落實核心素養的高中物理教學資源開發
——基于STEM項目學習框架的策略

林冰冰 鄭 健 邱曉峰

（1.福建教育學院，福建 福州 350001；2.福州格致中學鼓山校區，福建 福州 350014；3.福州第三中學，福建 福州 350001）

2019 年6 月，國務院發布《國務院辦公廳關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》（國辦發〔2019〕29 號）一文中，明確指出要“深化課堂教學改革”，并進一步明確要求“積極探索基于情境、問題導向的互動式、啟發式、探究式、體驗式等課堂教學，注重加強課題研究、項目設計、研究性學習等跨學科綜合性教學”。再則，現行的《高中物理課程標準（2020年修訂版）》中要求教師在物理教學中要注重科學精神的滲透，關注學生終身能力發展，同樣強調增強學生創新意識和實踐能力。而現國際上流行的STEM 課程是一門跨學科的應用型課程，是以解決現實問題和積累經驗為基礎的學習模式，在解決問題或者完成任務的過程中，激發學生學習興趣，引導學生在探索過程中應用或者更好地掌握學科核心概念、原理知識等。如此看來，“深化課堂教學改革”“核心素養的要求”以及“STEM 教育理念”不謀而合。

采用如何的教學方式在傳統的物理分科教學中融進STEM 素養教育，是值得廣大物理學科教師去認真研究和實踐的。［1］而在落實STEM 教育中，相關的教學資源開發和課程設計又是必備且是至關重要的前提。在中國長時間分科教學的背景下，有必要進一步尋求基于STEM 教育理念的教學素材挖掘和課程設計，開展相關STEM 項目學習研究以實現在中學物理教育中滲透STEM 素養教育，落實核心素養培育，推進普通高中育人方式。

一、“STEM 項目學習”的內涵理解

STEM 課程是強調基于現實生活情境的跨學科知識應用型課程。文章采用T J Moore 和K A Smith 提出的情境整合模式，［2］即課程中以基于現實生活問題的工程設計為學習情境，將科學、數學等知識有機地融合并運用到工程中去，在工程過程中達到STEM 素養培養。在情境整合模式中，工程設計并不是課程目的所在，而是作為學習情境存在。

項目學習（Project-Based Learning，縮寫為PBL）作為一種普通的教育教學方法，在美國公立校中的歷史可追溯至19 世紀，其強調的重點是解決“現實世界中的真實問題”，主張學生通過一定的小組合作方式（自主探究），來獲得真實世界問題解決的經驗，并最終能夠將學習結果投入到生活應用中去，有利于學生在探索過程中應用或者更好地掌握學科核心概念、原理知識。在PBL 中強調STEM 教育，同時結合中學教育實踐，可以說是一種新的嘗試。STEM 理念契合PBL，因為“科學”“技術”“工程”和“數學”之間本就有千絲萬縷的交疊。再則，PBL 強調的是“現實世界中的真實問題”，解決真實問題過程本就不是在某個孤立的學科開展，同樣是要求學生在STEM 領域中開展跨學科的探究活動。

簡而言之，STEM 項目學習要求學生通過完成的項目作品呈現其對真實問題的解決情況，同時提供給教師衡量學生在“STEM”所涉及學科概念知識和原理等方面掌握情況的依據。可見，STEM 項目學習在幫助學生打破學科知識碎片化、建立高階思維、落實STEM 素養教育上有著得天獨厚的優勢。

二、指向STEM 項目學習的教學素材挖掘

隨著課程改革的不斷深入推進，教材不斷更新，在中國長時間的分科教學背景下，教材編寫目前仍是以分科編寫為主，能夠直接用于開展STEM 項目學習的教材幾乎沒有，因此開展相關STEM 項目學習的教學資源挖掘顯得十分必要。優秀的學科教材資源，特別是作為科學學科的物理，其本身就有著與數學、技術以及工程的諸多潛在關聯，其多方面功能依舊可以為廣大一線教師開發所用。例如在學習完“能的轉化與守恒”后，設計相關“核電站”主題的STEM 項目學習課程，在學習完“力的分解”之后設計相關“橋”主題的STEM 項目學習課程，等等。

STEM 項目學習強調教師在開展教學中要基于真實情境中的問題，以現行的魯科版《普通高中課程標準實驗教科書物理2》中的第二章“能的轉化與守恒”為例，開篇通過“從水車到核電站”展開導入，并提出“能源的開發給人類帶來了什么正面與負面的影響？”等現實問題，激發學生興趣，引導學生進行思考，再娓娓道出相關物理知識、規律等。如此，教師可以首尾呼應，在學習完“能的轉化與守恒”一章后，可直接利用章節前的真實問題導入，以符合學生知識結構的任務清單（問題鏈）為輔助引導，開發設計出相關“核電站”主題的STEM 項目學習。而這當中，采用如何的方式方法進行有效的教學資源挖掘就顯得十分重要。

（一）以跨學科概念圖橫向搭建資源挖掘框架

跨學科概念圖的應用在相關課程設計、教材開發編排、教學研究中有著重要的指導意義。［3］在教學資源的挖掘過程中，有效利用跨學科概念圖，可以讓教師在課程開發初期很好地明確課程所需要涵蓋的學習范圍，以及課程所需要達到的學習目標。［4］

相關“核電站”主題的跨學科概念圖（如圖1）。

在選定的主題下，教師應基于學生已有的生活經驗、已學習的課本知識作為基礎來初步搭建跨學科概念框架圖，并通過相關主題的現實工程以及模擬真實情境的啟發式問題逐步豐富學科概念圖，組織開展跨學科學習。在“核電站”核心主題下，學生對于“能源開發和可持續發展”有一定的生活經驗，同時對于“能的轉化與守恒（核裂變、核聚變）”有了概念性知識基礎，以此為依托進行概念圖的左右橫向初步建立。再引導學生對“我國核電站布局與工作流程”現實工程問題進行調研、考察、學習，進而引出“如何自制核輻射檢測儀器（蓋革計數器）”“世界現有能源還能供人類使用多少年（世界人口增長與能源消耗）”等真實情境的啟發式問題進行跨學科概念圖豐富與完善，最終以明晰所設計STEM 項目學習課程的學習范圍，以及所需要達到的學習目標。

圖1 “核電站”主題STEM 項目學習

（二）以BSCS 5E 模型步驟縱向挖掘教材資源

BSCS 5E 模型是美國生物科學協會(BSCS)基于建構主義學習理念編寫的生物教材中所提出的教學模式，目的在于培養學生進入社會時所需的生物科學領域的基本技能，在教材出版后就廣受認可。該模型主要包含“約定（Engagement）”“探究（Exploration）”“解釋（Explanation）”“ 拓 展（Elaboration）”“ 評 價（Evaluation）”五個步驟。［5］在各國基于時代發展對人才需求所提出的核心素養要求之后，又有不少學者將5E 模型應用到核心素養培養上進行研究。［6］

本課題在實施STEM 項目學習研究中，將5E 教學模式遷移到對高中物理教材中相關“核電站”主題資源的挖掘與編排上，以期能夠得到效用（見表1）。

表1 5E 模型下“核電站”主題STEM 項目學習資源挖掘與編排設計

在BSCS 5E 模型步驟中，“約定（Engagement）”至關重要，如何在現有教材知識基礎上挖掘出學生感興趣的且是與現實情境問題、工程設計等相關主題，是學科教師作為教材、學生、課程三者橋梁的重要作用體現之一。在“約定”環節中，學生的興趣固然重要，但教師在這個過程中如何正確引導學生“像科學家一樣思考”感興趣的話題更為重要。“探索（Exploration）”是在明確項目主題之后的研究階段，引導學生在研究過程中明確項目相關的課程目標和制約因素，并在此過程中建立起項目相關的概念與思維等。“解釋（Explanation）”和“拓展（Elaboration）”環節應當給予學生充足的時間來根據問題解析進行項目設計與實施，并實現知識的遷移應用。“評價（Evaluation）”依據為先前明確的課程目標，以項目對現實問題的解決情況開展測量和反思，評價方式可以是自我評價、同伴評價、教師評價等多種方式。

在“核電站”主題STEM 項目學習課程設計中，有意識地引導學生通過歷史事件開展反思，了解現有我國核能發電站布局并引導思考相應工程問題發生時的應急對策，再進一步針對“放射性污染的監測”開展“簡易蓋革計數器”項目的制作，在項目拓展中再次通過數學建模和運算深刻了解當前能源的匱乏，在真實問題情境中幫助學生從各學科概念層面重新審視當前能源開發利用所面臨的境況，發展學生解析問題以及反思能力等，深刻地體會科學、技術、社會與環境協調發展的重要性，讓STEM 素養教育在章末通過問題解決過程得以體現。

三、基于STEM 項目學習的中學物理教學資源開發的反思與建議

（一）用跨學科概念圖明晰教學資源開發的范圍

跨學科教學在基礎科學學科教育中的重要地位日益凸顯，相關跨學科知識的整合是重點亦是難點。在強調跨學科概念的STEM 項目學習中，借助跨學科概念圖，不僅能夠提高跨學科知識的整合效率，也能夠提升整合者的創造力。在進行教學資源挖掘時，借由相關主題的跨學科概念圖，讓人從視覺上直觀地了解到跨學科所有可能涉及的知識內容，給人以明晰的范圍框架，也有利于教師在課程設計之初明晰跨學科的STEM 項目學習目標。

（二）用工程思維縱向拓展教學資源挖掘的深度

在我國傳統的基礎教育中，有著優秀的科學和數學學科教育，但是在技術和工程上的教育卻顯得較為蒼白。STEM 教育中的“工程”落實同樣是我國在相關探索實踐方面的薄弱點，而工程思維又是提升項目質量的命脈所在，因此在STEM 項目學習設計中用5E 模型步驟模擬工程設計，用以提供學習情境，在學習過程中深深的將工程思維貫穿其中。

（三）用工程項目結果支撐教材資源挖掘的有效性

STEM 項目學習作為應用型的課程，以項目作品的完成情況來衡量課程實施的有效性。因此在課程資源挖掘的過程中，在契合課程標準之上，要注重設計有明確可行的項目作品，亦是有利于學生呈現其解決問題的思維，讓思維可視化，也是提供給教師以評價依據的重點。