-4.

[11]鐘秉林.STEAM教育如何本土化[N].北京：人民政協報，2017-04-05（009）.