STEM視域下PBL模式在初中物理實驗教學中的應用研究

摘要：教師將融合科學、技術、工程、數(shù)學的STEM理念應用于初中物理實驗教學中，構建PBL模式，能在實現(xiàn)科學、技術、工程、數(shù)學滲透，并彌補初中物理實驗教學的不足之處，促進學生知識遷移、系統(tǒng)、整體學習與運用，在提高學生分析理解、知識應用、思考表達能力方面發(fā)揮著重要的作用。鑒于此，文章基于初中物理實驗教學需求，在STEM視域下，進行理論概述、可行性與重要性分析，并重點探究PBL模式在初中物理實驗教學中應用的策略，希望能對初中物理教師提高實驗教學效率與質量有所啟示。

關鍵詞：STEM理念；PBL模式；初中物理；實驗教學；應用策略

中圖分類號：G633.7""文獻標識碼：A""文章編號：1673-8918（2024）48-0127-04

隨著人才戰(zhàn)略的全面落實，黨和國家愈發(fā)關注人才培養(yǎng)過程與結果。教育部牽頭頒布相關政策文件，推進教育改革持續(xù)深化，對各學段、各學科教師都提出了新的教育要求。STEM是較強應用性學科有機融合的教育理念，強調科學、技術、工程以及數(shù)學四門學科全方面關聯(lián)、融合。在STEM教育理念指導下，初中物理教師構建PBL教學模式，以問題為導向，開展物理實驗教學工作，具有較強可行性、重要性。如何高效運用PBL模式，提高物理實驗教學效率與水平深受教師關注，是教師推進課程改革深化的研究重點。以下融合STEM理念、PBL模式，基于《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”），按照問題情境創(chuàng)設、假設提出、小組合作、分析與解決問題、學習成果評價的教學流程，探究初中物理實驗教學有效運用PBL模式的方法。

一、理論概述

（一）STEM理念概述

STEM即科學、技術、工程、數(shù)學教育總稱，科學解釋了世界、自然界的客觀規(guī)律；技術和工程師在尊重自然規(guī)律的基礎上，對世界進行的改造、控制、利用，從而解決社會發(fā)展過程中的難題；數(shù)學則是技術與工程的基礎性工具。將科學、技術、工程以及數(shù)學四門學科有機融合在一起，構成STEM教育模式。STEM理念強調在系統(tǒng)運用四門學科知識、技能開展教學工作的過程中，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)以及數(shù)學素養(yǎng)，提高學生認知、理解世界，發(fā)現(xiàn)、表達、解釋、解決問題的能力。

（二）PBL模式概述

PBL是Problem-BasedLearning的簡稱，即，問題式學習，強調以問題為導向，是以學生為中心的教學方式。問題驅動、情境探索、協(xié)作解決問題是PBL模式的典型特征，強調以問題為驅動、以學生為主體開展教學工作。PBL模式區(qū)別于以學科為基礎的教學方法，強調學生主動學習為主，將學習與任務、問題掛鉤，創(chuàng)設問題情境，引導學生投入問題，研究、分析并解決問題。

二、PBL模式在初中物理實驗教學中應用的可行性

在初中物理學習過程中，學生核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展離不開科學探究。教育部牽頭推進的教材改版，調整、完善教材內容，以教材為載體向學生呈現(xiàn)系統(tǒng)、完善的物理知識體系，不僅有利于學生知識整體學習、實驗探究，還為新理念、新教學模式的應用提供落腳點。PBL模式在初中物理實驗教學中的應用，具有較強的可行性。

一方面，各學段、各學科教材隨著教育改革的持續(xù)深化，以服務學生知識學習、掌握與應用為方向不斷改變。從物理教材角度而言，人教版教材物理知識點、實驗等的選編、設計等不斷優(yōu)化，與初中生認知規(guī)律更加契合。初中物理教材為學生由淺入深、系統(tǒng)學習物理知識提供良好載體，不僅適合學生學習，助力學生由淺入深學習、掌握物理知識；還對課堂創(chuàng)新、課程改革具有實際意義。

另一方面，從教學內容角度而言，PBL強調以問題為導向，學生的自主參與、分析尤其重要；物理實驗教學強調學生動手實踐，PBL模式與初中物理實驗教學都對學生學習自主性、能動性提出較高要求。初中物理實驗教學構建PBL模式，恰能為問題的提出、分析與解決創(chuàng)建良好的學習環(huán)境。在以學生為主體的物理實驗教學情境中，教師基于物理實驗現(xiàn)象，直接提出問題或引導學生提出問題，能以問題為學生指明實驗探究、分析思考的自主學習方向；PBL模式以問題的提出、分析與解決問題為重點，PBL模式與初中物理實驗在教學內容方面的關聯(lián)性。

簡而言之，初中物理實驗教學與PBL模式都強調學生的主體性，物理實驗基于真實情境的實驗現(xiàn)象促進學生知識學習、思考與運用；PBL教學模式基于真實情境提出問題，引導學生思考，在提高學生思維能力方面產生顯著效果。初中物理實驗教學運用PBL模式具有較強的可行性，共同致力于促進學生掌握知識、解決問題、建構知識體系。

三、PBL模式在初中物理實驗教學中應用的重要性

在STEM視域下，初中物理教師在實驗教學全過程，推進PBL模式落實，強調問題與物理實驗探究有機融合的重要性，引導教師將問題的提出、分析與解決貫穿于實驗教學全過程。以問題為學生實驗操作、觀察、思考、探究指明方向，對學生深度學習、思維發(fā)展具有重要作用。換言之，PBL模式在初中物理實驗教學中的應用，能充分運用物理實驗教學素材，遵循學生認知規(guī)律，促進學生自主、能動、高效學習，強化學生物理學習效果，提高學生綜合能力。

（一）合理提出問題，指明實驗探究、思考方向

PBL模式即以問題為導向的教學模式，將其應用于物理實驗教學環(huán)節(jié)，將問題的提出、分析與解決貫穿于實驗教學全過程，是該模式的主要特征，也是對師生的必然要求。PBL教學模式的構建將問題放置于物理實驗教學中心點，以問題引導學生動手操作實驗器材，觀察并分析物理實驗現(xiàn)象，為學生指明實驗探究、問題思考的方向。學生在物理實驗學習的過程中分析并解決問題，對其思維發(fā)展具有實際意義。

此外，PBL模式構建過程中，問題情境的創(chuàng)設，不僅以教師為問題提出主體，還強調學生在問題提出環(huán)節(jié)的主體地位，強調師生各自提出問題。教師從物理教學的專業(yè)角度入手，根據班級學情、教學需求，合理提出問題，為學生實驗操作、思考指明方向。同時，教師還要充分發(fā)揮教學引導作用，通過適當?shù)恼Z言引導、工具輔助，助力學生從實驗操作、物理學習的角度入手，將自己在學習過程中存在的問題提出來，引起學生對問題的廣泛討論。

（二）創(chuàng)設問題情境，增強物理實驗教學吸引力

初中物理教師構建PBL教學模式，最關鍵的是創(chuàng)設問題情境，基于師生需求，在物理實驗教學過程中提出問題，并共同分析、思考、解決問題。教師根據教材內容，從生活中挖掘、運用與物理知識相關的現(xiàn)象、素材等，將其開發(fā)為物理實驗教學資源，促使學生對生活中具體的物理現(xiàn)象進行實驗探究，能有效激發(fā)學生對物理實驗現(xiàn)象、原理以及相關物理知識的興趣。

STEM教育理念引導下的初中物理實驗教學，融合科學、技術、工程以及數(shù)學多學科知識，對物理實驗素材、資源等進行補充以及拓展延伸，對物理實驗進行跨學科精心設計；并在豐富、真實生活素材的支持下，讓學生在觀察、分析物理實驗的過程中，充分調動積極性、主動性。

簡而言之，PBL模式強調問題導向性，在具有較強探究性的初中物理實驗教學過程中，構建PBL教學模式，創(chuàng)設問題情境，能在引導、啟發(fā)學生思考的過程中，增強物理實驗教學對學生的吸引力，充分調動學生物理學習積極性。

四、STEM視域下PBL模式在初中物理實驗教學中的應用策略

STEM視域下，初中物理教師堅持問題導向性原則，構建PBL教學模式，補充物理教學內容，靈活運用教學問題，驅動學生自主學習、實驗探究，在引導學生提出、分析、思考、解決問題的過程中，提高學生物理實驗學習效率與質量。初中物理教師要在實驗教學環(huán)節(jié)全面落實STEM理念與PBL模式，就要從資源整合、框架構建兩個方面入手，基于STEM教育理念，將科學、技術、工程、數(shù)學學科知識與初中物理實驗教學融合，促進知識遷移、跨學科學習，從整體上提高學生知識學習、技能掌握與運用能力。

（一）基于STEM理念挖掘、整合教學資源

新課標明確初中物理實驗教學四個維度的核心素養(yǎng)，即物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任。初中物理教師要在新課標核心素養(yǎng)培育四個維度的教育要求下，整合科學、技術、工程、數(shù)學以及物理多學科教學資源，目標明確地挖掘、開發(fā)并利用豐富且優(yōu)質的教學資源，補充初中物理實驗教學資源。基于STEM理念，初中物理教師整合教學資源，要強調物理作為自然科學課程的屬性，整合多學科內容，引導學生正確認知科學、技術、工程、數(shù)學以及物理之間的關系，培養(yǎng)學生科學的學習態(tài)度、正確的價值觀念；并在引導學生物理實驗觀察、探究的過程中，促進其掌握多學科知識、實驗研究方法，并從物理走向生活，提高學生思維能力、解決實際問題的能力；將物理知識、實驗探究能力等轉化為學生的生活經驗。教師挖掘、整合教學資源，要擺脫單一課程教學的限制，分析、研究中考物理試卷命題特點、考查重點，以中考改革倒逼物理實驗教學內容與形式改革，全面落實STEM教育理念。

以人教版《物理》八年級下冊“重力”教學為例，教師要從教材研讀、課外補充拓展兩個環(huán)節(jié)入手，將課內外相關資源整合在一起，作為物理實驗教學主要內容。一方面，教師對人教版教材本節(jié)內容進行研讀可知，教材主要包括物理概念、物理實驗以及思維拓展模塊，“想想議議”“想想做做”以及“動手動腦學物理”都是物理教材思維拓展模塊的主要內容，也是物理教材融合STEM理念選編內容的表現(xiàn)。具體而言，“想想議議”模塊以飛機在地球投放物資時受到的重力為例子，假設沒有重力的生活情境，引導學生深入思考、理解“重力”這一物理概念，將物理知識融入日常生活，以學生熟悉的生活事物，促進學生深入理解物理概念；并涉及科學領域內容，引導學生從科學角度分析、思考物理概念以及相關現(xiàn)象。“想想做做”模塊的“用一根細線拴住橡皮甩起來做圓周運動”的內容，與STEM理念的“技術”學科相對應，引導學生在動手實操的過程中，感受物體圍繞圓心做圓周運動全過程力的變化。“動手動腦學物理”模塊結合具體的物理習題，引導學生運用具體的數(shù)字，深入學習、理解物體受力情況以及力的大小變化。這一模塊涉及工程、數(shù)學學科內容，是STEM理念中“E”與“M”的具體體現(xiàn)。此外，“科學世界”從人類對地球之外太空探索的角度，對本節(jié)物理知識進行補充拓展。另一方面，教師要基于STEM理念，挖掘、開發(fā)并運用課外教學資源，對課內物理實驗教學內容進行補充、拓展延伸。圍繞本節(jié)物理實驗“探究重力的大小跟質量的關系”，教師整合器材工具資源，引導學生使用測重器測量鉤碼以及生活中常見物體的重力；使用電子秤測量物體的實際質量，并在直角坐標系中標注物體質量與重力的具體數(shù)值，直觀呈現(xiàn)物體質量與重力的關系。除了在物理實驗中，教師選用可使用工具測量質量與重力的物體，增加實驗對象；還要列舉生活中真實的案例，為學生提供物理實驗觀察、分析的豐富素材，促進學生整體學習與理解物體重力與質量關系相關物理知識。

（二）以STEM為核心，搭設實驗+PBL框架

初中物理教師在實驗教學環(huán)節(jié)，滲透STEM理念，并堅持問題導向性原則，構建“物理實驗+PBL”教學模式，能充分發(fā)揮問題啟發(fā)、引導學生實驗觀察、分析、思考、操作的作用。教師要在STEM理念要求下，搭設“實驗+PBL”框架，將初中物理實驗教學覆蓋于框架引導下。PBL模式提供方法支持，初中物理實驗教學提供內容支持，STEM教育理念提供策略支持，搭設STEM視域下初中物理實驗PBL教學框架。教學框架支持初中物理實驗教學，推動物理實驗教學擺脫傳統(tǒng)教學模式的限制與影響，在助力提高物理實驗教學效率與質量方面發(fā)揮著重要的作用。

以人教版《物理》八年級下冊“杠桿”為例，在本節(jié)物理實驗“探究杠桿的平衡條件”教學過程中，教師基于科學、技術、工程、數(shù)學多學科及跨學科教育理念要求，將以物理知識為主要內容的實驗素材進行部分替換，滲透、融合多學科知識，推進STEM理念具體落實到杠桿平衡條件物理實驗探索全過程，對學生進行有效的知識補充、拓展、延伸，促進學生以“杠桿平衡條件”物理實驗為載體，系統(tǒng)、整體學習與之相關的多學科知識，逐步完善學生知識體系。杠桿在生活中隨處可見，生活中的常見物體，晾衣竿、木板、尺子等均可被看作杠桿，且能以學生更加熟悉的物體，激勵學生自主進行物理實驗探索。教師選擇晾衣架為本次實驗研究的杠桿，在衣架兩端的掛衣鉤上掛上各種物體，從衣架不平衡的狀態(tài)將其調整為平衡狀態(tài)。在衣架狀態(tài)改變的過程中，教師引導學生從兩端掛鉤取下、增加各種物體，以生活中熟悉的直觀現(xiàn)象，激發(fā)學生實驗探究興趣，引導其進一步探究杠桿平衡條件、原理等。例如，教師基于PBL模式提出問題：“在處于平衡狀態(tài)的衣架一端增加襪子、浴巾、毛巾等物體，衣架增加物體的一端會下沉，衣架處于不平衡的狀態(tài)。那么如何操作能讓衣架恢復平衡狀態(tài)？”基于這一原始問題，教師提出3個探究性問題：“如何判定杠桿的平衡狀態(tài)？當掛有物體的衣架發(fā)生傾斜，則衣架是否處于平衡狀態(tài)？”“衣架平衡狀態(tài)被打破的原因是什么？”“當衣架處于不平衡狀態(tài)，則如何在兩端懸掛衣服等物體，讓其恢復平衡狀態(tài)？”教師將全班學生劃分為3個小組，3個小組分別對應上述3個問題，動手操作衣架，控制衣架兩端物體的數(shù)量、重量等，讓衣架在平衡—不平衡的狀態(tài)調整，結合具體的物體實驗現(xiàn)象，促進學生對杠桿平衡條件以及原理進行深度探索。

在“物理實驗+PBL”框架指引下，教師將物理實驗落實到日常生活層面，以生活中常見的現(xiàn)象激發(fā)學生實驗探索興趣，并將衣架平衡與不平衡狀態(tài)與物理“杠桿平衡條件”學科知識有機融合，深化學生對生活現(xiàn)象、物理知識的整體理解，從整體上強化學生綜合學習效果。

五、結論

在新課標要求下，STEM教育理念與PBL教學模式出現(xiàn)，并被要求廣泛應用于學科教學實踐過程中，推進課程改革深化，為學生創(chuàng)造更好的學習環(huán)境。初中物理教師在實踐性較強的物理實驗教學環(huán)節(jié)，落實STEM理念、PBL模式，需要明確兩個教育概念、可行性以及重要性，從資源挖掘、整合以及框架搭設、優(yōu)化兩個方面入手，堅持問題導向性原則，設計、提出合理問題，引導、啟發(fā)學生思考及實驗探究，從整體上提高學生學習效率與質量。

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作者簡介：盧志江（1972～），男，白族，貴州畢節(jié)人，大方縣三元彝族苗族白族鄉(xiāng)三元中學，研究方向：初中物理教學。