基于STEM教育理念的高中物理電學演示實驗教學改進模式探究

岑燕君

【摘要】STEM教育已經成為全球教育專家學者關注的熱點話題，其核心是以培養具有質疑精神、獨立思考和能運用綜合知識設計方案、動手制作解決問題的能力為目標的一種教育模式。本文分析當前高中物理演示實驗教學中存在的幾個問題，總結出基于STEM教育理念的高中物理電學演示實驗改進的三種模式——驗證型、探究型和創新型，并針對這些模式設計教學案例進行分析和實施。

【關鍵詞】高中物理;STEM教育理念;電學演示實驗;教學改進

物理學是建立在實驗基礎上的自然科學，以演示實驗為基礎幫助學生形成相關的物理觀念。在實際物理演示實驗教學中，由于教師的教育理念、教學硬件、評價體系等因素的影響，教學的實際效果達不到預期的教學目標。針對該問題，《普通高中物理課程標準（2020年修訂版）》提出，學生在物理學習過程中，要掌握科學研究方法和體驗科學探索過程，并培養實踐探究、科學創新和問題解決能力等綜合素養。因此，在高中物理實驗演示教學中，需要采用科學的教學方法，讓學生積極參與并樂于實驗探究和勇于科學創新。

一、演示實驗教學設計活動引入STEM教育的意義

（一）演示實驗教學中存在的問題

1.教師的教育理念仍受傳統教學理念支配，重視知識的傳授，缺乏能力培養。傳統演示實驗教學一般流程：介紹儀器——教師演示實驗——學生觀察現象——教師得出結論——直接講授知識，雖然能快速讓學生知道更多的知識，卻無助于提升學生的相關素養。

2.在經濟欠發達地區，學校對物理實驗不夠重視，實驗器材陳舊，或者提供一些型號、質量不太好的器材，實驗現象不明顯。

3.大部分電學演示實驗都脫離了學生熟悉的生活情景，提供的實驗難以激發學生的興趣，學生容易養成只看不思考、不動手、不參與的習慣。

4.在演示實驗教學設計中，設計目標以知識為主，沒有針對學生能力培養的設計，學生僅停留在表面的現象總結，無交流協作能力、探究能力、推導能力、動手能力、創新能力等方面的培養。

（二）STEM教育的核心素養及理念

STEM教育即科學、技術、工程和數學等教育的簡寫，提倡跨學科教育，使用多學科的思維和知識解決實際問題。它以真實的問題情境為引導，以思維為中心，以工程設計、制作為支點，在實踐中應用知識、構建觀念，培養學生運用綜合知識、技能和方法解決問題的能力;以真實的情境教學為背景，吸引學生注意，激發學習動機，讓STEM教育具有趣味性;把學科知識和實際生活聯系起來，提出問題、分組合作解決問題，讓教學具有實踐性、探究性和協作性;制訂教學目標，結合新課標核心素養（物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任）進行詳細闡述，最后，在核心素養培養要求下再根據實際目標劃分為培養學生能力的子目標，形成STEM教育的多層次目標體系等設計理念。

二、電學演示實驗的教學模式分類及改進實踐

結合STEM教育的教學理念，根據教學目標、實驗內容、學習者特點、學習環境等因素，重新設計教學實驗，將STEM教育的多種特性融合到電學實驗中。本文將物理電學演示實驗分為驗證型、探究型和創新型三種模式，通過實驗構建概念和規律、體驗物理研究方法及培養研究思維，實現教學目標。

1.驗證型演示實驗模式

驗證型演示實驗的教學目標是學生對已知結果的驗證，但結論并不是教學的重點，怎樣通過所學知識、技能、方法來設計實驗，動手制作驗證結論的過程才是關鍵。該模式適用于原理簡單、器材易獲取、在教師指導下大部分學生都可以自主完成的演示實驗，該類實驗的基本思路如下，以驗證帶電物體可以吸引輕小物體為例：

（1）情境引入——帶電的毛衣靠近紙屑，紙屑飛到毛衣上，引起學生的興趣，引出學習的主題。

（2）教學子目標制訂——教師在STEM理念的指導下從教學目的、學生已有知識儲備、可以提供的實驗物品，設計一個個子目標分小組完成：①生活中摩擦起電明顯的現象有哪些？（通過生活觀察、查找資料收集）②提供這些摩擦起電現象明顯的物體及類似的材料，讓學生動手設計多種方案使這些物體（如，羊毛衫、膠袋、氣球等）帶上電。③收集輕小物體（如，紙屑、頭發）。④設計方案驗證這些帶電的物體是否可以吸引輕小物體。讓學生自主學習，積極參與到教學中。

（3）學生查找資料、設計、試驗、實施方案并從物理視角解析現象。通過收集信息、設計、實施方案、解析等培養了學生工程設計的思維能力、探究能力、團隊協作能力等。

（4）分享反思——小組對所完成的實驗現象從效果明顯性、趣味性、創新性等方面進行討論，評出最優實驗方案。教師做好指導和點評，并且還可以在學生所實施的方案中進行設疑，培養學生質疑的思維能力。

2.探究型演示實驗模式

探究型演示實驗的目標是去發現并解析學生未知的現象，通過探究形成新的物理觀念。教師根據生活現象，設計情境，引出學生的疑問。在教師的引導下，學生分組討論、提出方案、實驗探究、得出結論并解釋現象。通過讓學生身心都參與到教學當中，完成知識的建構和深化，以達到培養學生的探究精神，以及協作學習、獨立思考的能力。該模式適用于需要通過實驗探究才能理解的抽象概念和規律。其基本思路如下，以探究感應電流的方向為例：

（1）生活現象引入——引入的現象來源于生活中讓學生覺得有趣的情景。讓學生體會到物理來源于生活，又高于生活，激發學習的熱情。如，提供兩根形狀、長度和大小都相同的鋁管和塑料管，讓兩名學生分別豎直舉起兩管在同一高度，教師分別在兩管上端同時靜止釋放同樣型號的條形磁鐵，穿過兩個管，且與管壁不接觸，結果兩磁鐵從管中離開的時間并不相同。

（2）提出問題——教師結合引入的生活現象，根據教學目標提出疑問，引導學生回歸課堂。如，“為何同樣型號的條形磁鐵，從不同管中靜止釋放下降相同高度，時間會不同呢？”

（3）教師設計情境，分步落實教學子目標——教師考慮到學生在學習過程中可能出現的問題，根據教學目標能力要求精心設計緊貼學習內容的工具和資源，幫助學生完成知識的遷移和深化理解。如：

目標1：掌握磁體與導體間相互作用的原因是感應電流的生產。各小組學生根據設計的問題，動手操作，組內分析討論，得出結論。情境裝置如下：

圖1? 條形磁鐵穿過閉合鋁環

目標2：探究感應電流產生的效果？讓學生根據教師設計問題深入現象分析，得出感應電流的效果是阻礙磁體與導體間的相對運動。

目標3：探究感應電流方向遵循的規律。教師設計一系列的問題串，引導學生從感應電流流向的判斷到環內磁通量的變化及感應電流產生的磁場與原磁場間方向關系，得出結論。具體情景如下：

圖2? 感應電流方向的規律

（4）設計方案，動手操作驗證結論。引導學生根據提供的實驗器材設計合理的方案，并實施方案從理論分析和實驗操作中檢驗結論，培養學生質疑精神、工程設計和制作的能力及實事求是的科學態度。

（5）解釋現象，學以致用。通過學生運用所學解決問題，既檢驗學生學習掌握情況，同時培養學生學以致用的思維。如，“相同的磁鐵從同樣大小的鋁管和塑料管靜止下落，經過哪個管的時間慢？”用所學的知識分析原因，并從能量轉換的角度說明。

3.創新型演示實驗模式

創新型演示實驗適用于實驗原理方法不嚴謹、器材型號不符、實驗現象難以突破教學難點等情況，通過已有工具、資源對其器材或者方法進行改進，以增強現象的準確性、明顯性、實現難點的攻克等，其核心是實驗的創新性，其基本思路如下，以遠距離輸電演示實驗為例：

（1）現象呈現原實驗的問題，激發學生的求知欲。遠距離高壓輸電原因是輸電線有電阻，根據焦耳定律輸電線耗損受電流影響較大，通過高壓輸電降低輸電線中的電流，教師根據課本提供實驗裝置圖（如圖3所示）連接電路，進行實驗驗證，讓學生眼見為實。

圖3? 遠距離輸電實驗演示

當遠距離輸電線的電阻小時，對電能的損耗遠小于變壓器本身的能量損失，可能得出完全相反的結論，干擾學生對高壓輸電過程中導線電阻導致電壓損失和電能損失的理解。因此，教師通過設計一系列的子目標引導學生一起改進實驗裝置。

（2）提出問題，引導創新，培養科學思維、解決問題的能力。導線電阻的阻值均為2Ω，可以明顯看到經過變壓器高壓輸電后的燈泡的亮度更暗。由此現象展開一系列問題引導學生完成：①高壓輸電導線的電流更小，為何燈泡反而更暗？讓學生展開思考、討論，找出原因②若想實現高壓輸電優于低壓輸電的實驗效果，輸電線的電阻有何要求，用什么器材代替導線的電阻，既可以改變導線的電阻，又可以準確獲得其阻值。③回路中如何準確觀察輸電導線兩端的電壓、流過的電流的變化情況？學生分組討論，教師適當指導和點撥，經教師啟發學生交流討論后，師生一起完成新電路圖的改進。把要實現的子目標通過問題形式一一呈現，培養學生工程設計、創新思維和解決問題的能力。

（3）應用改進，培養動手操作和相互協作的能力。經過師生共同努力改進電路圖（如圖4所示），電阻箱代替電阻絲，電阻阻值大小可以隨意調節，且準確讀出阻值。電路中接入電壓表和電流表，準確讀出輸電線兩端的電壓和流過導線的電流，能準確觀察接入變壓器對輸電線路的電壓和電流的影響，加深學生的理解。

圖4? 遠距離輸電改進圖

根據改進電路圖，學生分組連接電路，按照表格要求，改變電阻箱的電阻完成以下問題：導線電阻越大，燈泡亮暗比較有何特點？升壓變壓器對哪種阻值的導線的能損減少有明顯效果。導線電阻的電壓與電壓表測量結果是否相同，原因是？通過學生的動手操作，收集數據，分析數據培養學生運用數學分析、解決問題的能力。

（4）分享反思。原教材中設計不嚴謹的演示實驗，通過問題的呈現，引起認知的沖突，設計一系列子目標，引導學生創新和改進，運用所學，改進方案及實施，分享和交流，激發學習和探索的熱情。

三、結語

根據物理電學演示實驗的特點和教學目標在STEM設計理念的指導下，本研究總結了三種電學演示實驗模式，這三種模式都基于真實問題情境設計教學，再根據實際教學設計一系列讓學生自主學習思考、身心參與到活動中的探索式學習子目標，形成多層次的目標體系，以達到教學目的，讓學生從被動接受者轉變為主動的探索者，教師從灌輸者轉變為學生學習的引導者和幫助者。

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