基于STEAM教育理念的5E教學模式在大學物理教學中的應用探究

周玉修 程 融 周學懋 韋榮昌 藍海江

廣西科技師范學院機械與電氣工程學院 廣西來賓 545600

1 研究背景

教育是一個民族可持續發展的基石,促進高等教育不斷提升發展一直是我國教育強國的重要目標,而教育更本質的目的是提升學生的素質,培養學生的能力。物理學在自然科學的發展史中一直占據著重要的地位,從看不見的微觀物質到平常所見的宏觀物體,再到宇宙中的星系星團都是物理學的研究范圍。大學物理作為理工科的一門專業必修的公共基礎課,承擔著學科知識的傳授、科學素養的提升、創新能力的培養等諸多任務。但是由于物理概念相對抽象復雜,物理公式相對繁復,很多學生在學習物理時容易存在畏難情緒,缺乏學習的自信心,對物理學習的興趣自然也就不高。這樣就導致學生上課前不主動預習課本;課堂上缺乏學習的積極性,被動學習,聽課效率低;再加上課后復習也不到位,授課效果就差。如何把枯燥的課堂教學趣味化,喚起學生學習的興趣是高校大學物理教育急需解決的問題。

STEAM教育是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、藝術(Arts)和數學(Mathematics)等學科英文首字母的簡寫[1],強調多學科的融合,注重創新思維、實踐能力和科學素質的培養。STEAM教育理念最早是美國政府提出的教育倡議,在我國2015年9月教育部《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見〈征求意見稿〉》首次明確提出STEAM教育,而《中國STEM教育2029創新行動計劃》的啟動,則標志著我國對STEM人才培養提出了新的要求,這也是國際教育改革發展的趨勢。將STEAM教育理念在物理課堂上實踐[2],以跨學科復合型人才培養為目標,改變傳統的教師圍繞教科書講授的教學模式,從實際問題出發,充分調動學生學習物理的興趣,引導學生參與到課堂中,積極思考,主動探究,合作交流,打造以學生為中心的高效課堂。

2 基于STEAM教育理念,構建5E教學模式下的高效課堂

本文以STEAM教育理念為指導,采用5E教學模式[3],通過吸引(Engage)、探究(Explore)、解釋(Explain)、拓展(Extend)、評價(Evaluate)五個環節[4]進行物理教學,整合線上教學資源,融入思政元素[5],有效提高學生的創新意識、發散思維以及綜合素養,為復合型人才培養奠定基礎。

2.1 從生活出發,創設問題情境

STEAM教育理念旨在培養具有創新思維、實踐能力、科學素養的綜合型人才。通過跨學科的融合,從真實生活中的實例出發,提出問題,激發學生興趣,引發學生思考,提升學生自主學習的積極性。在對問題的探究中,完成知識的學習,提高學習效率的同時也加強了學生對知識的理解和掌握,同時也培養了學生分析和解決實際問題的能力。

2.1.1 情境1:馬呂斯定律的教學引入

教師首先詢問學生有沒有在電影院觀看立體電影,立體電影給人以身臨其境、栩栩如生的奧秘在哪?并引導學生回想戴立體電影眼鏡,戴普通的近視鏡、老花鏡以及不戴眼鏡觀看立體電影的感受異同。學生思考分析:立體電影眼鏡有著與普通眼鏡不同的地方。教師繼而提出問題:立體電影眼鏡蘊含了什么物理原理?和光的偏振有關嗎?進而引發學生興趣,激發他們的學習熱情。

設計意圖:創設生活化情境,通過問題驅動,激發學生的學習興趣。

2.1.2 情境2:電磁感應的教學引入

因為學生在高中階段對電磁感應現象已經有了一定的了解,在課堂教學中教師首先詢問學生在日常生活中電磁感應現象應用的實例有哪些?學生列舉出日常生活中的應用實例:電磁爐、變壓器、發電機等。教師以動圈式話筒為例介紹電磁感應現象在生活中的應用,由生活的實例激發學生的學習興趣。

設計意圖:創設生活化情境,通過問題驅動,激發學生的學習興趣。

2.2 合作交流,分組探究

STEAM教育理念提倡協作學習,采用小組的模式進行合作探究,通過交流討論,碰撞出思維的火花,學生發揮各自優勢,互相吸取經驗,共同探尋問題的答案。分組討論的方式既可以加深學生對知識的理解,同時可以培養學生的語言表達能力,又可以增強學生團結協作的精神。

2.2.1 探究1:偏振片的起偏與檢偏

教學內容:光源發出的光是自然光,通過偏振片以后變為線偏振光,這一過程稱為起偏。利用偏振片還可以檢驗入射光是自然光還是偏振光,這一過程稱為檢偏。

教師給每個小組提供實驗器材:光源、偏振片,引導學生觀察實驗現象,探究物理規律,從而加深對物理概念的理解。

學生在教師引導下,分組進行實驗探究。學生觀察實驗現象,討論交流,總結物理規律,并選派小組代表,闡述小組討論結果。

教師對小組討論的結果進行評價總結。

設計意圖:通過學生動手實驗,激發學習興趣,加深學生對起偏和檢偏的理解。

2.2.2 探究2:電磁感應現象產生的條件

教學內容:當穿過回路所包圍面積的磁通量發生變化時,回路中產生感應電流,這一現象稱為電磁感應現象。

教師通過動畫展示三種電磁感應現象產生的情形,磁場發生變化、回路包圍的面積發生變化,以及磁感應強度和面積的夾角發生變化。請學生分組探究電磁感應現象產生的條件。

學生在教師的引導下,分組討論,思考三種情況的共通之處,總結電磁感應現象產生的條件,并選派小組代表,闡述小組討論結果。

教師對小組討論的結果進行評價總結。

設計意圖:通過學生分組討論,調動學生學習積極性,加深學生對電磁感應現象的理解。

2.3 深入淺出,闡明物理原理

由于物理知識相對抽象,所以在講授過程中應當結合多媒體輔助教學,結合動畫和視頻的方式使物理概念直觀易懂。同時物理概念的學習過程不能僅僅通過教師的講解來完成,還要鼓勵學生提出自己的見解,教師在學生認識的基礎之上再補充完善,構建一個牢固的知識架構。

概念1:馬呂斯定律I=I0cos2θ

教師給每個小組提供實驗器材:光源、偏振片,引導學生分組實驗,通過實驗現象探究偏振光經過偏振片后的光強與θ角有怎樣的關系?

學生分組實驗,觀察實驗現象,討論交流,總結物理規律,選派代表闡述小組結論結果。

教師對小組討論結果進行總結評價,并由實驗結果引入物理概念:馬呂斯定律,給出光強隨角度變化的規律。

設計意圖:通過實驗探究、小組討論的模式,培養合作精神,鍛煉動手及表達能力,提升綜合素養。

概念2:感應電流的效果總是反抗引起感應電流的原因。

教師現場演示實驗,長條形磁鐵穿入穿出導體圓環,引導學生觀察實驗現象,并分組討論,分析實驗現象產生的原因。

學生小組討論交流,分析原因,總結物理規律,選派代表闡述小組討論結果。

教師對小組討論結果進行總結評價,并進一步引導學生思考,如果導體圓環是斷開的,實驗現象又會出現怎么變化?

學生小組討論交流,推測實現現象并解釋原因,選派代表闡述小組討論結果。

教師改變實驗條件重復實驗,引導學生們觀察實驗現象是否和推測的結果吻合,并進行歸納總結。

設計意圖:通過小組討論的模式,培養合作精神,鍛煉學生的觀察、表達能力以及分析解決實際問題的能力,提升綜合素養。

2.4 動手實驗,學以致用

STEAM教育理念倡導基于真實問題情境的物理教學,物理學又是一門以實驗為基礎的課程,在物理課堂教學中可以引導學生自己親自動手通過實驗探究物理規律,提高學生學習物理的興趣,激發學生自主學習的積極性,同時鍛煉學生的動手實踐能力。在教學中注意將理論知識和生活中的實際問題相結合,達到學以致用、舉一反三的目的。

案例1:馬呂斯定律的應用拓展

教師提問如何根據馬呂斯定律的知識選擇偏光太陽鏡?引導學生分組討論,設計實驗。

學生小組討論交流,思考問題,利用物理知識設計實驗過程,小組現場演示實驗,驗證太陽鏡是否為偏光太陽鏡。

教師對小組設計實驗進行評價總結。

設計意圖:利用理論知識解決實際問題,學以致用,培養學生動手實踐以及分析解決實際問題的能力。

案例2:電磁感應的應用拓展

教師現場展示小型發電機模型,講解電磁感應現象的應用實例:發電機。

學生通過現場操作發電機,觀察發電機的工作過程,直觀感受電磁感應現象在生活中的應用。

設計意圖:激發學生學習興趣,調動學生學習積極性,加深學生對電磁感應現象的理解。

2.5 雙線融合,多元評價

基于STEAM教育理念的評價具有多樣性的特點,教學評價可以貫穿整個課堂,將課堂觀察、學生自評、小組互評、教師評價相結合。同時結合線上教學資源,實現課前預習以及課后拓展的線上學習評價。

以馬呂斯定律這一節的教學為例,預習階段教師自建線上微課與練習資料,布置課前學習任務;學生根據在線資源,學習和鞏固知識點。利用網絡學習平臺完成該階段的評價,為課堂深度學習做準備。在課堂學習中引入環節,教師通過生活中的實例:立體電影引入課堂教學,拋出問題,引發學生思考,教師根據學生課堂表現完成評價;探究環節,教師就偏振光的起偏和檢偏現象,引導學生分組實驗,觀察實驗現象,探尋物理規律,這一階段可以結合小組自評、小組互評、教師評價等方式進行合理性評價;在解釋環節,針對馬呂斯定律這一知識點,教師引導學生分組實驗,探究物理規律,通過小組自評、小組互評、教師評價等方式對該階段進行合理性評價;在拓展環節,教師結合生活中的實例偏光太陽鏡的選購,引導學生分組討論,設計實驗,并現場實驗驗證,這一階段同樣可以結合小組自評、小組互評、教師評價等方式進行合理性評價。在課后拓展階段,教師提出課后思考題:液晶屏的工作原理,并結合線上學習平臺對拓展學習進行評價。

采用多元化的評價方式,將過程評價和結果評價相結合,注重評價的導向和激勵作用,讓學生及時了解自己的學習情況,發現問題,解決問題,幫助師生反思總結,進一步提升。

2.6 課程思政,科學育人

習近平總書記強調,“要堅持把立德樹人作為中心環節,把思想政治工作貫穿教育教學全過程,實現全程育人、全方位育人”[6]。在這一指導思想下,教師在授課計劃中應積極融入課程思政,結合思政育人的目標要求,加強課程思政的教育滲透。比如以馬呂斯定律的教學為例,在介紹偏振應用的實例時,教師由液晶屏的偏振原理出發,介紹中國在液晶屏的發展,激發學生科技強國的信心、愛國情懷和民族自豪感。在電磁感應的教學中,通過介紹法拉第發現電磁感應現象的奮斗歷程,給學生啟示:科學的大道不是一帆風順,只有堅韌不拔,勇于探索、勇于鉆研,才能取得成功。引導學生學習科學家的科學精神,要有探索未知、追求真理的使命感和責任感。而在學習電磁感應現象的應用實例交流發電機時,教師以三峽大壩為例,介紹交流發電的基本原理。學生通過實例,體會科學就是生產力,增強學生們學好專業基礎課、投身科技報國的自信心。通過介紹我國在電力事業的成就,加強愛國主義教育,增進民族自豪感。

將思政元素融入大學物理的課堂,在教學實踐中,深度挖掘思政育人價值和精神內涵,在教學環節潛移默化地提升對學生的引導價值,向高校大學生傳播正確的價值觀,提升學生的人文精神、科學精神、學習習慣、責任擔當、實踐創新等核心素養,達到科學育人的目標。

3 總結與展望

本文以STEAM教育理念為指導,將5E教學模式融入大學物理教學中,通過吸引、探究、解釋、拓展、評價五個環節,激發學生的創新思維,培養他們的實踐能力,實現教師主導下,以學生為主體的課堂教學[7]。從生活的實例出發,創設問題情境,激發學生學習興趣;采用分組討論和實驗探究的方法,提高學生學習的參與度、積極性和主動性;利用理論知識解決實際問題,培養學生的創新思維以及分析解決實際問題的能力;充分利用網絡資源平臺,采用多元化的評價體系,過程評價和結果評價相結合;深度挖掘思政元素,科學育人。在未來的教學實踐中,還需結合實際情況,積極探索,不斷完善,努力構建以學生為中心的高效課堂,為跨學科復合型人才培養奠定良好的基礎。