“中學物理數字化實驗與STEM活動”課程開發的實踐與思考

葉軍 黃彥焱

摘?要：結合十年多來在“中學物理數字化實驗與STEM活動”選修課開發中的親身經歷，從課程目標、課程內容、課程實施和課程評價等方面，通過具體案例簡要介紹了“中學物理數字化實驗與STEM活動”課程開發的幾點實踐經驗和思考.

關鍵詞：STEM活動;選修課程;開發;數字化實驗

文章編號：1008-4134（2019）21-0012?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：葉軍（1982-），男，浙江富陽人，碩士，中學一級教師，研究方向：高中物理演示實驗研究;

黃彥焱（1981-），女，浙江塘棲人，本科，中學一級教師，研究方向：信息技術教學研究.

浙江省將中小學STEAM教育作為促進人才培養模式變革的重要舉措之一，在基礎教育階段積極探索以STEAM教育為切入點的科技創新教育[1].面對STEAM教育進入中小學課堂這一新變化以及如何開發STEAM類課程，教師層面顯然還沒有做好充分的心理和技術準備.

近十年多來，筆者所在學校物理教研組在幾位名優教師的帶領下，圍繞STEM活動類選修課程的開發做了大量的工作，積累了一些經驗.其中“中學物理數字化實驗與STEM活動”選修課受到了在校學生的廣泛好評，被選送為省級精品選修課程.本文試圖通過具體案例的分析，談談筆者在“中學物理數字化實驗與STEM活動”課程開發過程中的幾點體會和思考.

1?關于“課程”概念和課程目標

關于“課程”，不同的人有不同的界定.按大多數人的理解，課程是指課業及其進程的總和，具體表現為三種形態：即課程計劃、課程標準和教科書[2-3].

對于廣大一線教師而言，“課程”這個概念是既熟悉又陌生的.熟悉，是因為我們的必修課程物理課堂教學，始終是在普通高中物理課程標準的指引下，教師們通過認真分析本學科的教學目標，明確教學內容和教學任務，并根據學生的學習特點對教科書上的內容精心組織教學活動的過程.

陌生，是因為我們缺乏從學校的培養目標出發，站在較為宏觀的視野，缺乏對課程內容按學科知識的邏輯結構進行選擇和安排的具體實踐經驗.簡而言之，我們擅長的物理課堂教學只是工廠流水線上的幾個重要環節，而開發一門課程無疑是設計一整條生產線.

有了正確的課程觀，才能進一步確定課程目標.學校的培養目標、學生實際情況及STEAM類課程的跨學科價值定位，決定了“中學物理數字化實驗與STEM活動”課程需要學生達成什么樣的教學目標.

案例1?“中學物理數字化實驗與STEM活動”課程目標節選

“中學物理數字化實驗與STEM活動”，是以PBL項目式學習模式為基礎，結合實踐與創新思想的課程，是充分考慮到高中階段學生的學習興趣與思維特點的一門選修課，旨在讓學生經歷背景與目標、科學與詮釋、器材與要求、技術與探索、 工程與制作、思考與討論、傳感器介紹等七個欄目的學習過程，引發學生研究興趣.符合STEAM類課程突破學科中心束縛、改善學習方式、提供課程的廣闊空間、促進學生發展等特點.本選修課，采用開放式教學手段引導學生進行研究，研究的過程中盡量保證實驗條件的公平，用數學的手段進行測量、記錄和統計分析，用工程和技術的知識去建立模型和創造.集探究性、趣味性、知識性、創新性于一體，有利于調動學生學習的積極性，改變學生對物理乏味無用的看法.

可見，課程目標的確定，要從本校學生的實際情況出發，明確本課程對學生具有什么樣的教育教學價值和意義，突出學生哪些方面能力的培養，同時充分考慮學生的興趣和需要，再結合教師自身的優勢、特長，才能開發出具有較高立意、深受學生歡迎的STEAM類選修課程.

2?關于課程內容

課程內容是整個選修課程的中心部分或基本部分.選修課總課時較少，只有緊緊圍繞課程目標，精心挑選那些人類文化遺產中的精華，才能充分發展學生的各方面能力，以適應未來社會發展的需要.

經過十多年的探索，筆者總結出“中學物理數字化實驗與STEM活動”選修課的開發從以下幾個方面尋求突破.

2.1?拓展學生知識

高中物理必修課程是為全體學生設計的，主要從力與運動、功和能兩個角度闡述了質點在重力場、電磁場中的運動等內容.以人教版教材為例，教材中大量設置了諸如“科學漫步”“做一做”“STS”等欄目，很好地拓展了學生的知識視野，引導學生將物理知識與生活實際相聯系，關注物理學史和科技前沿問題，令課程充滿了時代性、實踐性和生活情趣.

但實際教學中，大多數教師感到必修課程時間緊、任務重，很多有助于提升科學素養但高考不要求的知識往往被弱化或回避，使得必修課程完全被考試綁架.學生的物理學科素養得不到全面保證，長期的“偏食”導致思維的畸形和興趣的喪失.

基于以上分析，利用選修課程對學生進行一定程度的營養補償式教學，不僅能打開學生的思維禁錮，更能活化頭腦中的必修知識內容，消除必修課堂內容過于單一造成的副作用.通過全景式還原物理學科知識，最終達到更深入理解必修課程內容的目的，從而提升教學質量.

因此，筆者所在的物理教研組對必修課程中值得深入挖掘、拓展的知識點進行了整理，開發了一門針對普通高中一年級優等生或普通高中二年級及以上學生學習的STEM類選修課程“中學物理數字化實驗與STEM活動”.

案例2?“中學物理數字化實驗與STEM活動”選修課目錄

從選修課目錄表1可以看出本課程以朗威DISlab數字化傳感器應用為主線（基本涵蓋數字化實驗系統標配傳感器），引導學生初步掌握物理實驗相關理論知識和基本操作技能，對必修課程重要知識點進行拓展，指導學生進行簡單的實驗設計，幫助學生認識物理的知識性和趣味性.當然，除了圍繞必修課程進行知識拓展，物理學史、科技前沿、大學課程入門等也是很好的選材方向.

2.2?提升學生能力

心理學對“能力”的定義為：能力是人順利完成某種活動所必需具備的心理特征[2-3].全國高考物理學科委員會根據物理學科的特點和需要，將物理能力分為五個方面： 理解能力、推理能力、分析綜合能力、應用數學處理物理問題的能力以及實驗能力.

從物理學的學科特點看，物理學是一門以實驗為基礎的科學.觀察和實驗是物理學研究的基本方法，是獲得感性材料、探索物理規律、認識物理世界的基本手段，也是檢驗物理理論真理性的唯一標準.而在教學實踐過程中，物理必修課程的教學大多以知識為主要載體，以理論探討為主要形式，對學生物理能力中的實驗能力，特別是觀察能力、動手能力和解決實際問題能力的培養往往不夠.

根據以上分析，筆者所開發的“中學物理數字化實驗與STEM活動”選修課，編寫了5個來源于課本的STEM活動案例，具有較強的可操作性.利用學生的自我實踐過程剝去純粹物理模型和物理實驗的神秘面紗，縮小了課本與實踐的差距，增強了學生應用物理和實踐物理的自信.同時，科學與詮釋的創新環節可以有力地培養學生的創新精神和創新能力，大幅地提升學生的科學素養.

案例3?選修課“中學物理數字化實驗與STEM活動”的設計思路

如圖1所示，每個STEM活動案例，首先介紹相關的知識背景及活動目標，然后通過物理建模、設計實驗方案、分工、實踐等學生活動，體驗項目式學習的過程;通過不斷改進實驗提升學生的實踐能力;通過總結、問題探究升華對探究知識的現實意義的認知.

“中學物理數字化實驗與STEM活動”選修課充分發揮課本“科學漫步”“做一做”“STS”“課題研究”等欄目的外延價值，通過學生拓展操作一批課本實驗，使用實驗室的各種實驗器材，同時通過老師對課本知識和實驗的引導和輔助，將物理拓展性實驗整合開發為特色STEM類選修課程，實現了學校科技資源使用價值的最大化.除了進一步挖掘課本實驗外，也可將高中物理研究性學習、學生小課題、小論文等資源整合、改造成STEM類選修課，有力提升學生的綜合能力.

2.3?培養學生情感

從廣義上理解，“情感”是指包括情緒體驗在內的一切態度體驗.它是反映客觀事物與人自身需要之間關系的一種心理過程.個體通過一系列的態度體驗，形成態度、價值觀、意志品質等各種性格特征[2-3].

教育部的《普通高中物理課程標準》明確提出，要通過高中物理課程，充分發展學生科學探索的興趣，發展好奇心與求知欲，培養堅持真理、勇于創新、實事求是的科學態度與科學精神[4-5].

因此，物理課程的學習，不僅是為了拓寬學生的知識面，如果教師在傳授物理知識的同時，讓學生親身經歷獲取知識的整個過程，細心體會物理與生活實際的緊密聯系，不斷感受物理學發展史上科學巨人們的精神激勵，那么學生必然會對物理知識產生更深層次的領悟.

筆者試圖通過“中學物理數字化實驗與STEM活動”選修課的設計，彌補被考試“閹割”了的必修課程在情感方面的缺失，最大程度上激發學生學習物理的興趣，讓學生感受到物理學蘊含的真善美，培養學生積極的思維品質，從而改變物理課學習效率不高的現狀.

案例4?選修課“中學物理數字化實驗與STEM活動”之“廣濟古橋結構探尋”教材節選

【背景與目標】

每天放學，我們都要經過運河邊的馬路，家鄉塘棲古鎮的水鄉風貌，是那樣的引人神往，然而最讓家鄉父老引以自豪的，就是橫跨在運河上的廣濟長橋，這座據傳始建于唐代的千里京杭運河上唯一的七孔石拱橋，有著古樸雄偉的橋身，造型優美的橋孔，無論遠近還是角度變化觀察，古橋都給人們以建筑美的藝術享受，它反映了古代勞動人民高超的造橋技術，那么，橋的高度、長度、橋孔的數量與大小以及橋墩的形狀，古人是依據什么來設計的呢？古橋為什么屹立千年不倒，良好的防臺風、防洪以及抗壓性能又是怎么做到的，究竟蘊含著怎樣的物理原理？同學們認為“對廣濟古橋結構探尋”這個題目可以作為STEM活動的課題.

【器材與要求】（略）

【科學與詮釋】[6]（略）

【工程與制作】

制作盡量符合實際的廣濟古橋模型（如圖2所示）.

【技術與探索】[6]

（1）廣濟古橋的抗壓功能探究（略）

（2）廣濟古橋的防洪功能探究（略）

（3）廣濟古橋的防臺風功能探究（略）

【思考與討論】

親愛的朋友們，我們生活在美麗的家鄉塘棲，喝著古鎮運河的水，不妨約上好朋友一起看一看坐落在古鎮運河上的其它橋梁吧！然后查閱更多資料，告訴大家我們古鎮運河上共有幾座大橋？它們叫什么名字、建在哪些位置？分別是什么類型的橋梁？比較各種橋梁的優缺點，查閱結果填入表2.

“中學物理數字化實驗與STEM活動”選修課程以生活中的物理實例為情景，充分體現物理源于生活、用于生活、高于生活的理念，引領學生關注生活，從生活走向物理，用物理改變生活.通過實驗、制作、展示、征文等活動，能進一步增強學生的團隊合作意識和物理應用意識，養成良好的科學態度和科學精神.

除此之外，在選修課程資源建設中，充分開發學校周邊的人文、社會資源，能極大調動學生的學習積極性.

綜上所述，我們努力的方向，就是要通過“物理知識拓展”延伸學生視野的廣度，通過“物理能力提升”增加學生創新的高度，通過“物理情感培養”挖掘學生理解的深度.

3?關于課程實施和評價

相對于必修課，選修課少了考試指揮棒的束縛，但不代表選修課程的實施與評價具有隨意性.因選修課程的開發總體上還處在探索階段，在課程實施與評價方面能夠借鑒的經驗并不多.筆者結合自身情況，簡要闡述在校本教材編寫等方面所做的工作.

3.1?關于校本教材的開發

教科書是最基本、最重要的課程資源之一.在深化課程改革理念和目標的實施過程中，選修課程教科書的編寫具有重要的作用.筆者的體會是，教科書的編寫對教師的專業素養和學科認知要求極高，必須經歷一個逐步積累的過程.因此，對于初步嘗試選修課程開發的教師來說，筆者的建議是從學案、教案起步，做好各類教學資源的收集和整理工作，才能厚積薄發，最終編寫出多樣化的、富有特色的、符合學生需求的校本教材.

以下是“中學物理數字化實驗與STEM活動”選修課教材編寫思路的展示.

案例5?選修課“中學物理數字化實驗與STEM活動”教材編寫思路.

3.1.1?指導思想

①貼切課本，對課本中不方便展開的內容進行補充;

②設計實驗必須是大部分學校和老師可以完成的;

③書寫方式生動、活潑、有趣.

3.1.2?編寫要點

①背景與目標：創設情境，提出STEM活動主題;

②器材與要求：呈現材料、提出STEM活動要求;

③科學與詮釋：物理建模、架構STEM活動原理;

④工程與制作：動手操作、制作STEM活動模型;

⑤技術與探索：科學探究、體驗STEM活動過程;

⑥思考與討論：拓寬廣度、拓展STEM活動過程;

⑦傳感器介紹：科技知識，加深深度，擴大知識面.

3.2?選編內容

人教版全套物理，來源于課本的 “科學漫步”“做一做”“STS”“課題研究”等欄目.

（1）精心設計5個STEM活動案例，覆蓋力、熱、聲、電、磁等領域;

（2）實驗設計原則及建議.

①原創性原則：實驗必須自己做過，自己拍照片，自己測得數據;

②資源共享原則：引用網絡或其他來源的內容，需征求作者意見，并注明出處，網上的資料若找不到作者，必須說明.

4?關于課程評價

在課程評價方面，該課程特別注重學生評價過程性和結果性相結合，既重視學生學習過程中的能力發展，又注重學生動手制作的能力培養，讓學生的科學素養和科學興趣同步發展.根據物理學科的特點，本課程對學生的評價，體現了從課堂的學習延伸到課外的活動，從物理知識的理解到物理知識的應用，從理論知識的掌握到操作技能的提高，全面考察學生學習的成果和能力.

參考文獻：

[1]管光海.浙江STEAM教育的現在與未來[N].浙江教育報，2018-5-9.

[2]趙卿敏.課程論基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2004.

[3]張華. 課程與教學論[M].上海：上海教育出版社，2000.

[4]中國人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：實驗[M].北京：人民教育出版社，2003.

[5]中國人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[M].北京：人民教育出版社，2018.

[6]葉軍.廣濟古橋結構探尋例析[J].中學物理，2013，31（1）：5-7.

（收稿日期：2019-08-26）