基于初中物理自制學具的 STEM 教育實踐研究

黃海勇

本文所指的學具是學生在自主學習時所使用的工具，它是幫助學生進行學科學習的腳手架。學生制作學具作為探究活動的支撐，其過程是讓學生取材于生活，突破課本實驗器材的界限，內(nèi)化課本知識的過程。學生需要主動收集信息和材料，根據(jù)已有知識對信息與材料進行分析加工，鍛煉學生創(chuàng)新創(chuàng)造能力及動手實踐能力，激發(fā)物理學習興趣。

基于此，筆者實踐摸索出基于初中物理自制學具的STEM教育實踐的基本實施策略框架，以“凸透鏡成像的規(guī)律”一課為例展開介紹（如下圖）。

一、聚焦課本，布置學具前置作業(yè)

1. 教材、考點、學情分析

凸透鏡成像規(guī)律是中考常考點，著重考查學生收集和整理數(shù)據(jù)、分析和總結歸納的能力，體驗物理現(xiàn)象與結論。但該課題較復雜，涉及的成像性質有倒立、正立、放大、縮小、實像、虛像等多種組合，學生缺乏相關理論經(jīng)驗，容易產(chǎn)生畏難情緒。實際教學有兩種處理辦法：一是驗證課本實驗，直接提出凸透鏡成像規(guī)律，然后實驗驗證，此方法學生實驗目的明確，按部就班操作即可，但容易導致學生機械學習，會做例題但不理解現(xiàn)象。二是教師指導下學生合作探究，教師提前指導學生相關技能學習，在探究過程中設置問題一步步引導學生猜想驗證，分散學生的實驗難點，帶領學生分組逐步實驗，此方法會造成學生思維僵化，對于解決與生活相結合的靈活問題時，可能無從下手。

物理源于生活而高于生活，因此解決的路徑是讓學生經(jīng)歷、體驗、升華，從制作照相機學具開始，讓學生觀看照相機成像，由現(xiàn)象引發(fā)思考，才能更好地理解凸透鏡成像的原理。

2. 布置學具前置作業(yè)

教師根據(jù)學生性格、興趣、愛好以及學具本身制作的難易程度提前分組，每組4人，男女學生搭配。各小組按教師指引分工，包括組長（領導和協(xié)調團隊）、操作員（把控制作環(huán)節(jié)、控制成本）、技術員（收集相關材料）、報告員（文字編輯、美工、記錄團隊想法并向全班展示最終成果），確保小組中事事有人做，人人有事做。

其次，教師根據(jù)學生能力層次指導各小組參考并嘗試網(wǎng)上四種自制照相機方案（具體方案略）。各小組也可根據(jù)其他參考資料進行創(chuàng)作。

3. 完成學具研學策劃書

①課前準備。學生對所學知識產(chǎn)生感性認識，并列出項目名稱、學習模式、組內(nèi)分工與所選方案及選擇理由等基礎信息，為下階段學習做好準備。

②融合學習。引導學生踐行STEM理念，列出工具、材料與價格，是培養(yǎng)學生自學能力的重要手段。

③研學過程與記錄，包括“模型制作”與“反思增效”兩階段。第一階段是對操作過程的記錄，畫出照相機設計圖、列出制作步驟，由小組長協(xié)調制作一個照相機模型，然后測試作品效果。第二階段引導學生反思制作過程中的問題與解決方案，回顧模型制作所包含的各學科知識點，并提出改進方法。

④收獲體驗。復盤照相機模型制作的全過程，反思總結形成經(jīng)驗。

二、展示分享，達成目標

1. 展示學具，分享成功

小組分享各自的照相機模型，組長重點講解制作學具過程，其他組員補充。教師從照相機模型的結構、成像效果、材料、外觀，實用性、性價比等方面進行點評，找出各小組制作的亮點。

2. 學具外延，設計實驗

學生在進行科學探究實驗時，感受不同學科與物理知識間的聯(lián)系與區(qū)別，對問題從感性認知上升到理性認識，體驗物理科學探究的本質。在凸透鏡成像規(guī)律中教師抓住學具共同點，即照相機成倒立、縮小的實像的特點，進一步提出凸透鏡還可以成什么像，與什么因素有關等問題。學生參考學具研學策劃書，設計實驗報告，報告應包含實驗目的、實驗器材、實驗步驟（過程）、實驗數(shù)據(jù)（記錄）、實驗結論等內(nèi)容。

3. 自主實驗提升學生自我效能感

本課中，筆者首先播放《物距（u）、像距（v）、焦距（f）等概念的介紹》和《探究凸透鏡成像規(guī)律》微課。接著布置各小組自行設計實驗報告做實驗，過程中遇到困難則回看微課、交流討論克服阻礙。同時，小組可以把自己精彩的實驗現(xiàn)象通過圖片或視頻等方式，發(fā)送至網(wǎng)絡平臺展示。課堂上采取邊做邊學、及時回放、觀摩他人視頻等多種方式，學生互相借鑒參考并展開針對性討論，為順利完成實驗與構建知識網(wǎng)絡打下堅實基礎。

三、學具拓展，學以致用

科學探究時，教師的作用不是掌控而是引導，在拓展性知識上幫助學生創(chuàng)設知識情境，讓學生在情境下更好地理解所學知識，提升實驗操作能力。本節(jié)課結束前，教師可布置兩個拓展情景：①凸透鏡用白紙擋住一半時還能成完整的像嗎？會有怎樣的變化？②在白紙上豎直寫上“凸透鏡成像”五字，找一個透明的空礦泉水瓶，逐漸加入半瓶水，待水靜止后讓學生觀察瓶后白紙上的字。

綜上所述，教學設計引入制作學具的前置作業(yè)，有效地激發(fā)了學生學習興趣和探究欲望，訓練學生的思維遷移和創(chuàng)新能力；也幫助學生建構了凸透鏡成像特點的幾何光學模型，以“做”為出發(fā)點，讓學生參與科學探究活動，鍛煉科學思維能力，為學生的終身發(fā)展奠定基礎。

注：本文系中國教育科學研究院中國STEM教育2029行動計劃立項課題“基于初中物理自制學具的STEM教育實踐研究”（課題編號：2020STEM042）研究成果。