STEAM教育理念下初中物理 項目式教學的實施路徑及案例分析

楊珍珂 趙建偉 賈偉堯

摘? ?要：在初中物理學科教學中融入STEAM教育理念可以為學生思維和能力發展提供有效途徑。但針對該理念的本土化探索目前仍缺乏兼具適用性和參考性的課堂教學實施路徑。文章以“坐位體前屈測試儀的改進與自制”為例，討論了將STEAM教育理念應用于初中物理項目式教學活動的設計流程及案例。

關鍵詞：STEAM教育;初中物理;項目式教學;學科融合

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）2-0073-4

近年來，將STEAM教育理念本土化的研究受到越來越多研究者的關注。目前，我國較成熟的STEAM教育本土化實踐成果主要集中在學校校本課程開發、創客教育等領域，該教育理念與學校必修學科課程的聯系尚不夠緊密。為進一步深入探索STEAM教育與學科必修課程的融合實踐，筆者嘗試將該理念融入初中物理課堂教學，整合物理學科教學要素和STEAM教育特點，設計并實施項目式教學活動。本文以“坐位體前屈測試儀的改進與自制”教學活動為例，闡述基于STEAM教育理念的初中物理項目式教學設計流程及案例。

1? ? STEAM教育及其實施方式選擇

STEAM教育理念提倡整合現行學校教育中的不同學科，形成與真實生活化情境密切聯系的學習主題進而開展教學。它重視引導學生從多學科、多視角認識和改造世界，強調了跨學科整合教學的情境體驗趣味性、活動設計藝術性、交流協作流暢性等[1]。

STEAM教育的實施方式主要有基于項目學習的教學法（Project-Based Learning）、基于設計學習的教學法（Learning By Design）和基于問題學習的教學法（Problem-Based Learning）等[2]。其中，基于項目學習的教學法通常以源于生活的實際問題為出發點，強調通過學習活動實現問題解決，并在學習結束時提供平臺展示學生學習成果[3]。我們歸納了該教學法的構成元素及要點，如圖1所示。考慮到初中生現有的思維認知能力和心理發展特點，在初中物理教學中采用項目學習的教學法更有助于充分發揮STEAM教育優勢，挖掘學生個人潛能[4]。

2? ? 教學設計流程

STEAM教育理念提倡構建真實情境激發學生學習興趣，以驅動問題引入學習主題[5]。教師在設計教學活動時，首先需要根據授課知識內容和目標相機行事，并充分考慮實施過程的安全性與可操作性，精準遴選出符合初中學生認知特點和能力水平的生活化教學項目。

整合初中物理探究性教學活動要素及項目式教學活動的一般實施流程，筆者設計了基于

STEAM教育理念的初中物理項目式教學流程，如圖2所示。在設計具體項目的教學內容時，教師可以以之為參考設置教學活動環節，并結合學生實際學情豐富教學細節。

3? ? 基于STEAM教育理念的初中物理項目式教學案例

3.1? ? 項目背景

坐位體前屈測試儀是本地區體育學科的常用教學設備，但學校現有的老式測試儀卻因自身結構原因影響教師便捷、高效地獲取學生測試數據。本教學項目以學生熟悉的真實生活情境為切入點，引導他們利用已學物理知識，輔以數學知識和工程技術手段，對老式測試儀進行改造并自制新型坐位體前屈測試儀，以幫助體育老師解決現有測試儀在使用中存在的測距效率不高、讀數不便等問題。

3.2? ? 教學流程框架圖

為了促進九年級學生對所學電學和力學知識的理解與內化，進一步發展其實驗探究能力，同時給予他們適度的創新創造空間并提供學以致用的平臺，本項目式教學活動將老式坐位體前屈測試儀的改進作為學生學習主線，基于上文提到的項目式教學設計流程確定了如圖3所示的教學環節。

STEAM項目式教學活動聚焦真實問題解決，學生通過跨學科知識整合達成這一目標。因此，筆者集合學校實驗室現有資源并根據學生學情設計、打磨教學環節，預設教學活動中涉及到的STEAM要素，具體見表1。

3.3? ? 教學過程

（1）趣味導入：設置驅動問題激發學生興趣

播放《體育老師的煩惱》小記者校園采訪片段，設置生活化的驅動問題：“你能嘗試利用所學物理知識改進老式坐位體前屈測試儀嗎？”以設疑的方式驅動學生積極投身學習活動，培養其具有用科學服務社會、改造世界的理念。

（2）學生活動：初步設計坐位體前屈測試儀電路

STEAM教育一貫重視學生的科學精神培養，強調其動手實踐能力的發展。為引導學生利用科學方法探索問題，學生活動可參照如下三個步驟開展：

①引導學生結合實物和日常使用經驗討論分析老式坐位體前屈測試儀的工作原理，通過類比方法建立起測試儀滑塊與物理電學常用元器件——滑動變阻器間的聯系。

②給予學生機會獨立自選實驗器材，初步設計電路并繪制電路圖。

③組織學生小組合作討論，總結不同方案的利弊，選擇適合的電路設計方案。

學生初步設計出的電路圖可歸為如下三類：有學生計劃使用電流表測電路中的電流，將滑片移動的距離值轉換為電流值讀出，如圖4（a）;還有一些學生計劃使用電壓表測滑動變阻器兩端的電壓或定值電阻兩端的電壓，如圖4（b）和圖4（c），亦即將滑片移動的距離值轉換為電壓值。

（3）頭腦風暴：保證電路安全，優選器材參數

考慮到實際的使用需求和電路安全，學生需要選定電學元器件詳細參數。教師根據授課班級的學情，通過追問的方式引導學生從實際出發選取元器件參數，并發現目前電路設計存在的不

足。教師有意識地培養他們的思辨能力，鼓勵其

既能言之有理地陳述個人看法，又能敏銳識別并敢于質疑不正確的觀點，且能言之有據地提出修正意見。

（4）學生實驗：考慮代數關系，優化電路設計

①學生連接電路開始實驗測量，記錄滑動變阻器滑動距離L與電表示數U（或I）的關系。

②引導學生利用數學圖像法，發現L和U（或L和I）之間可能存在的關系。

③學生小組討論：優化電路設計，改進電路結構。

④學生重新連接電路，收集實驗數據，驗證數據間存在的預期關系。

⑤學生依據上步實驗收集的數據，更換電表。

STEAM項目式教學活動打破了學科界限，重視引導學生以多視角思考問題，為學用相長提供了不可多得的契機。為直觀地反映數據間的關系，教師應注意引導學生利用數學圖像法描點作圖。在作圖過程中他們很容易發現坐標圖反映的電學量和距離量的關系與預期的線性關系不符。為幫助學生突破探究瓶頸，教師可建議再回到電路設計環節，將各物理量的關系公式化推出，從理論上確定滑動變阻器阻值與電表示值間表現為非線性關系的原因。因此，現有設計方案需要進行再設計、再優化，以保障電學量和距離量的線性關系。圖5是學生小組合作完成優化并最終確定的電路圖。

（5）匠心造物：改造測試儀硬件結構

本環節將創新思維融入到課堂教學情境，不僅增強了學習過程的情境性，還為學生個性化創造能力發展提供了充足的空間。學生利用工程技術手段設計并實施測試儀結構改造，難點在于解決支架模塊的力學穩定性問題。因此，教師在教學中應注意引導各學習小組充分考慮測試儀力學結構的穩定性，并設計各個器件的模塊結構，再根據實際需求選擇材料制作測試儀踏板、支架和底座等，使用簡單工具（如螺絲刀）對選用的原材料進行改裝、打磨等工序并完成組裝工作。在教學實踐過程中，為保障新型測試儀結構穩定性和使用便利性，部分學生利用實驗室已有原材料改造成測試儀踏板、支架及連板，還在連板背面上用釘子制作了卡扣;有學生在支架板正面為滑動變阻器量身定制了卡槽，既能保證裝置部件結構穩定，又保證了拆卸簡易快速且攜帶方便。

（6）美學滲透：包裝、美化粗加工完成的新型測試儀

STEAM項目式教學活動不僅促進了學生知識與技能的發展，還促進了學生審美能力的提升。考慮實際使用的便利性、舒適性和美觀性，學習小組內各個成員還需分工協作，合理排布電路主體模塊和其他模塊，并進一步對粗加工制作完成的新型測試儀進行包裝和美化。

（7）分享成果：展示與評價

學習小組間開展學習成果展評活動，邀請體育老師和同學一起檢測新型測試儀的工作效果，從測試精度、外形美觀程度、制作工藝的技術難度等多方面對研究成果進行量化評比。學習小組內部各成員分工協作，收集、研究各方評價意見，綜合評測產品便利性、舒適度及美觀性，進一步完善作品功能（如圖6）。

4? ? 評價與反思

以上案例將STEAM教育理念滲透入初中物理課堂教學，以真實情境為基礎開展項目式教學活動，引導學生將不同學科知識整合、應用到學習實踐中;課中迭代循環的探究過程鍛煉學生用科學思維發現、思考問題，培養他們以科學態度分析、解決問題的能力;各教學環節關注學生思辨能力的發展，鼓勵其與他人交流、分享。整個教學流程重視給予學生綜合所學知識合理創新的機會，發展了學生的個性化創造能力。教學活動雖然在一定程度上體現了STEAM教育特色，但是仍存在一些不足，如學生探究活動材料選擇的開放度不高、學生作品展示方式不夠豐富等，這些都需要在后續教學中進一步完善。

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]鄭葳.中國STEAM教育發展報告[M].北京：科學出版社，2017：88-96.

[3]孫越，史藝，詹光奕，等.STEM理念下基于問題的學習探索與實踐——以“物體上滾實驗”為例[J].物理教師，2020，41（02）：7-10.

[4]趙艷紅，韓敘虹，周青，等.基于STEM項目式學習的實踐和探索——以課題“證明地球是圓的”為例[J].物理教學探討，2018，36（12）：74-76.

[5]孫佩雄，劉通.STEM教育視野下促進物理學科核心素養提升的高中物理實踐活動的探索——以“電磁炮”項目為例[J].物理教學探討，2018，36（9）：15-18.

（欄目編輯? ? 李富強）