STEAM教育理念下高中物理實驗設計

趙彥剛

（山東省青島市即墨區市北中學 山東青島 266200）

在科學、技術和創新飛速發展的背景下，STEAM教育在世界范圍內產生了強大的影響力。STEAM教育相對于我國傳統的單科教學方式，打破了學科的獨立性，更注重學科之間的聯系。可以說，STEAM教育理念將作為課堂教育的催化劑，堅持“以學生為中心”的原則，通過科學整合培養學生獲取知識和技能，靈活傳遞內容解決現實問題，使學生成為多種行業需要的高素質創新型人才。本文旨在為STEAM教育在高中的實施提供參考范式。

一、STEAM教育特征

1.項目為導向

STEAM教育通過提出和完成項目將項目視為學習和行動的單元，使學生能夠學習知識并展示實踐技能。采用STEAM教學方法，一方面可以激發學生對于物理實驗的實踐熱情，另一方面，從整體上來看更能夠增強團隊之間的協同互助能力，讓學生“邊做邊學”[1]。

2.不同學科交叉，綜合性強

STEAM培訓融合了多種學習方式。不同領域的教師可以靈活地交叉各個學科的學科知識，從而使學生的學習系統化，達到類比的效果，增加學習的興趣。同時，STEAM教育讓學生通過將所學知識與生活現實相結合，真正應用所學。

3.注重過程而非結果

應試教育關注的是老師、學生、家長、整個社會的學習成果，卻忽略了學習的本質是激發學生的學習興趣，讓學生有能力去學習、去思考，最終發現問題、解決問題。STEAM教育旨在更注重學習過程而非學習結果，減輕教師的教學負擔和學生的學習負擔，讓學生真正沉浸在學習中，享受學習的樂趣。

4.允許學生犯錯，增強學生創造性

STEAM教育本質上是一種允許學生犯錯的教育思想，它可以鼓勵學生犯錯，大膽挑戰，提出自己不同的想法，成為完全不同于基于標準答案的傳統教育的獨立學習者。同時，STEAM教育通過貫徹創新是科技生產第一發展要素的特點，可以有效激發學生的創造力。

5.靈活性強，適用面廣

STEAM教育起源于美國，但得到世界各地教育工作者的認可。除了以上四個特點之外，還有一個特點使得STEAM教育理念適用于各個國家和地區。以全國為例，不同地區的教育工作者可以結合當地風土人情和地方特色，創新教育形式，設計出適合本地區的創新教育模式[2]。

二、高中物理實驗教學中融入STEAM教育理念的價值

1.STEAM教育聚焦跨學科融合

實行STEAM最重要的一點便是學科之間的科學融合，在物理實驗教學中，教師要能夠通過恰當、科學的方式滲透跨學科知識，更好地融合物理學科與其他學科的教學內容。物理是一個綜合性的題目，有一定的集成性，尤其是在物理實驗中，不僅需要用到物理知識，還需運用數學、工程應用等多方面知識，因此在進行物理實踐中必須要充分理解并運用這些豐富的知識，要想學好物理，不僅要借助跨學科的思維分析物理問題，還要分析一定的跨學科知識和技能。

在高中物理教育中融入STEAM教育理念，能更好地展現物理的科學性以及推理性，更能突顯出數學學科的嚴謹性與情境的趣味性，然而，突出這幾種特性的重要前提，就是教師不僅要具備專業的物理知識，更要有全面的跨學科素養。也就是說，高中物理教師在能夠熟練運用本學科專業知識為基礎上，還必須要向學生拓展化學、藝術、數學、文學等多方面知識，尤其是隨著高科技產品滲入校園，教師還可以掌握幾種新型設備的使用，例如3D打印機、投影儀等，還應該熟練使用電腦軟件，諸如犀牛、Python以及Flash等等，若教師在教學過程中能夠運用這些軟件進行動畫、模型展示，不僅能讓學生眼前一亮，更能夠將抽象的物理概念變得通俗易懂，將課本上的平面圖形變成立體結構，從而達到“寓教于樂”的目的。例如，教師在進行電流教學時，便可以運用Flash這一軟件，將電流在電路中的變化動畫化，取代了傳統課堂上學生面對一系列的電子元件卻不從下手的現象，因此，可以說運用教學軟件更能夠適用于現代學生的思維發展特征，更好地輔助學生進行物理學習，幫助學生解決了學習中的難點，很大程度上促進學生創新思維以及發散思維的形成。因此，教師進行跨學科的教育能夠為物理教學展現出多維度的教學內容和呈現方式，既精準地集中了物理教師的教育積累，又擴大了綜合性，促進了物理教師學習、掌握和應用跨學科知識的主動性。將STEAM教育思想與教師充足的跨學科知識儲備相融合，可以使物理教育更加科學、真實、實用、適用，激發學生的知識興趣，促進學習動力，實現物理核心素養提升目標[3]。

2.STEAM教育注重實踐與應用

從STEAM教育的角度來看，物理教育設計應該更加注重技巧性、可靠性和應用性，以激發學生的興趣，吸引學生的注意力。因此，高中物理教師必須將教學設計作為授課工作的重點，多使用學生生活中常見的工具，也可以充分利用科技成果，用來再現物理情景，使學生更加感興趣，鼓勵學生積極協作并參與課堂討論[4]。

在基于STEAM教育理念設計中，探究實驗“探究小車速度隨時間變化的規律”時，選擇了在生活中較為常見的實驗道具，在實驗中，選擇小車、紙帶、木板等工具，讓學生通過自己動手實踐進行實驗，從而得出小車速度與時間之間的變化關系，小車是學生日常生活中非常常見的小玩具，由于其便利性得到了眾多物理老師的青睞，不僅能夠清晰明確地展現出課本上的實驗，更可以讓學生動手實踐，自主探索實驗現象。在這種情況下，教師可以通過選擇適合物理教育的生物材料來接近物理，學生可以在學習物理知識的過程中發現問題，特別是在一些現實生活中較為接近場景，以此來設計出優秀的教育計劃。

三、新課程標準下，高中物理創新實驗教學現狀解析

1.教師教學存在的問題

（1）沒有給予足夠的重視。一些物理教師深受傳統教學觀念的束縛，認為物理實驗是可有可無的，只注重理論知識的傳授和問題的解決，所以沒有給予物理實驗教學足夠的重視。（2）教師教學方法受到束縛。有些物理教師在實驗教學中很容易被傳統教學方法束縛，沒有對實驗進行創新，只是根據自己多年經驗重復操作。然而，時代在不斷變化，教師的教學方法也必須要得到創新才能更好地適用于新時代。（3）不重視理論與實踐之間的協同性。物理是一門實踐能力強且理論知識繁多的學科，在教學中，教師通常只是重復著書本上的理論知識，或者在實驗中完全沒有進行理論教育，這兩種教學現象都是不可取的，都無法促進學生邏輯思維能力的增長，并且若采用這種教學法，會導致學生對知識沒有進行深入的理解，雖然學生對理論知識對答如流，然而在實際運用中用到理論知識的情況少之又少，因此，教師必須要將物理教學的理論和實踐進行協同教學，才能達到高中物理教學目標

2.學生學習存在的問題

（1）實驗以及測量儀器使用不當。學生在實驗中往往過于注重實驗結果，卻忽視了實驗的規范性原則，因此會出現劃傷、燙傷等意外情況，這主要是由于教師沒有制定一個使用規則，造成學生沒有正確使用儀器。（2）大部分學生按照課本上的實驗指示進行操作。如果情況有一點變化，學生會不知所措或者從頭再來，沒有對實驗原理進行深入思考。（3）學生在進行實驗學習的過程中，沒有按照實驗步驟，而且逐漸降低對于物理實驗的重視程度，無法實現高質量的實驗學習。

四、STEAM教育理念下高中物理實驗設計具體應用

1.利用互聯網輔助教育

目前，但大部分教師將互聯網作為輔助工具，僅在必要時才使用多媒體進行展示。事實上，互聯網可以成為教育的基礎，教師可以利用它為學生創造一個互動、開放、包容的教育環境。在探索STEAM綜合教育的過程中，可以利用網絡教育來提高教育效果。例如，在物理實驗的課堂上，教師可以使用數字化的工具來加強與學生的互動，并在課堂上與學生一起發現課堂上的困難。STEAM綜合教育更注重學生的實驗能力，事實上，實驗也可以通過互聯網技術和多媒體技術來呈現。當前的虛擬現實技術能夠將物理實驗的效果直觀地呈現給學生，幫助學生在線進行物理實驗。在傳統的物理教育中，師生之間的交流非常有限，并且存有時間和空間的限制，但是互聯網技術讓教師可以制作微課視頻，學生可以自由選擇學習時間和內容，不受時間和地點的限制。

2.開展生活化學習模式

在開展實驗校本課程的過程中，教師著眼于新課程改革背景下物理實驗的教育目的，立足物理實驗與現實生活的自然聯系。同時，教師結合現實世界的實驗內容，借用生活中常見的材料和資源，讓學生“走進生活”。在STEAM理念下，將現實世界實驗的教育目的與當地資源優勢相結合，創造實驗性、歷史性、項目性、區域性課程，鼓勵學生有效學習物理實驗。

3.構建與其相適應的實驗教學評價體系

構建恰當的實驗評價體系對于物理實驗教學起到極其關鍵的作用，傳統教學課堂上，教師往往會根據學生實驗的手法是否標準、實驗步驟是否準確為評價標準，顯然僅僅通過這些無法真正評判實驗教學是否有效。這主要是由于高中是發展學生發散思維的重要時期，有些同學認為實驗可以適當簡化，而有些同學認為實驗可以進行擴展。因此，教師需要給學生一個敢于實踐的機會，不要直接告訴學生哪些步驟是錯的，哪些步驟是多余的等等，只需要靜靜地觀看學生實踐，鼓勵學生思考在實驗中出現的問題。教師可以先讓團隊之間進行交流，若實在不明白實驗出現錯誤的原因，再由教師進行指點。也就是說，教師在整個過程中起到“引路人”的作用，學生才是課堂的主體，這也符合“以學生為本”的教學理念。同時，可以將教學評價拓展為團隊合作能力、實踐能力、創新能力等多個方面，這不僅充分肯定了學生的學習能力，更有助于學生掌握知識，促進教學評價多樣化與全面化。在優化實驗教育評價的過程中，教師要尊重學生的主體地位，引導學生完成小組自評和互評，隨后再由教師對學生進行綜合評估，使教育評價模型更加全面和客觀。

4.開展探究式學習

探究式學習法是一種依靠自己決定探究對象，自主選擇探究方法，最終得出探究結論的學習方法。在物理教學過程中，教師不能一下子把課堂內容傳授給學生，而是可以講理論、講實踐，采取提問的方式激發學生的興趣。STEAM的教育理念打破了學科之間的界限。例如，在課程中，教師可以拋出水污染和凈化問題，污水凈化包括物理、化學、社會、工程和其他學科，學生能夠在水源污染分析、凈化方法、社會影響和人為污染改善等方面進行探索，也可以從住宅供水系統的變化來探索。這種探索性方法的教學法使學生能夠自行獲取知識并將理論與實踐聯系起來。

5.做好教學總結，充分發揮STEAM教育理念的實效性

高中物理具有邏輯性強的特征，在教師層面來看，有效地優化教育系統，優質教育總結是必不可少的，因此，教師在高中物理實驗中運用STEAM教育理念進行教學時時，應加強教學總結活動，找出STEAM教育理念在育人方面的優勢和不足，更好地配置教學資源，使高中物理實驗教學模式更加有效和科學，在教育中也能夠真正有效地提高高中物理實驗教學質量。

結語

綜上，隨著我國新課改的深入，不僅要求高中生能夠掌握基礎理論知識，更要增強自身實踐能力，增強邏輯思維，所以在對學生提出高要求外，教師所面臨的挑戰也在加重，若物理教師仍堅持傳統的教學方法，那么不僅無法有效增強學生綜合素養，而且教學質量更會顯著降低。因此，教師在教學過程中需要充分結合STEAM教學理念，深入理解STEAM教學的內涵與意義，并將其付諸實踐中，通過不斷創新教學模式來找到最適宜學生成長、最符合教學實際的教學方法，只有這樣，才能更好地優化實驗教學，使得高中物理教學成效不斷提高。