基于STEM教育理念下的初中物理試題命制

朱天宇

摘 要：將STEM教育理念融入到初中物理試題的命制中，既能體現STEM教育促進學生跨學科知識整合與應用的理念，又符合當下初中物理學科的評價原則.通過設計基于STEM教育理念的物理試題命制模式，評析近年各地STEM理念下的中考試題，從而為日常教學和命題評價提供參考.同時，STEM理念下的物理試題能更好地促進學生物理核心素養的養成，適應中考改革趨勢.

關鍵詞：STEM教育;初中物理;試題命制

文章編號：1008-4134（2019）22-0031 中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

STEM教育是指將Science（科學），Technology（技術），Engineering（工程），Mathematics（數學）融為一體的教育，通過其跨學科整合的教學模式促進學生掌握知識與技能，并能進行靈活遷移應用于真實問題[1].國務院頒布《關于深化考試招生制度改革的實施意見》提出的考試評價體系中，強調要求體現學生應用所學知識分析和解決實際問題，具備理論聯系實際能力和創新能力.其目的是讓學生從“解題”發展為“解決實際問題” [2].因此將STEM教育理念融入到初中物理試題的命制中，既能體現STEM教育促進學生跨學科知識整合與應用的理念，又貼合當下初中物理學科考試評價體系的要求.

1 基于STEM教育理念下的初中物理試題命制

1.1 STEM試題命制理念

基于STEM教育理念的物理試題命制立足培養學生靈活應用跨學科知識解決一個真實問題的能力.試題以《義務教育物理課程標準（2011版）》為指導，立足學生發展，以真實的STEM問題為背景，結合物理教學實際進行命制.同時強調試題的作用不僅僅是評價本身，更應該發揮其教育的功能[3].體現從“生活”到“試題”的遷移，再從“試題”到“生活”的升華.從而落實“培養全面發展的人”的要求.

1.2 STEM試題命制原則

試題命制要基于一個真實的STEM問題，體現解決問題的跨學科綜合性，又以物理知識與技能為解決問題的出發點，從中突出課標中“三維目標”的落實與考查.同時凸顯人文底蘊、科學精神、實踐創新等核心素養的考查與提升.試題命制的基本原則可歸納為：基礎性原則、真實性原則、綜合性原則、創新性原則和應用性原則[4].

1.3 STEM試題命制模式

在研究大量相關試題的基礎上，結合初中物理教學實際，嘗試將STEM試題命制模式設置以下幾個環節（如圖1所示）.（1）試題來源于一個真實的STEM情景，主要包括基于某一項目、基于某種設計和基于探究性問題.（2）試題體現跨學科知識應用的思維，主要表現為是一個綜合的項目，而非單一的問題;是一個綜合的情境，而非單一的呈現;是一個有機的整體，而非單一的維度[5].（3）提煉適合初中物理解決的部分問題，從基礎性問題向創新性問題層層遞進.（4）發揮STEM試題的教育功能，學生試題解答的過程也是一個再學習的過程，使學生考有所獲，答有所得.（5）通過部分特定STEM試題的解答，充分啟發學生實踐應用的興趣.將題設內容結合自己的想法，反饋到真實世界的STEM問題中，從中引發對試題內容的再思考和改進.實現由“解題”到“解決實際問題”的升華.

2 STEM教育理念下的中考試題評析

2.1 基于項目學習的STEM試題

例1 （2019麗水）小麗要外出旅游，為防止陽臺上的盆栽植物缺水，想制作一個自動澆花裝置.

她在瓶底與瓶蓋上各開一個小孔，瓶內裝水（如圖2甲所示）.發現水從瓶蓋小孔快速流出，不能實現長期自動供水.如何才能實現長期自動供水呢？小麗和拓展小組的同學進行了如下研究.

【實驗研究】只在瓶蓋上開一個小孔，裝入4/5的水，留下1/5的空氣，瓶子倒放（如圖2乙所示）.在20℃的恒溫室內，用40℃的濕毛巾包裹在瓶子有氣體部位，觀察記錄1小時內發生的現象.

【實驗記錄】開始時小孔只滴水（如圖2丙所示）;一段時間后停止滴水，沒有氣泡進入;然后小孔只進氣泡、不滴水（如圖2丁所示）;最后既不滴水也不進氣泡.測出有關物理量，并繪制成圖（如圖2戊所示）.

換用25℃、30℃、35℃、45℃的濕毛巾重復實驗，均產生類似現象.

【實驗分析】

（1）瓶子倒置后，瓶內液體對瓶蓋存在;

（2）瓶子內氣體吸收毛巾上的熱后溫度會升高，一段時間后逐漸恢復至室溫.結合裝置滴水的原理以及戊中曲線的變化規律，分析A、B、C、D四點，其中點瓶內氣體溫度最高;

（3）（實驗預測）若用低于環境溫度的濕毛巾包在乙瓶子外部，1小時內可觀察到的現象是;

（4）（實踐應用）小麗和拓展小組同學終于制成了一個自動澆花裝置.結合一天中氣溫變化的大致規律分析，該裝置一天中供水的情況是.

評析 本題以制作自動澆花裝置為背景，是一個綜合的項目.從中涉及科學、技術、工程和數學等多維度的知識融合，體現了STEM教育的理念，激發了學生的好奇心.其次試題提煉的物理知識層層遞進，從簡單的基礎概念，到結合實際問題的分析，接著是預測分析，最后進行實踐應用.同時，本試題充分發揮其教育功能，讓學生在做題過程中對自制自動澆花裝置的原理有了更加清楚的認識，在做題的同時也學到了新的知識.最后，本試題中制作的自動澆花裝置，取材簡單，生活中實用性強，能激發學生在實踐中去制作完成，進一步提升實踐能力和創新能力，做到由“解題”到“解決實際問題”.

例2 （2018河北）制作簡易氣壓計，觀察大氣壓隨高度的變化.

（1）如圖3所示，在玻璃瓶中倒入適量紅色的水，將插有玻璃管的橡皮塞塞緊瓶口，紅水升到玻璃管一定的高度，但高度不夠，你應，使水上升到瓶口以上適當位置，制成了簡易氣壓計.

（2）將簡易氣壓計從四樓移到一樓過程中，發現玻璃管內水柱，說明.

（3）小明將簡易氣壓計放在陽光下，過一會兒，他發現玻璃管內水柱發生了變化，這一現象說明，簡易氣壓計的測量結果會受到影響.

評析 本題以制作簡易氣壓計為項目背景，涉及物理原理、材料選用、制作方法、工

具選擇、數學分析等跨學科的知識應用，體現STEM教育理念.提煉的問題是制作過程中可能遇到的難題，以及在使用過程中會出現的狀況，使試題本身更具實踐意義.同樣使學生考有所獲，答有所得，啟發學生實踐應用的興趣.

2.2 基于設計的STEM試題

例2 （2018哈爾濱）如圖3是“水位自動報警器”電路圖，容器中裝有鹽水，L1和L2分別是“2.5V，0.3A”和“2.5V，0.5A”的燈泡，下列說法不正確的是（ ）

A. 液面上升到與金屬塊B接觸時，電磁鐵工作，說明鹽水是導體

B. 液面上升，金屬塊A受到的液體壓強變大

C. L1 工作1min電流做功45J

D. 若在電路中M點接入電鈴，則電鈴響說明水位到達警戒線

評析 本題是基于“水位自動報警器”的設計為情景，壓強、導電性、電路分析屬于科學，電路設計又涉及工程，功率計算體現數學，是一個典型的STEM情景.水位自動報警器設計巧妙，理論聯系實際，既側重考查學生物理知識，又激發學生興趣，為將來可能在實際生活中遇到的類似設計問題打下基礎.

例3 （2019成都）初三實驗小組的同學決定設計一個簡易的身高測量儀，可用器材有電壓恒定的電源、電壓表、電阻絲、定值電阻、開關、導線（若干）等.他們的設想是：用滑片在繃直的電阻絲上滑動代替滑動變阻器;將電壓表改裝成身高顯示儀，所測身高越大，顯示儀示數越大，且刻度均勻.

（1）同學們設計了如圖4-1所示電路，老師指出他們的設計有不夠合理的地方.你認為下列分析正確的是.

A. 移動滑片P時.電路的總電阻沒有變化

B. 當所測身高越大時，電壓表的示數越小

C. 電壓表的示數變化量跟身高變化量不成正比

D. 電壓表的示數不能由零變化到最大刻度值

（2）在老師的引導下，同學們設計出了正確的電路，是圖4-2四個電路中的電路.

（3）確定正確的電路設計方案后，小組成員開始對器材的參數進行選擇.他們采用了電壓為12V的電源、一根長為80cm的均勻電阻絲（0.5Ω/cm）、量程為0～3V的電壓表.為了讓測量儀測量身高的范圍能達到最大，且測量精確度最高，選擇的定值電阻R1的阻值應該為Ω.

（4）利用選定的器材.小組同學連接好了測量電路.對身高為160cm的小曾進行測量時，電壓表的示數為1.5V;對小楊進行測量時，電壓表的示數為1.2V，則小楊的身高為cm.

評析 本試題以設計簡易的身高測量儀為載體，側重考查了動態電路、歐姆定律等知識點.第（1）問，對學生設計的分析，既能達到考查目的，同時又能啟發學生在設計中應注意到的實際問題，使設計更加合理.第（3）、（4）問，結合科學和數學展開對器材參數的選擇，為實踐中的技術和工程問題提出理論指導.學生在答題的過程，也是經歷產品在走向應用前的設計和改進的過程.從中培養學生理性思維、批判質疑和勇于探究的科學精神.

2.3 基于探究性問題的STEM試題

例4 （2018寧波）實驗室購買了一卷標有長度為100m的銅芯包線，小科想通過實驗測定其實際長度.他首先測得導體橫截面積S為1mm2， 查閱資料得知現溫度下這種導線每米的電阻值為0.017Ω.

（1）利用圖5-1所示的實物圖測出銅導線的電阻.

①實驗中，小科在閉合開關前應將滑片P置于最端.（填“左”或“右”）

②小科通過移動滑片P，測得多組數據，繪制成U-I圖像如圖5-2，據此可以判定這卷導線的實際長度100m.（填“大于”“等于”或“小于”）.

（2）小思認為用電子秤測出這卷導線的質量m，利用銅的密度ρ，也可以算出實際長度.請你寫出這卷導線實際長度l計算式：l=（用字母表示）.

評析 本試題是基于一個探究性問題的STEM試題.以測定銅芯包線長度為探究性問題，引發學生思考與實踐.其中應用多種探究的方法，查閱資料、實驗、觀察等，展現出面對一個實際問題時，我們應該采取的思考方向.同時，本實驗題又蘊含開放的思維方式，提出了2種測量方法，也啟發學生在解決實際問題時能多維度地去思考問題，提出多種解決方案.

3 STEM物理試題命制中應注意的問題

實踐應用中發現，基于STEM教育理念的初中物理試題命制，還應該注意以下幾點：試題選取的STEM項目背景應貼近生活實際，具有可操作性;問題設計時，應側重提煉符合初中物理教學實際的問題，不應為了強行貼合STEM理念而提出超出考綱要求的設問.使試題最終回歸到在這個STEM項目背景中，初中物理知識應發揮的作用;在日常教學和考試評價中，有意識地滲透STEM教育理念，能有效提高學生解決類似STEM試題的能力;試題完成后，若有條件，可以鼓勵學生在實踐中進行應用，從中引發對試題內容的再思考和改進.真正實現由“解題”到“解決實際問題”的升華.

4 結語

基于STEM教育理念的初中物理試題命制，既能體現STEM教育促進學生跨學科知識整合與應用的理念，又符合當下初中物理學科的評價原則.此類試題能有效促進學生“科學思維”“科學探究”“科學態度和責任”等物理核心素養的培養，使試題不僅僅停留在評價功能，更發揮其教育的功能.同時，通過STEM教學實際與STEM試題評價相結合，能更有效地提高學生面對未來世界時解決真實問題的能力.

參考文獻：

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（04）：13-22.

[2]吳炳光.淺談核心素養背景下高中物理試題的編制理念——基于2017年高考理綜物理試題的特點評析與改編[J].課程教學研究，2017（10）：80-83.

[3]趙承忠.編制初中物理試題要注意發揮其教育功能[J].物理教師，1992（09）：39-41.

[4] 李志真.基于物理核心素養下的物理試題命制[J].中學物理，2019，37（08）：63-65.

[5]蔡呈騰.基于STEAM教育理念考查科學精神——以2018年浙江省溫州市一道科學中考題為例[J].基礎教育課程，2018（Z2）：67-73.

（收稿日期：2019-07-11）