將STEM融入高中物理教學(xué)的課例研究

王曉菲

◆摘 要：STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）這四部分的英文首字母縮寫，強(qiáng)調(diào)各學(xué)科的交叉與融合。本文旨在將STEM教育融入高中物理課堂教學(xué)中，以《自由落體運(yùn)動(dòng)》為例，較為詳盡地展示了融入STEM教育模式的高中物理課題堂教學(xué)的整體過(guò)程。

◆關(guān)鍵詞：STEM；高中物理；教學(xué)設(shè)計(jì)

STEM是科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），數(shù)學(xué)（Mathematics）這四部分的英文首字母縮寫。其中，科學(xué)為自然界中存在的客觀規(guī)律；技術(shù)和工程則是在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上解決人們?cè)谏鐣?huì)發(fā)展過(guò)程當(dāng)中碰到的困難；數(shù)學(xué)則是技術(shù)與工程學(xué)科的根本工具。生活中產(chǎn)生的大多數(shù)題目都需要使用多種學(xué)科的知識(shí)來(lái)共同處理。

一、發(fā)展背景

隨著世界科技的競(jìng)爭(zhēng)日趨加強(qiáng)，早在上個(gè)世紀(jì)80年代，美國(guó)就意識(shí)到國(guó)家人材欠缺形成的科學(xué)技術(shù)滑坡，為培育科技人才，STEM教育不斷受到美國(guó)政府的高度重視。

就物理這門學(xué)科而言，其本身就是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)有機(jī)結(jié)合的最好體現(xiàn)。在我國(guó)《普通物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中，雖然沒(méi)有將工程技術(shù)作為教學(xué)目標(biāo)，但情境設(shè)置可以作為高中物理教學(xué)中開(kāi)展STEM教育的主要教學(xué)模式。學(xué)生通過(guò)教師創(chuàng)設(shè)的物理情境，在教師的理論指導(dǎo)下，經(jīng)歷問(wèn)題分析、方案設(shè)計(jì)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理等步驟，逐步學(xué)會(huì)運(yùn)用物理學(xué)知識(shí)解決實(shí)際的工程技術(shù)問(wèn)題。

二、《自由落體運(yùn)動(dòng)》教學(xué)設(shè)計(jì)案例

在STEM教育的課堂中強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為核心，教師在建立物理情境的基礎(chǔ)上提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮STEM四門學(xué)科的綜合優(yōu)勢(shì)和探討式的學(xué)習(xí)方法，鼓勵(lì)學(xué)生自主的解決問(wèn)題。在教學(xué)設(shè)計(jì)上也突顯知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，鼓勵(lì)學(xué)生歸納總結(jié)自己所學(xué)的知識(shí)，不斷提升學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

以人教版教材高中物理必修一第2章第5節(jié)《自由落體運(yùn)動(dòng)》為例，設(shè)計(jì)基于STEM教育形式的高中物理課堂教學(xué)。

1.創(chuàng)設(shè)情境。播放視頻，教師引出新知。通過(guò)觀看視頻，學(xué)生可以更加直觀的了解題目，激發(fā)學(xué)生對(duì)本節(jié)課的學(xué)習(xí)興趣。教師進(jìn)一步解釋：在我們周圍存在的很多現(xiàn)象都蘊(yùn)含了豐富的物理知識(shí)，要想了解其中奧妙，就要分析其中涉及到的物理原理，而我們研究的問(wèn)題都是由簡(jiǎn)及繁的，要經(jīng)歷一個(gè)從淺入深的過(guò)程。這節(jié)課咱們就要一起探討一種典型的運(yùn)動(dòng)——自由落體運(yùn)動(dòng)。

2.提出問(wèn)題，獲得新知。引導(dǎo)學(xué)生觀察身邊的現(xiàn)象：一小段粉筆的下落、一張紙片的下落、將紙片揉成小紙團(tuán)的下落。請(qǐng)兩位學(xué)生一起演示牛頓管，讓同學(xué)們觀察管中羽毛和鐵片的下落。提出問(wèn)題：這些現(xiàn)象說(shuō)明了什么問(wèn)題？學(xué)生討論得出結(jié)論：在沒(méi)有空氣阻力的情況下，輕重物體下落的一樣快。進(jìn)而引出自由落體運(yùn)動(dòng)的定義和物體做自由落體運(yùn)動(dòng)的條件，進(jìn)一步發(fā)問(wèn)：自由落體運(yùn)動(dòng)是一種怎樣的直線運(yùn)動(dòng)。

基于第一步教學(xué)情境的設(shè)置，學(xué)生帶著極大的興趣開(kāi)始了本節(jié)學(xué)習(xí)。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器具設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并完成本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)。

3.分析問(wèn)題、小組設(shè)計(jì)。教師指導(dǎo)：怎樣探究自由落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)呢？幫助學(xué)生復(fù)習(xí)前面所學(xué)知識(shí)，學(xué)生分組討論并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，代表交流實(shí)驗(yàn)方案。確定實(shí)驗(yàn)方案后，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也不斷發(fā)問(wèn)：如何保證物體是在做自由落體運(yùn)動(dòng)？學(xué)生不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)保證實(shí)驗(yàn)研究的運(yùn)動(dòng)為自由落體運(yùn)動(dòng)。幫助學(xué)生在此過(guò)程中體會(huì)到工程設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和嚴(yán)謹(jǐn)性。各組進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，得到多條紙帶，從中選擇較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理。

4.收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究。各組展示自己的實(shí)驗(yàn)成果：通過(guò)對(duì)紙帶上數(shù)據(jù)的處理，引導(dǎo)學(xué)生分析自由落體運(yùn)動(dòng)是否為我們前面所學(xué)的勻加速直線運(yùn)動(dòng)？答案是肯定的。讓課前準(zhǔn)備的學(xué)生進(jìn)行演示：用數(shù)碼相機(jī)研究自由落體運(yùn)動(dòng)，將視頻制成頻閃照片，幫助大家更好的進(jìn)行物理問(wèn)題的定量計(jì)算。通過(guò)這一過(guò)程的演示，進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，也讓學(xué)生更加深刻體會(huì)到了科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)幾者之間的有機(jī)結(jié)合。充分發(fā)揮了STEM教育在高中物理教學(xué)課堂中的優(yōu)勢(shì)。

5.數(shù)學(xué)推導(dǎo)，定量計(jì)算。在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生定量計(jì)算自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度。提出問(wèn)題：如何測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度？引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)紙帶的數(shù)據(jù)處理，利用逐差法計(jì)算得到自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度9.8m/s2，即地球表面重力加速度。請(qǐng)課前進(jìn)行資料搜集的同學(xué)介紹工程上有專門的重力加速度測(cè)量?jī)x器。通過(guò)這一部分的知識(shí)普及，將所學(xué)的科學(xué)知識(shí)向工程問(wèn)題傾斜，體現(xiàn)科學(xué)與工程技術(shù)間的融合。

三、教學(xué)反思

此教學(xué)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了STEM教育的基本要求，在本節(jié)課的結(jié)尾還給學(xué)生提出了思考問(wèn)題，讓學(xué)生課后探索如何利用本節(jié)所學(xué)知識(shí)確定跳水項(xiàng)目中跳臺(tái)跳水的水深。跳水運(yùn)動(dòng)深受學(xué)生們的喜愛(ài)，提出這樣的問(wèn)題既可以幫助他們更好的消化吸收本節(jié)所學(xué)知識(shí)，也進(jìn)一步將題目與工程技術(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，將問(wèn)題不斷引向深入。學(xué)生在思考、研究和解決題目的進(jìn)程中也能幫助自己更好地感受和了解科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)這四個(gè)范疇之間的緊密聯(lián)系。

四、結(jié)語(yǔ)

相比《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的傳統(tǒng)的三維目標(biāo)，STEM教育模式則更加全面的要求教師從整合化的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)維度來(lái)制定綜合的教學(xué)目標(biāo)，以問(wèn)題為導(dǎo)向，讓學(xué)生通過(guò)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等過(guò)程。在本課例中，教師力求尋找發(fā)生在學(xué)生身邊的事件加以討論、用簡(jiǎn)單易得的材料作為實(shí)驗(yàn)器材，通過(guò)適度的引導(dǎo)，最大限度的培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考和通過(guò)動(dòng)手實(shí)際操作來(lái)解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力，不斷發(fā)揮STEM教育模式的優(yōu)勢(shì)。

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