淺談STEM在高中物理實驗教學活動中的應用策略

程 霞

（甘肅省武威第一中學，甘肅武威 733000）

實驗是高中物理的核心內容，優化高中物理實驗教學、構建理論與實踐結合的教學模式，能夠有效增進學生對物理理論的理解，同時深化其實踐素養。根據當前教學情況，STEM理念與高中物理實驗教學的結合可以很好地促進上述內容的落實，值得教師展開深入研究。

一、傳統模式下高中物理實驗教學的不足之處

雖然傳統模式下的高中物理教學對實驗活動給予了一定的關注，但是在組織和實踐方面，明顯存在不足，如理論指導過多、學生動手操作機會不足、課堂氛圍較為沉悶等。一些教師認為，學生只有完全掌握了理論知識才能做好實驗，因此在組織實踐活動之前向學生灌輸大量的理論知識。甚至還有一些教師，為獲得良好課堂反饋，手把手地教學生怎樣做實驗。雖然在該模式下，學生能夠更迅速地掌握實驗操作方法，得出正確的實驗結果，但是由于理論灌輸過多與教師的介入，使得學生失去實驗操作興趣，甚至在教師監督下產生實驗操作壓力，在無形中阻礙了學生參與課程活動的積極性，對其可持續發展大為不利。

二、高中物理實驗教學融入STEM 理念的優勢

將STEM 理念應用于高中物理實驗教學中，實際上就是以科學、技術、工程、數學四方面知識的融入來豐富課程活動，不僅可以優化物理實驗教學結構，還可以促進學生思維多元發展。尤其是運用工程思維、數學思維、科學思維構建實驗模型并分析最終結果，可以充分激發學生的學習思維，從而主動對所獲得的知識展開多角度思考，各項思維能力均能在原有基礎上得到提升。

三、STEM 理念在高中物理實驗教學中的應用

（一）基于教學模式重構進行理念應用

通過心理學知識我們可以知道，高中物理教師如何選擇實驗教學指導方法，與其教育理念、構建教學模式的習慣有關。因此，將STEM 理念應用于高中物理實驗教學中，首先應打破教師原有的思維束縛，重構教學模式、重塑教育理念。只有教師在內心深處認同了STEM 理念在高中物理實驗教學中的應用意義，才能更加積極主動地加以應用，并圍繞其制訂新的教學計劃。

但是就目前來說，無論是教師還是學校，在該方面都做得不是很好。對此，學校和教師均應做出調整。學校需要做好管理工作，組織高中物理教師對STEM 理念、STEM 與高中物理實驗教學的關系展開探究，引導教師在教研活動中合作探究STEM 理念與高中物理實驗教學的結合方法。而教師應主動對新形勢下的高中物理實驗教學新要求、STEM 理念內涵及實踐價值展開學習，充分了解相關教育元素，在對其形成正確認識的基礎上，利用STEM 理念衍生手段重構教學模式。如此，教師教育理念隨教學模式的重構發生積極變化，從而主動加強對STEM 理念的創新應用，課程實踐活動在STEM 理念的創新支持下才會有序推進。

（二）基于學生科學素養培育設計課程

物理是探究物質運動一般規律和物質基本結構的一種科學，是自然科學的帶頭學科。這也就意味著，高中生對物理知識的探究、對該學科實驗活動的參與，是一個科學探究過程，應以發展科學素養為目標。而這一科學素養的發展，與STEM理念中的“S”形成了統一。由此啟發教師，應用STEM 理念組織高中物理實驗教學活動，應以培育學生科學素養為基礎進行課程設計。同時，教師不得不思考一個問題：“高中生的科學素養在哪些狀態下可以實現更好的發展？”教師可以在學生參與物理實驗活動的過程中，不斷圍繞學生的操作過程和結論提出問題，引導學生對操作過程、最終結論展開分析，探究如何將物理實驗應用于社會科學實踐當中，并鼓勵學生分享自己的分析結果，也可以積極提出不同想法。通過循序漸進的思考和分析，學生不斷在物理實驗科學探究中進行更有深度的科學分析，科學素養得到提升。而這種科學素養的提升可以反作用于學生對物理知識的科學探究，讓他們在實驗操作過程中有更積極的表現和更豐富的收獲。

（三）基于完善教學設施促進實驗教學

STEM 在高中物理實驗教學中的應用效果，受學校物理實驗教學設施影響頗大，若學校能夠為師生提供完善的實驗設施，師生融合STEM 思想的實踐學習條件更優越，自然有望全面提高教學效果。與此相反，若學校物理實驗教學設施落后，無法為師生提供完成某部分物理實驗的必備材料和設施，必然會阻礙教學活動的展開，影響課程效果。而分析當前高中物理實驗STEM 教學情況不難發現，教學設施不完善問題依然存在，部分教師在教學中不得不面對器材不足、材料缺失問題，以至于無法很好地將STEM 理念滲透在教學中。針對此情況，學校應主動解決教師開展物理實驗教學活動面臨的問題，適當投入資金以完善教學設施，定期修理、更新損壞的物理實驗設備，盡可能為師生實驗提供更豐富的物理材料，降低師生搜集物理實驗材料的難度。師生處于良好的實驗環境當中，在STEM 理念應用下形成更積極的實驗活動體驗，進而在完善的設施與豐富的材料支持下參與更多元的實驗，獲取更全面的物理實驗知識，增強學習成效。值得一提的是，此教學環境有助于教師專業水平的提升，而只有教師提升專業水平，才能為學生提供更科學的物理實驗學習指導，采取更合理的方式應用STEM 進行教學，從而促進高中物理STEM 應用下實驗教學質量的提升。

（四）基于信息技術手段組織教學活動

傳統模式下的高中物理教學效果差強人意，存在實驗活動組織低效的問題，并缺乏對信息技術手段的合理應用。對此，應用STEM 理念重構高中物理實驗教學，教師應提高對信息技術手段運用的重視，通過信息技術與課程活動的有機融合提高實驗指導、組織的有效性。而基礎教育中的信息技術手段內涵十分豐富，是對所有在網絡環境下衍生出的新教學方法的統稱。因此，基于信息技術組織高中物理實驗教學活動時，教師可以適當進行多種嘗試。

首先，教師可以通過多媒體動畫導入課程。高中生雖然已經形成較為成熟的思維模式，習慣了從教材中探究知識，但是只引導他們通過教材了解物理實驗，其效果難免會較為遜色。反之，若對多媒體動畫加以應用，以動畫展示形式將物理實驗對應的現象呈現出來，可以讓學生的注意力更加集中，有效增強其知識探究與實踐操作熱情。所以說，教師可以先在網絡中搜集一些與教材內容對應的物理現象，再將其通過多媒體動畫呈現出來，以起到優化課程導入的作用。

其次，教師可以通過電子白板講授實驗步驟，幫助學生了解實驗操作過程。相較于傳統的口述如何做，一邊在電子白板上進行模擬操作，一邊向學生介紹操作重點，能夠讓學生對實驗操作過程和重點形成更加準確的理解。在條件允許的情況下，教師甚至還可以邀請學生通過計算機軟件進行模擬操作，將計算機平臺視為實驗室，以信息化操作代替動手實踐。這樣，教學和實踐過程更加簡潔，學生既能夠通過模擬操作感受物理知識的生成過程，理解其基本內涵，也可以通過信息技術與物理實驗的深度融合加強對信息技術重要性的認識，從而同步提高信息素養。

再次，以信息技術為支持將STEM 應用在高中物理實驗教學中，教師還可以開辟線上教學渠道，延展學生學習空間，這也是傳統模式下的高中物理實驗教學所缺失的。在傳統模式下，高中物理實驗學習局限在常規課堂與實驗室中，并未向生活進行合理的延伸，這也導致實驗學習、實驗操作缺乏持續性，知識與經驗積累存在斷層，制約了教學有效性的整體提升。而信息化教學手段為教師解決此問題創造了便利條件。高中物理教師可以嘗試基于STEM 理念構建物理實驗線上教學平臺，在信息技術支持下，通過線上教學平臺向學生分享精彩的物理小實驗，鼓勵他們在家庭、生活中設計物理實驗。學生實驗學習空間被拓寬，成長與進步的可能性也就更大。

（五）基于工程理念指導物理實驗操作

STEM 理念應用下的高中物理實驗教學，基于工程理念引導學生進行實踐操作也是個不錯的選擇。尤其是在一些力學課程中，通過融入工程思維構建力學模型，可以讓學生更加迅速地找到實驗重點，有助于他們對相關知識的研究和分析。將技術手段與工程理念相結合，學生還可以通過信息技術構建物理實驗模型，這同樣可以對其動手操作能力的提升起到一定的促進作用。然而綜觀當前的教學活動，大多數教師都忽略了這一內容，他們更習慣于直接組織學生進行動手操作，并未及時提醒學生運用工程理念進行實驗設計和分析。所以，對于一些在工程理念指導下可以變得更加簡單的實驗，學生依然采用復雜的方法進行設計和操作，使得整體學習呈現出低效特征，學生工程素養的發展受到了限制。面對該情況，針對STEM 理念在高中物理實驗教學中的應用，教師一定要提高對工程理念的關注。久而久之，學生不斷在課程實踐活動中深化工程理念，借助工程方法建構實驗模型，其實驗學習效率與效果必然會獲得質的提升。

（六）基于數學思維優化物理實驗教學

常言道：“學好數理化，走遍天下都不怕。”數學與物理本身就是相輔相成、殊途同歸的，均指向了對科學的大膽探索。將STEM 理念應用在高中物理實驗教學活動中，教師還可以滲透數學思維，借助數學思維優化實驗教學。但需要注意的是，這一思維的滲透，既指向對物理實驗活動數據的整理，也指向對實驗操作結果的分析，是記錄與思考的結合。但是在現階段的具體實驗中，出現了明顯的重記錄輕分析、重分析輕記錄等記錄與思考不平衡問題，導致數學思維滲透效果受到消極影響，阻礙了學生物理實驗學習和數學思維、學科素養的發展。對此，教師必須做出調整，提醒學生一邊做實驗一邊記錄各項數據，指導他們根據最終的實驗結果和中間記錄的各項數據，對操作結論展開分析。如此，學生在STEM 理念支持下的物理實驗學習才會更加完整。依托于完整的數據、及時的分析，學生實踐學習結論準確性得以提升，數學思維與學科素養均有望實現更好的發展。

（七）基于學生主體地位深化理念應用

說到底，提高對物理實驗課程活動的重視、將STEM 理念應用在高中物理實驗教學中，都是新課程改革提出的要求。因此，在高中物理實驗教學中應用STEM 教學理念，教師還應該注意遵循新課程改革要求，在滿足其基本要求的基礎上調整課程活動組織方式。對此，最重要的一項內容，就是尊重學生在課程活動中的主體地位，尊重物理實驗中學生主體參與特性，讓學生自主進行實驗操作并探究相關物理知識。事實上，也只有這樣，學生才能真正在實驗操作中實現生成性學習，充分感受到物理的魅力并理解實驗的本質。反之，若教師經常介入學生的實驗操作中，并直接告訴學生應該怎樣做、不應該怎樣做，學生看似在進行自主操作，實際上并未進行主動思考，教學預期目標依然難以實現。必要時，教師可以鼓勵學生在合作狀態下自主參與實驗活動。通過合作，學生不斷幫助其他學生解決自主操作問題，并且在其他學生的啟發下對實驗展開多角度思考，收獲也會更加豐富。但是綜觀當前高中物理實驗學生合作學習小組的建設，或多或少地存在著和諧性不足、學生配合缺乏默契等問題，這主要與教師未在學生小組建設之前全面分析學生間的差異與特點有關。小組內成員物理實驗素質與對STEM 的認識差異過大，最終導致了上述問題的出現。因此，教師應優化學生學習小組建設方法，在建設合作小組之前，對每一名學生的物理實驗特質、思維習慣與性格特點等展開分析，然后將相似的、能夠自主進行高效交流的學生劃分在同一小組中。如此，學習小組內學生間的合作默契度提升，其實驗學習關系更加和諧，融合STEM 的高中物理實驗教學效果自然會更好。

綜上所述，傳統高中物理教學存在的STEM 理念滲透不足、實驗組織形式較為單一問題，在一定程度上限制了學生物理實驗素養乃至學科綜合素質的發展，使物理實驗教學難以滿足新課程改革要求。因此，在新的基礎教育形勢下，高中物理教師應加強對STEM 理念的合理應用，借助信息技術手段、工程理念、數學思維指導學生進行物理實驗學習，并以此培育其科學素養，通過重構教學模式實現教學效果的最優化。