基于STEM理念的“項目學習與物理實驗探究”課程的設計與實施

葉軍 黃彥焱

摘 要：結合在“項目學習與物理實驗探究”校本課程開發中的親身經歷，從課程構建、課程開發、課程實踐、課程評價的角度，將STEM理念融入課程的設計與實施.

關鍵詞：STEM理念;課程;設計;實施;項目實習

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）19-0045-04

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;

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

STEM教育是科學、技術、工程和數學教育的簡稱，STEM教育多采取各學科融會貫通的方式，STEM注重知識與現實問題的有機融合，注重學生的自主積極參與，通過學生自身所了解、掌握的不同學科知識針對現實問題得出自己的處理辦法，結合項目加以開展，以研究性學習為主，注重培養學生的探究能力，提升學生的科學素養、技術素養、工程素養和數學素養等.STEM教育以技術為橋梁，實現跨學科整合，關注新技術和實踐應用為主要原則，培養能綜合運用多學科知識解決實際問題的復合型創新人才.筆者設計的基于STEM理念的“項目學習與物理實驗探究”課程的教學需要經歷了一個從提出問題、分析問題、模型建構、實踐驗證、反思升級的過程.可以通過抽象與概括思維來分析問題;通過邏輯與系統思維來進行模型建構;通過批判與反思思維來進行實踐驗證;通過迭代思維來進行反思升級.在這個過程中，融合STEM理念的教學設計，將會更有效地提升校本課程教學的實效，培養學生的物理思維.

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“項目學習與物理實驗探究”校本選修課受到了在校學生的廣泛好評，被選送為區級精品選修課程.本文試圖通過課程構建、課程開發、課程實踐、課程評價、課程成效的角度，談談如何將STEM理念融入課程的設計與實施.

1 基于STEM理念的“項目學習與物理實驗探究”課程的構建

1.1 課程目標

通過項目學習和項目問題解決的實踐活動，實現“教、學、做”合一，使學生獲得親身實踐的積極體驗，發現和領略物理在現實生活的應用，形成從生活中主動發現問題并獨立地分析、解決問題的態度.應用物理實驗設計理論知識，提高學生動手能力、創新能力和培養學生學習物理的持久興趣;學習并掌握必要的物理實驗基本技能和實驗設計方法，養成合作、分享、積極進取等良好的個性品質，以及創新精神和實踐能力，培養學生科學態度、集體觀念和社會責任感.

上述課程目標分解為以下三個維度表述：

（1）知識與技能

①=1＼*GB3理解項目學習的內涵和基本程序;了解工程、技術與數學等學科知識在科學探究中的運用.

②=2＼*GB3掌握物理實驗基本操作技能;進一步學會觀察、記錄、分析物理現象的方法和技能;掌握物理實驗設計方法，能夠運用實驗設計方法探究生活問題.

（2）過程與方法

①=1＼*GB3體驗項目學習在實驗探究中的運用，初步運用項目學習程序來設計實驗探究方案并實踐.知道科學探究可以通過實驗、觀察等多種手段獲取事實和證據.

②=2＼*GB3體驗物理實驗設計的方法和程序，能夠運用物理實驗設計方法和條件控制進行實驗設計和實驗研究，初步形成運用物理實驗解決實際問題的能力.

（3）情感、態度和價值觀

①=1＼*GB3通過探究實驗方案的設計及實施，激發學習興趣，使學生形成良好的實驗工作習慣.

②=2＼*GB3通過量化物理探究，培養學生量化思想、比較思想、類比思想、構建模型思想、驗證探究思想和以實驗為基礎的觀念，樹立嚴謹細致的科學態度，具有批判精神和創新意識.

③=3＼*GB3通過作品研制、展示與交流，培養學生小組合作意識，人際交往能力，形成從生活中主動地發現問題并獨立地分析、解決問題的態度，培養學生的科學態度、集體觀念和社會責任感.

1.2 課程內容

本課程學習內容以項目學習模式為核心，以物理實驗設計理論及運用為載體，以實驗的形式探究物質世界的奧秘，內容的選取兼顧實用性和趣味性.

課程內容以“理論—實踐—運用”為主線，分為3個專題.專題1為理論篇，涉及的課程內容具體為：（1）=1＼*GB3項目學習;（2）=2＼*GB3物理實驗設計常用方法.專題2為實踐篇.該專題以項目問題的模式，具體講解項目學習的實施程序及實驗設計方法的運用;通過專題內容的趣味性和實用性，使學生熟悉項目學習的實施程序和物理實驗設計研究常用方法.涉及的項目活動有：（1）=1＼*GB3模擬車禍現場估測車速;（2）=2＼*GB3探究地磁場的水平分量;（3）=3＼*GB3估測地球表面平均輻射能;（4）探究光的衍射現象.專題3為應用篇.該專題安排三個綜合探究項目，學生根據項目學習程序、物理實驗設計方法及興趣特點，運用已建立的實踐經驗自主選取2-3個綜合項目課題并設計實驗探究.項目活動包含：（1）=1＼*GB3地球表面溫度的測量和質量的測定;（2）=2＼*GB3探究磁流體技術對生活的影響;（3）=3＼*GB3感受聲現象.

案例1 “項目學習與物理實驗探究”選修課目錄（見表1）

專題3：應用篇之綜合探究地球表面溫度的測量和質量的測定（3課時）綜合運用所學實驗設計方法進行探究

2 基于STEM理念的“項目學習與物理實驗探究”課程的開發

2.1 課程開發的基本流程

在課程開發的過程中，需要經歷一個從編寫、實踐、修訂、實踐的循環過程（如圖1），通過這樣的方式，設計出符合培養學生物理思維的校本課程.

圍繞課程目標、課程框架，編寫每一課時的教材，在編寫好教材后，設計上課資源，在課堂上進行實踐、觀察、思考，課后與學生個別訪談，最后對課時教材進一步修訂.同時，整個過程又是一個循環體，直到編寫出最佳的課時教材.

2.2 教材編寫的基本框架

基于物理思維的“項目學習與物理實驗探究”教材編寫要以培養學生物理思維為中心的教學理念，針對我校學生的學習特點，教材的基本框架主要分為六大板塊：背景與目標、器材與要求、科學與詮釋、工程與制作、技術與探索、思考與討論.這六大板塊的設計，是基于物理思維的核心思維所構建的，引導學生經歷問題的抽象與分解、模型的構建與實施、思維的批判與迭代的過程.

案例2 選修課“項目學習與物理實驗探究”之“感受聲現象”教材節選

背景與目標：聲音是平凡的，又是奇特的.我們生活在一個充滿聲音的世界中，這也許使它顯得平凡;聲音在很多方面豐富并改變著我們的生活，這又映射出它的奇特.那么，聲音究竟是什么？聲音有哪些特性？它還會給我們帶來什么？妙趣橫生的聲現象中究竟蘊含著怎樣的物理原理？同學們認為“感受聲現象”這個題目可以作為綜合探究項目的課題.

器材與要求：略.

科學與詮釋[1]：略.

工程與制作：制作盡量符合實際的測量模型（如圖3-6）.

技術與探索[1]：

一、聲音的三要素（略）.

二、聲音的反射（略）.

三、聲音的折射（略）.

思考與討論：我們生活在美麗的家鄉塘棲，但是我們學校的周圍充斥著噪聲的污染，不妨約上好朋友一起應用Wensn噪音計探究塘棲街區的噪聲污染吧.然后請查閱更多資料，結合塘棲街區噪聲污染的特點，提出危害預防的改進建議.

物理思維的本質是抽象與概括，在編寫教材時，要始終遵循學生的思維方式.在問題提出后，通過物理語言的方式抽象分析，通過數學建模、系統思維來建構物理模型，用批判思維的方式來思考.為了能進一步拓展學生思維，從物理思維中的迭代思維入手，讓學生提出新的設想，將項目學習進一步升級，在潛移默化中培養學生的物理思維.可見，教材的課時編寫是緊緊圍繞物理思維的.

3 基于STEM理念的“項目學習與物理實驗探究”課程的實踐

在教學過程中，以“做中學”為理論指導，“教、學、做”合一.課程實施模式參考黃冬明和聶振雯的“基于PBL雙環互動教學模式”（如圖7）.

此模型為雙環同心結構，中心標有“學生活動”，說明項目學習以學生學習為中心，學生是學習活動的主體，所有的教學活動都須圍繞學生的學習來設計和開展.內環上的6個小圓圈代表教學活動的各個環節.內環中由直線所劃分的6個區域中的內容為學生在相應的各個階段所開展的活動.外環是一個正六邊形，各方框內的內容是教師在對應各個階段所從事的活動.外環表示教師在整個教學活動中是一個指導者、幫助者、監督者、資源提供者和合作者[2].

通過學生直接參與項目并呈現作品的方式，充分發揮學生的自主性，將課堂主動權交還給學生.通過學生親身參與設計實踐和探究，獲取物理實驗及相關理論等陳述性知識及物理操作等程序性知識，啟迪思維;以學生現有的認知水平和動手能力來組織教學，循序漸進.尊重學生個體差異，鼓勵并積極創造實踐活動的條件和平臺，使思維獨到的學生有更多的嘗試機會，在多次嘗試中發展各項能力，學會合作和分享，樂于在團體協作的過程中發揮個人聰明才智，體驗成功.

本課程安排3個專題，共安排18學時，共計2學分，其中專題1為2學時，專題2為8學時，專題3為8學時.

在課程開設方面，在每個學期開學的第一周，“項目學習與物理實驗探究”選修課程和其他校本課程通過教務處“選修課選課指導手冊”向學生公布，學生可以根據自己的興趣愛好，進行網上選課.

截止2018年8月，累計選課人數達到1200人次，在本校選修課中位居首位.根據教務處學生評教的反饋信息，“項目學習與物理實驗探究”受到了學生的熱烈好評和追捧，多次出現報名人數超過額定人數的情況.

4 基于STEM理念的“項目學習與物理實驗探究”課程的評價

（1）評價主體多元化和互動性.評價主體可以是科任教師也可以是學生，評價要求客觀、公正，具有激勵性、檢測性.通過師生共同參與和互動交流，有利于全面了解學生真實的心理和學習情況，有利于培養學生的課堂參與度和學習積極性.

（2）評價內容多元化.根據本課程設置目標，開發項目學習評價量表，形成評價體系.課程評價體系包括項目方案設計評價、項目探究過程的評價、項目成果質量評價、成果交流評價、項目完成綜合成績評定.

（3）結果和過程相結合的原則.本課程的評價有別于甄別和選拔，力求真實反映學生的學習過程和成長歷程，體現鼓勵性原則，實現結果和過程相統一.

參考文獻：

[1]葉軍.聲現象的實驗研究[J].物理教學，2015，37（03）：44-47.

[2]全芙君，申敬紅，相紅英.基于項目的科學教學的方法與策略在高中化學中的實踐[J].化學教育，2014（05）：8-10.

[3]張豐，管光海.浙江STEAM教育實踐的現在和未來[N].浙江教育報，2020-10-14.

[4]趙卿敏.課程論基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2004.

[5]張華.課程與教學論[M].上海：上海教育出版社，2000.

[6]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003.

[7]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-06-23）