基于 STEM 教育理念的高中物理教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)研究

關(guān)聰 崔雪梅

摘? ?要： 研究基于申在韓（Jae-Han Shin）的融合因子局部設(shè)計(jì)法，建構(gòu)高中物理教學(xué)內(nèi)容的STEM模型，將該模型應(yīng)用于分析高中數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、地理、信息技術(shù)、通用技術(shù)等課程的交叉內(nèi)容，并以“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”為例設(shè)計(jì)了基于STEM教育理念的高中物理教學(xué)內(nèi)容，為一線教師落實(shí)STEM教育理念提供借鑒。

關(guān)鍵詞： STEM模型；高中物理；教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

1 問題的提出

2014年教育部印發(fā)了《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》，《意見》要求將“核心素養(yǎng)”滲透到各學(xué)科的具體教學(xué)任務(wù)中，明確學(xué)生應(yīng)具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中重點(diǎn)提出了“增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題能力”的基本理念，整合高中物理學(xué)習(xí)階段課程內(nèi)容的必要性不言而喻。因此，在國(guó)外已具有較長(zhǎng)發(fā)展歷史的STEM理念映入眼簾。STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）以及數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科英文首字母的縮寫。五年來，教育部針對(duì)跨學(xué)科教育的發(fā)展舉措共87條，如教育部召開的“學(xué)習(xí)貫徹黨的二十大精神統(tǒng)籌推進(jìn)教育、科技、人才工作”座談會(huì)中指出，當(dāng)前教育要構(gòu)建全學(xué)段STEM人才培養(yǎng)體系[ 1 ]。因此，本文基于STEM理念對(duì)高中物理課程內(nèi)容進(jìn)行整合與設(shè)計(jì)，以提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)為中心選定課程框架，從而將高中階段各學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行交融與整合。

2? 模型的設(shè)計(jì)

2.1? 高中物理教學(xué)內(nèi)容的 STEM 模型設(shè)計(jì)

申在韓（Jae-Han Shin）針對(duì) STEAM 教育的融合因子設(shè)計(jì)主要有兩種融合方法[ 2 ]。一種是整體型，一種為部分型，這兩種模型的選用要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展水平而定。由于高中的學(xué)生僅在初中進(jìn)行兩年的物理學(xué)習(xí)，所以學(xué)生處于低發(fā)展階段。因此，本文采用申在韓（Jae-Han Shin）的融合因子局部設(shè)計(jì)法（圖1），并針對(duì)高中階段物理學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行深度分析，建立合理的STEM模型。如圖2所示該模型是以S（科學(xué)）為中心，S（科學(xué)）中融合地理、化學(xué)、生物這三門學(xué)科的內(nèi)容，在此融合的基礎(chǔ)上，更好地去服務(wù)物理內(nèi)容的建構(gòu)。此外，M（數(shù)學(xué)）、T（技術(shù)）、E（工程）以輔助形式出現(xiàn)[ 3 ]。其中，M（數(shù)學(xué)）作為物理的學(xué)習(xí)工具，它是學(xué)生學(xué)習(xí)物理必不可少的基礎(chǔ)之一。T（技術(shù)）元素包含了信息技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)，學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)課程在T（技術(shù)）元素中充當(dāng)工具，輔助T（技術(shù)）的呈現(xiàn)。E（工程）元素包含了通用技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容。其中不同的是，通用技術(shù)教學(xué)作為實(shí)現(xiàn)E（工程）元素的橋梁借以呈現(xiàn)。

2.2? 高中物理教學(xué)內(nèi)容的 STEM 模型內(nèi) S（科學(xué)）的結(jié)構(gòu)

申在韓（Jae-Han Shin）的融合方法概念中心型設(shè)計(jì)方法是一種以結(jié)合形式進(jìn)行融合的方法，它將STEM整體分為各個(gè)元素，通過各個(gè)元素相互融合來組合內(nèi)容，以此達(dá)到整體內(nèi)容融合的效果。依據(jù)融合方法概念中心型模型，將S（科學(xué)）中的各個(gè)元素進(jìn)行整合，其中涉及到物理、化學(xué)、生物、地理等學(xué)科內(nèi)容。因此，基于該模型，對(duì)各學(xué)科交叉部分的知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行具體模型建構(gòu)。

根據(jù)融合方法概念中心型設(shè)計(jì)方法，將物理學(xué)科作為模型中心，設(shè)計(jì)交叉模型（圖2）。該模型中的交叉內(nèi)容包括高中物理學(xué)科和高中生物學(xué)科的交叉部分、物理學(xué)科與化學(xué)學(xué)科的交叉部分、物理學(xué)科與地理學(xué)科的交叉部分。

物理學(xué)科與生物學(xué)科的內(nèi)容交叉部分主要包括三個(gè)部分，分別是微生物工程，基因工程與細(xì)胞工程以及結(jié)構(gòu)生物學(xué)。其中，在微生物工程大類中，交叉知識(shí)點(diǎn)主要是生物技術(shù)實(shí)踐；在結(jié)構(gòu)生物學(xué)大類中，交叉知識(shí)點(diǎn)主要是分子與細(xì)胞；在基因工程與細(xì)胞工程大類中，交叉知識(shí)點(diǎn)主要是現(xiàn)代生物科技技術(shù)[ 4 ]。

物理學(xué)科與地理學(xué)科的交叉主要是自然地理學(xué)，交叉知識(shí)點(diǎn)主要是氣候、水文以及地形[ 5 ]。

物理學(xué)科與化學(xué)學(xué)科的交叉主要是物理化學(xué)。交叉知識(shí)點(diǎn)主要是化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)、水溶液以及電化學(xué)[ 6 ]。

3? STEM 模型下基于科學(xué)的技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的教學(xué)內(nèi)容分析

本文選取各學(xué)科人教版高中教材內(nèi)容作為主要分析主體，將S（科學(xué)）中涉及的學(xué)科交叉內(nèi)容進(jìn)行整理與分析，鑒于研究的針對(duì)性，因此僅將交叉內(nèi)容中學(xué)科種類三種以上（含三種）的內(nèi)容進(jìn)行分析，將分析結(jié)果匯總于表1。

由表中數(shù)據(jù)可得，將化學(xué)、生物、地理等學(xué)科與物理學(xué)科分別在S科學(xué)中做交叉整合分析，可以發(fā)現(xiàn)交叉內(nèi)容呈現(xiàn)出交叉方面各有不同的特點(diǎn)。當(dāng)物理學(xué)科與化學(xué)學(xué)科有交叉內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，如1、2、3、4號(hào)，呈現(xiàn)出在T（技術(shù)）和E（工程）方面有較多內(nèi)容體現(xiàn)。當(dāng)物理學(xué)科與生物學(xué)科有交叉知識(shí)點(diǎn)時(shí)，如3、5號(hào)，呈現(xiàn)出在T（技術(shù)）和E（工程）方面有較少內(nèi)容體現(xiàn)。當(dāng)物理學(xué)科與地理學(xué)科有交叉知識(shí)點(diǎn)時(shí)，如3、4、6號(hào)，呈現(xiàn)出在E（工程）方面有內(nèi)容體現(xiàn)。M（數(shù)學(xué)）則在出現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的知識(shí)處集中體現(xiàn)。只有3號(hào)內(nèi)容在S（科學(xué)）T（技術(shù)）E（工程）M（數(shù)學(xué)）這些方面均有側(cè)重，因此針對(duì)3號(hào)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容舉例設(shè)計(jì)。

4? STEM 模型下教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)——以“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”為例

根據(jù)以上教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的原則，以及表1中呈現(xiàn)的交叉內(nèi)容呈現(xiàn)情況，以3號(hào)知識(shí)點(diǎn)為例進(jìn)行STEM 模型下教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)見表2。

5? 總結(jié)

5.1? STEM理念下的教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建模型可以有效整合高中物理教學(xué)內(nèi)容

本文主要運(yùn)用融合因子局部設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)了高中物理教學(xué)內(nèi)容的STEM模型，模型中涉及了生物、地理、化學(xué)、信息技術(shù)以及通用技術(shù)等五個(gè)學(xué)科的高中階段教學(xué)內(nèi)容，將各個(gè)學(xué)科的交叉內(nèi)容按模塊整合分析，并選取涉及交叉學(xué)科最多的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)[ 7 ]。STEM教育注重打破學(xué)科壁壘，使學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的科學(xué)過程，借此培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)和技術(shù)的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)造力、批判性思維、溝通和協(xié)作能力以及科學(xué)知識(shí)。因此，針對(duì)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容的研究，可以運(yùn)用設(shè)計(jì)STEM模型的方法。此外，本文只是選擇物理學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容作為主要研究對(duì)象，其他學(xué)科的相關(guān)研究也可以采取類似的研究方法，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的整合與設(shè)計(jì)。

5.2 信息技術(shù)與數(shù)學(xué)是實(shí)現(xiàn)STEM教育理念的有效手段

數(shù)學(xué)是呈現(xiàn)STEM教育理念的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，在進(jìn)行物理教育的過程中常常會(huì)提及數(shù)學(xué)與實(shí)驗(yàn)的重要性，STEM理念恰恰可以使物理教育工作者更加注重對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的強(qiáng)調(diào)與教學(xué)。信息技術(shù)更是實(shí)現(xiàn)STEM教育的一把利器，“科學(xué)”背后無法缺少“技術(shù)”[ 8 ]。同時(shí)，在課程標(biāo)準(zhǔn)中提到要加強(qiáng)信息技術(shù)條件下的教學(xué)資源有效組織和應(yīng)用，因此教育工作者要合理運(yùn)用信息技術(shù)，使其有效呈現(xiàn)STEM教育理念。

5.3 通用技術(shù)為實(shí)現(xiàn)STEM教育理念發(fā)揮重要作用

高中物理與通用技術(shù)融合的 STEM 教育模式能提升學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新實(shí)踐能力，也能夠促進(jìn)教師的教學(xué)研究能力的提高。例如，讓學(xué)生運(yùn)用流線型的相關(guān)知識(shí)對(duì)水火箭的外形進(jìn)行設(shè)計(jì)；用力的合成與分解的知識(shí)分析得出設(shè)計(jì)尾翼的原因；讓學(xué)生運(yùn)用動(dòng)量守恒定律計(jì)算水量的多少對(duì)火箭動(dòng)力的影響。這樣的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)還能在學(xué)習(xí)的過程中發(fā)展工程技術(shù)的素養(yǎng)，拓寬學(xué)生的眼界，讓學(xué)生逐步形成解決實(shí)際問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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