高中物理實驗教學中STEM教育理念的應用

彭大琴

摘 要：STEM教育理念是在教育領域中提出的一種新興的教學理念，是指科學、技術、工程和數學相結合的一種教學模式。通過這一教學模式的運用，不僅可以強化學生對物理實驗知識與技能的掌握，同時還可以培養學生在物理實驗中養成較好的思考習慣和獨立思考的能力。文章以 STEM教育理念為指導，結合當前我國高中物理實驗教學的實際情況，探索把 STEM思想移植到實驗教學中的策略。

關鍵詞：高中物理；實驗教學；STEM教育理念

隨著我國教育事業的不斷發展，在高中物理教學中，培養學生的全面素質與能力，是當前高中教育工作的重中之重[1]。在高中物理教學中，物理實驗是提高學生綜合素質和能力的一個重要手段。STEM教育理念作為一種新的教學理念，打破了傳統實驗教學模式，強調跨學科學習，讓學生在實際問題中發現和解決問題。在高中物理實驗教學中應用STEM教育理念，不僅能夠激發學生對物理學習的興趣，還能夠培養他們獲取知識、解決問題的能力。

一、關于“STEM教育理念”

（一）STEM教育

STEM是科學、技術、工程、數學四門學科英文首字母的縮寫，它的中心思想是“以學生為中心”和“跨學科”，即從“科學、技術、工程和數學”四個方面培養學生的創造性思維。STEM教育是指在教師指導下，由學生組成學習共同體，通過探究、合作完成一個或多個具有綜合性、探索性、創造性的問題解決的過程。在這個過程中，學生之間相互合作，共同探索問題解決方案。通過這個過程培養學生的探究能力和解決問題的能力以及創新精神。關于STEM的概念，學術界有三個不同的認識：一是“后設”，即在完成與STEM有關的教學后，再將STEM的知識綜合應用到教學中，兩者是平行的。第二類是單獨的，它是將STEM的相關知識整合在一起，取代了傳統STEM的教學模式。第三種觀點認為STEM教學是一種在傳統教室中應用的學習策略，旨在使學生在現實生活中綜合應用所學到的知識。文章將探討在傳統的分科教學中，STEM教學思想的運用，使學生能將所學的學科知識結合起來以解決問題。比如：在物理摩擦方面，學生可以自行設計摩擦測試的方法，自己動手做一臺滑摩力演示裝置，這樣既能提升學生的物理素質，又能提高他們的工程技術和數學能力。

（二）STEM教育理念

STEM教育是一種強調科學、技術、工程與數學（Science，Technology，Engineering，Mathematics）之間密切聯系的教育模式，其目的是培養學生在未來社會中解決實際問題的能力。在這種教育理念下，科學、技術、工程與數學，四大學科門類之間相互滲透、相互融合，通過探究式教學（InquiryTeaching）和項目學習（Project-based learning）等途徑開展的學習活動。因此，STEM教育中的“STEM”不是指單一的學科或領域知識，而是指將科學、技術、工程與數學相融合的一種跨學科的綜合教育模式。STEM的核心理念是把科學、技術、工程、數學四大學科有機地結合起來，以問題為中心，主動探索，增強現實與知識規律的聯系，提高學生的多學科解題能力。在STEM教學思想指導下，學生可以對所遇到的問題進行分析，將所學知識進行系統化，將各個學科之間的知識規則結合在一起，形成自己的理論。STEM教育理念應用到學生的學習中，培養學生的綜合能力，通過動手做、完成項目等活動，培養學生解決實際問題的能力。STEM教育理念中強調實踐和體驗是重要組成部分，將動手實踐活動貫穿于整個課堂中，讓學生在動手實踐過程中來培養自己的動手能力和創造力。學生在獲得知識和技能的同時也獲得了更多獨立思考、合作交流、動手操作等方面的經驗。

（三）STEM教育理念的特征

第一，注重學生的學習，注重學生在學習中的主體性，通過探究和合作學習，使學生通過探究和合作學習獲得知識和技巧。第二，跨學科。將科學、技術、工程和數學作為一種教育元素融入教育教學中，使其相互融合，充分體現跨學科特征。第三，強調解決實際問題。把科學（實驗）和工程設計整合在一起，不僅能夠設計出巧妙地解決問題的方案，還能夠通過使用這些工具、技術、方法等解決實際問題。第四，以探究為核心。強調在教學過程中激發學生主動學習的熱情，通過提出問題和設計實驗來促進學生的主動探索活動，引導他們自主發現問題并解決問題。第五，注重過程體驗，以學生為中心，強調從體驗中獲得知識與技能。第六，突出項目學習。強調學生在真實的情境中運用知識和技能來解決實際問題，為他們提供與真實世界互動的機會。

二、高中物理實驗教學中應用STEM教育理念的價值

（一）強化物理實驗教學效果

物理實驗教學的目的就是讓學生在學習過程中獲得一定的知識和技能，通過實驗來驗證一些理論知識。在進行物理實驗教學時，應充分發揮學生的求知欲，使其更好地了解和認識物理。同時，教師還可以運用STEM教育理念，幫助學生分析、理解物理概念、定理和公式，激發學生學習物理實驗課程的興趣和積極性。在對學生進行教學時，教師應盡量避免枯燥乏味的教學方法和教學手段，提升物理實驗教學效果。

（二）有利于學生物理學科核心素養的培養

在高中物理教學中，應通過對物理知識的正確使用，培養學生的科學態度和創造精神，從而促進學生的全面素質的提升。在高中物理實驗教學中應用STEM思想，能夠提高學生的思考和動手能力。首先，STEM教育理念在高中物理實驗教學中可以幫助學生形成對事物本質屬性的認識，引導他們深入地思考問題；其次，STEM教育理念在高中物理實驗教學中可以培養學生科學探究精神，讓他們積極地去發現問題、解決問題；最后，STEM教育理念在高中物理實驗教學中，可以培養學生的合作意識和團隊精神。這三方面對提升學生的物理學科核心素養有著重要作用。

（三）有利于學生的生涯規劃教育

高中物理實驗教學活動可以讓學生了解和掌握現代社會的發展需要，讓學生從客觀角度認識到社會對人才的需求，了解不同行業對人才的基本素質要求，進一步激發學生學習物理學科的興趣，并且通過學習和探究提升自身的實踐能力[2]。從長遠角度來說，還可以加深學生對個人職業發展目標的認識與理解，幫助學生在未來選擇與自身相符合的職業。例如：通過設計一款新型火箭模型來激發學生學習物理實驗的興趣和熱情，讓他們在探究知識和解決問題的過程中認識到自身需要努力奮斗的目標，使學生具備科學、理性地開展生涯規劃教育，培養未來人才所具備的素質和能力。

三、高中物理實驗教學中STEM教育理念教學現狀

（一）物理教學和STEM教育理念相脫節

在物理實驗教學中，將STEM教育理念融入其中，能夠加強學生對物理實驗的興趣，但是目前在實際的高中物理實驗教學過程中，教師并沒有將STEM教育理念有效滲透到物理教學過程當中，導致學生對這一教學理念學習的興趣不高。這主要是由于教師在設計物理實驗課時存在一定的問題，教師沒有根據學生對該科目的學習能力和學習水平制訂相應的教學方案。同時，教師并沒有根據這一課程特點加強對學生實踐能力方面的培養。此外，教師沒有認識到STEM教育理念在提高學生綜合素質方面所發揮出的重要作用，導致在開展高中物理實驗教學時不能合理地將STEM教育理念應用到其中。因此，這在一定程度上阻礙了STEM教育理念在物理教學過程中作用的發揮。

（二）缺乏有效的教學設備

在實際的高中物理實驗教學過程中，STEM教育理念的運用受其硬件設備的影響，目前高中物理實驗教學中并不能有效利用該理念進行教學，這主要是由于這種先進教學理念和技術并不是每個學校都有[3]。目前來看，許多學校已經有了多媒體教學設備，但大部分情況下，這些設備都是教師用來輔助教學的，學生無法接觸先進的物理實驗儀器，導致他們在日常學習過程中無法對這些實驗儀器產生一定印象，所以如果不能有效地利用多媒體技術等先進技術來輔助物理實驗課程的話，STEM教育理念的應用效果就會受到一定影響。

（三）物理實驗不能充分體現出STEM理念

從目前的物理實驗課程開展情況來看，并不能將STEM教育理念體現出來，很多教師在教學的過程中，只是一味將實驗操作教學進行下去。比如：在對學生進行基本實驗操作訓練時，并不能真正地運用STEM教育理念中所蘊含的相關知識內容，很多教師只是簡單地將物理實驗進行下去，并沒有將其融入STEM教育理念中，因此學生所獲得的知識并不能真正體現STEM教育理念所蘊含的價值，最終產生厭學情緒，對物理實驗課程失去興趣。

四、STEM理念在高中物理實驗教學中的應用路徑

（一）STEM教育理念下演示實驗教學策略

演示實驗是一種直觀的教學方法，它有別于小組實驗、專題研究，它是教師演示物理實驗的基礎。然而，這種教學方法也有其不足之處：學生對知識的吸收比較慢，缺乏積極的提問與思考，缺乏創造性思維的培養。針對這一問題，在實驗示范環節，采用學生做示范，由學生代為完成全部操作，能夠激發學生的學習熱情，增強學生的自信心。學生上臺操作，這是一個很好的實踐活動，既可以使學生掌握實驗過程，又可以培養他們的動手能力，使他們更好地了解實驗的效果。此外，學生親自動手做實驗，可以增強學生的參與感，營造良好的課堂氛圍；同時也有利于學生的精神高度集中，學生通過操作步驟，質疑，加深對實驗所學知識的認知。實驗結束后，由教師指導，由學生自己進行總結，以提高學生的參與感、體驗感。例如：“互感現象”實驗要求1個MP3、2個磁芯線圈（L1、L2）、1個音頻和2名學生做實驗。學生A在一個線圈L1上連接MP3的輸出，學生B連接到另外一個線圈L2上。在學生A放音樂的時候，里面傳來了一首歌。兩名學生調節兩個線圈的間隔，改變音響中的聲音狀態。此時，學生可能會感到驚奇，而且會產生這樣的疑問：這是怎么回事？教師順勢引入“互感現象”這個概念，讓學生在實驗過程中對現象進行仔細觀察和思考，最終了解“互感現象”的表象和本質。通過演示和實驗，使學生能夠更好地掌握新知識，并促使學生的學習積極性得到充分調動。所以，要轉變教學思維方式，繼續探究新的教學模式，讓學生親身體驗，提高他們的自學能力。

（二）STEM教育理念下小組實驗教學策略

雖然傳統的分科教學方式對教師進行授課有利，但是在綜合應用學科知識方面卻存在著一定的劣勢。隨著分科教學的弊端呈現，學科整合已經是一個新的發展方向。因此，在組織學生開展團體實驗時，應注意引導學生運用跨學科知識，以解決目標問題，培養學生跨學科思維的STEM特征。例如：在進行“雙縫干涉法測光波長”這一內容的教學時，可以讓學生動手自己組裝雙縫干涉裝置，以幫助學生更好地理解工程知識，讓其工程學思想得到培養；在“測汽車速度與時間的關系”部分，通過所獲得的圖片，推導出相應的公式，學生的綜合運用能力得到了提高；在“單擺測重力加速度”部分，學生可以制作一只單擺的模型；在全反射區，學生可以制作一個潛望鏡。通過團體實驗，可以更好地促進學生的學科融合，從而運用不同的學科知識，更好地解決實際問題。

（三）STEM教育理念課題研究教學策略

教師出示下列短片：一個人在公路上散步、奔跑、站在一輛高速行駛的敞篷車里，可以看到他受到的阻力在不斷增加；鳥類的外形差不多，鳥類在空中所受的阻力也不大；狂風過后，小樹比大樹倒得多得多。教師在學生看了錄像之后，請學生就每個短片所展示的問題進行討論，找出有價值的地方，并給出原因。例如：學生提出的題目是關于“物體所受氣流阻力的大小與速率”的關系。教師接著講，在這個實驗中，我們發現，氣流的阻力和對象的尺寸和形狀有關[4]。所以，在研究物體受到的空氣阻力和速度之間的關系時，還需要考慮其他的因素。在此基礎上，可以氣球為實驗目標，并將相同的氣球體積維持在恒定的狀態，來探討球狀物體在空中飛行時的阻力與速度之間的定量關系。教師要求學生做一個關于“氣球著陸”的游戲。也就是說，把一個物體掛在氣球的底部，讓它自由地下降，這樣，學生通過觀察它的動作來判斷它的速度。然后，教師讓學生分組討論如何計算氣球的速度。根據上述的理論最終得出：在空中飛行時，氣球受到的阻力與其速度是成比例的。由此可以推測，球體受到的空氣阻力和其移動速度是成比例的。

結束語

STEM教育思想在高中物理實驗教學中的運用，對高中物理實驗教學產生了深刻的影響，能夠促進高中物理實驗教學實踐和STEM教育的實施。但是，教師還需要構建相應的課堂模式、教學方法，使其發揮應有作用，同時，也要在實踐中不斷總結和反思。將STEM教育理念與物理實驗教學相融合是一種必然趨勢。

參考文獻

[1]劉小琴.STEM教育在初中物理電路部分教學中的實踐研究[D].南充：西華師范大學，2018.

[2]張屹，趙亞萍，何玲，等.基于STEM的跨學科教學設計與實踐[J].現代遠程教育研究，2017（6）：75-84.

[3]吳曉天.基于高中物理實驗活動的STEM教育實踐[D].呼和浩特：內蒙古師范大學，2017.

[4]劉燁.STEM理念下的物理創新實驗校本課程開發和研究[D].上海：上海師范大學，2017.