STEM教育理念下初中物理概念教學研究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1673-260X（2025）08-0108-04

教育部于2022年頒布的《義務教育物理課程標準（2022年版）》明確了對義務教育階段學生培養物理核心素養的要求。物理核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任。其中，物理觀念是物理概念和規律在頭腦中的提煉與升華，教師應該依據課程標準的要求科學地引導學生從物理學的視角形成物理概念，進而深人理解和構建物理觀念。

物理學是一座龐大的由眾多概念和規律組成的、通過物理方法有機搭建起來的物理知識大廈。學生學習物理的過程就是在搭建自己的物理知識大廈。而學生自己的物理知識大廈的高度、寬度和穩定性很大程度取決于物理概念這個地基的深度和廣度。物理概念教學作為學生構筑物理概念基礎的重要途徑，發揮著不可替代的作用。

1物理概念教學存在的問題

學生在學習物理概念時面臨諸多挑戰。首先，學生通常習慣通過直觀形象的方式認識事物，而物理概念的學習往往需要運用抽象思維，理解以語言文字表述的抽象概念，并進一步運用這些概念解釋現象、解決問題。這種思維轉換的難度，使得許多學生在學習物理概念時感到困惑、不理解，甚至產生消極情緒，表現為課堂積極性不高、參與度低等現象。其次，傳統的物理概念教學方法存在明顯缺陷。

教師多采用講授法直接灌輸概念，忽視了對概念本質及其形成過程的分析，導致學生難以真正建構物理概念。學生往往誤認為掌握物理概念就是死記硬背公式和定義，這種錯誤觀念一旦形成，便難以改變，并會貫穿其整個物理學習過程。因此，學生對物理概念的理解僅停留在表層，難以應對綜合性較強的問題，面對需要運用概念本質或形成過程的深層次知識時，常常無從下手。此外，在物理概念教學過程中，對學生分析綜合能力的培養重視不足。學生在處理復雜問題時，難以明確區分物體系統的整體與各個部分之間的關聯，難以精準地鎖定研究主體，從而導致解題思路模糊不清，缺乏明確的方向感。面對這種困境，他們往往采取盲目試錯或隨意猜測的方法探尋解題之道，有時甚至會錯誤地套用公式。究其原因，部分學生因缺乏綜合分析能力的系統性鍛煉，在面對實際問題時便顯得捉襟見肘，難以應對。

2STEM教育理念下物理概念教學

在STEM概念初次被提出時，它更多被視為四個獨立且分割的學科，即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）。然而，隨著STEM教育運動的不斷發展和推廣，教育者逐漸意識到了“整合”的核心價值。Her-schbach2提出STEM教育的課程設計應將科學、技術、工程和數學等整合在一起，強調對知識的應用和對學科之間關系的關注。

Moore等在其研究中提出了STEM教育的兩種整合模式。一是情境整合，意在將工程設計當作科學和數學教學中的學習情境和動力要素。其中，工程設計并不是學習目標，而是一種教學方法，用以加強學生對知識的聯結和掌握。二是內容整合，把工程設計作為課程自標。由此可見，STEM教育理念的整合模式中，通過對技術和工程的設計過程，整合科學和數學的知識內容。

基于STEM教育理念的物理概念教學過程中，首先，教師通過把復雜抽象的物理概念轉化為實踐生活中具體形象的形式，以工程設計為主線開展概念教學，促進學生理解和運用這些物理概念。其次，基于工程設計的整合模式體現了實踐性。讓學生在實踐中形成自己的理解方式，親身經歷物理概念的學習過程，體會物理概念的形成過程和本質，而不是讓教師代替他們完成。最后，在工程設計的過程中，學生需要綜合運用多門跨學科的知識去完成任務，讓他們更注重深人學習概念的本質和概念的應用。學生在深入學習概念后能夠在不同場景下隨機應變運用物理概念，從而鍛煉學生的綜合能力。可以說，STEM教育的本質就是一種跨學科實踐，它為物理學科核心素養的培養提供了強大的工具和力量

3STEM教育理念下初中物理概念教學策略分析

3.1深度挖掘教學內容中的STEM元素

從初中物理教學內容來看，深入分析教材內容是其基石與核心環節。這不僅關乎“教什么\"與“如何教\"的決策，更需要從教材中汲取靈感以明確教學方向。同時，教學內容的深度與廣度需依據學生的實際需求與反饋精準定位。初中階段的物理無疑是整個中學物理學習生涯最基礎、影響最深遠的學段，可以說物理學的知識大廈的基礎就在初中夯實。物理知識的邏輯順序通常遵循“從概念到規律定理\"的路徑，其中概念理解是基礎。因此，初中物理涉及大量新概念的學習與內化。為探索STEM教育理念在日常教學中的融合路徑，筆者對人教版初中物理三冊教材進行了系統分析。通過教材解讀可以發現，STEM元素廣泛分布于教材的各章節，尤其在概念性內容中體現顯著。這些元素不僅巧妙地貫穿于物理學知識的整體脈絡之中，更為STEM教育理念的實踐提供了豐富的土攘。

3.1.1質量概念教學（八年級上冊第六章第一節）

引人環節通過激活學生對生活場景中常見物質的前認知（如固體、液體等宏觀物質形態），逐步引導至核心概念界定，即“質量是物體所含物質多少的物理量”。在此基礎上，系統構建概念的符號表征體系，引入國際通用符號‘ ”作為質量的物理量標識，闡明其在國際單位制（SI）中的基礎單位“千克 （kg） ”及其衍生單位（如克、噸）的字母表征規范，并通過單位制換算關系的數學推導（如 1kg=10³g^? 0完成量綱體系的邏輯建構。最終過渡至實驗探究階段，引導學生通過天平測量實踐實現抽象概念的操作化定義。在概念生成階段，教材通過創設生活化情境構建認知錨點，繼而運用觀察法與實驗法引導學生體驗自然科學“基于實證\"的方法論特征，此認知路徑有效映射STEM教育理念中的科學探究維度（Science）。在概念符號化階段，通過引入國際單位制的數學表征體系（如質量符號“ m ”基本單位千克及其十進制換算關系），系統發展學生的數理邏輯思維，這一過程精準對應STEM課程中的數學建模要素（Mathematics）。兩階段的遞進式設計，實質反映了STEM教育所倡導的“科學現象數學化表征\"的學科融合機制。

在質量的測量實驗中，教材內容采用實踐導向的設計思路，在系統講解機械天平結構原理與操作規范的基礎上，通過對比圖示引入電子天平的技術特征，以此構建測量精度認知的梯度化教學框架。這種教學設計策略直觀闡釋了社會生產實踐中質量檢測需求的層級化特征，當常規檢測場景僅需10^-1～10^-3 g量級精度時，機械天平作為基礎計量工具具有經濟性與適用性優勢，而面向精密制造、藥物研發等前沿領域則需達 10^-4～10^-6g 精度的計量工具，壓電傳感、電磁補償等技術創新推動了測量技術迭代。該內容架構不僅符合認知發展規律，更通過技術演進案例生動詮釋了STEM教育理念中“技術（Technology）\"要素的實踐價值，即工程技術如何通過持續創新響應社會需求，驅動科學測量手段的革新。

3.1.2 連通器原理教學（八年級下冊第九章第二節）

本教學單元在完成液體壓強概念體系建構后，以連通器原理為知識遷移節點，采取生活化認知遷移策略。教材通過列舉水壺壺嘴一壺體系統、U形反水彎管件、工業鍋爐水位計等常見工程構件，引導學生對既有生活經驗進行科學概念解構，實現從現象感知到原理闡釋的認知躍遷。在此基礎上，“科學世界\"拓展模塊引入三峽船閘這一超大型水利工程案例，通過工程背景數據可視化（如閘門尺寸參數、年通航量統計）構建工程哲學認知框架。這種從微觀原理到宏觀應用的認知路徑設計，不僅深化了液體壓強的實踐價值認知，更在工程哲學層面培養了學生的科學本質觀，理解基礎物理原理如何通過工程技術創新轉化為改造自然界的物質力量。

前序模塊通過生活經驗的概念重構策略，引導學習者對具象化實體（如水力構件、壓力容器等）進行現象學認知激活，繼而運用液體壓強原理實現從經驗觀察到科學解釋的認知轉化，這一過程本質上是“科學（Science）\"要素的具身化實踐，促使學生運用科學方法論對自然現象進行范式化解讀。而在“科學世界\"拓展環節，教材通過三峽船閘這一巨型水利樞紐的案例教學，系統整合了STEM中的技術（Technology）與工程（Engineering）維度。技術要素體現在對閘門液壓控制系統、水位傳感裝置等技術集成系統的解析，揭示現代測量與控制技術對經典物理原理的工程轉化。工程要素則通過閘體結構參數、運行機制等工程設計參數的定量分析得以彰顯，完整呈現了從理論模型（連通器原理）到實體建構（航運系統工程）的工程哲學維度。

STEM教育理念以這些內容作為切入點，能很好地融入初中物理課堂，增加學生的課堂參與感，手腦并用能很好地幫助學生將生活與物理聯系起來，特別是學生需要自主動腦動手探究的部分，能很好地讓學生在學習的過程中發現問題、探索未知，將想法付諸實踐時也能很好地培養學生的技術與工程素養。

3.2基于真實問題情境的教學設計方法

STEM教育強調學習與實際生活的聯系，從真實問題出發，倡導“做中學\"“學中做”，通過探索式學習培養學生解決問題的能力。教師創設不同的問題情境，培養發散思維和創新思維，實現深度學習凹。除了教材在引出新概念前的引入情境，以及教師創造的各種貼合當地教學環境和條件的概念學習情境之外，教師還應巧妙地將生活中豐富的實體與電子資源充分利用起來，轉化為生動的教學素材。據此，教師可以設計一系列既貼近生活又富有意義的實踐活動，例如，通過親手制作溫度計加深對溫度的理解，或者通過制作橡皮泥船來理解浮力等。這些具體而富有挑戰性的任務構建了一個個真實的課堂場景。通過這樣的情境構建，學生不僅能夠親身體驗物理概念學習的魅力，還能在完成任務的過程中，自然而然地激發對課程的濃厚興趣和參與熱情。

鑒于概念是人腦對客觀事物加工的產物，往往具有抽象性和難懂性，且其從表達到運用通常僅用一句話概括。這在傳統課堂中通常體現為直接通過語言講解或靜態的視聽資料展示。然而，目前這種沉浸式的真實情境學習更能觸動學生的心靈，促使他們主動探索、積極創造，從而實現了從“要我學”到“我要學\"的根本轉變。因此，利用真實的問題情境開展概念教學，無疑是提升教學效果、促進學生全面發展的有效途徑。

3.3項目式教學方法的運用

STEM教育是一種植根于真實問題情境中的教育模式，學生在此環境中遭遇的是一系列復雜的學習挑戰。為了促進學生的理解和掌握知識，這些挑戰需被轉化為可實施的項目。學習的實質就是解決問題和完成項目的過程。所以，項目的設計是STEM教育的核心工作和著力點。項目式學習強調學習的參與度和實踐性，提倡在真實問題情境中開展合作學習，并以問題解決為核心，融合了多樣化的學習途徑和學科知識。這與STEM教育的核心理念高度契合。因此，項目式STEM教學被視為STEM教育中一種高效且有效的教學策略。例如，在學習浮力相關內容時，教師可以引導學生運用“阿基米德原理\"這一新知識概念，通過發散思維，利用常見且簡單的材料，在滿足一定條件的前提下，設計并制作可在水中浮沉的“潛水艇\"模型。此過程不僅能夠培養學生的創造性思維，還能深化對“浮力\"這一章節內容的理解。學生需要依據實際經驗和觀察，將復雜問題抽象化為物理模型，并對模型進行深人分析與驗證。通過項自式學習，學生加深了對物理概念的認識和理解，同時在解決問題的實踐中激發了創新思維與質疑精神，為后續學習更深層次的物理知識奠定了堅實基礎。

3.4教師提高自身的STEM素養

要在現階段的物理概念教學中融入STEM理念，教師必須具備更高的綜合素養。教師想要在更短的時間內適應STEM發展潮流的趨勢，找到自身提升的標準和依據是一個快速的途徑。盡管針對STEM教師的素養相關標準和準則的研究并不多，但目前已經有可供參考的關于STEM教師專業素養模型的研究成果，該模型包含了學習者和學習、內容知識、教學實踐、專業責任四大素養，以及12個細分素養，并對指標體系進行了細化。一方面，該素養模型旨在為中小學STEM教師的專業成長提供指導和方向，另一方面，它也為未來的實證研究提供了堅實的基礎。這意味著通過這些計劃和研究，我們不僅能夠明確教師專業發展的具體路徑，還能夠通過實際的數據和案例驗證這些路徑的有效性，從而不斷優化和調整教師培訓和發展策略。此外，教師本身應該持續進行自我提升和充電，應不斷學習STEM教育相關知識，閱讀包括科學、技術、工程和數學領域的相關專業雜志、學術期刊和在線出版物，掌握最新的研究成果和行業趨勢，以保持自己的專業能力與時代同步。

3.5開發整合多種豐富的教學資源

學校通過豐富教學資源，開發和整合適合STEM教育的物理概念教學資源（包括教材、實驗器材、教學軟件等），使學生能夠在學習物理概念時綜合運用各學科的思維和技能，構建更加完整的知識體系，從而加深對物理概念的理解和應用。這一過程旨在激發并保持學生對物理學習的積極態度。通過動手實踐，學生能“做中學、學中做”，提升對抽象概念的學習熱情和參與度。從學生信息接收的認知層面來看，動手實踐能促進多感官協同參與概念學習，其效果比僅依賴視覺和聽覺的學習方式更高效、更顯著。

3.6推進研究機構合作化

構建學術共同體凝聚研究力量，是助力研究深化的重要基礎，也是當前中學物理教育研究的愿景之一[10]。為更好地深耕拓展\"物理 + STEM\"本土化發展之路，推進物理教學的高質量發展，有必要加強研究機構間的協作配合，充分發揮中學教學實踐優勢、高校理論創新優勢、教研部門課程監測優勢。學校應通過建立合作機制，加強與科研機構、企業等單位的協作，共同推進STEM教育在初中物理概念教學中的應用。STEM教育能力的提升僅依靠校內的學習和實踐往往不足。在實施過程中，若長期無法達成教學目標且難以突破，原因在于許多問題在現有條件下不易被發現。因此，需打破環境局限，主動與其他實施STEM教育的學校、企業及組織機構加強交流，借鑒優秀案例經驗，探索未預見問題的解決方案，取長補短，從而推動本校STEM教育更深度融入物理概念教學。

4結語

STEM教育以學生為中心，致力于培養創新精神、實踐能力和跨學科知識整合能力，是培育未來復合型人才的重要途徑?；赟TEM教育理念的物理概念教學，已成為具有前瞻性的教學方式。面對社會發展需求，教育部門需完善相關政策法規，加速STEM教育理念與物理教學的深度融合，充分實現其教育價值。這不僅是教育格局的優化，更是人才培養模式的變革。未來，STEM教育下的物理概念教學應在實踐場域中持續發展，在課程設置與教學方法上創新，激發專家學者及教育工作者的深度參與，推動教學方式向更高水平進階，為全球教育改革提供理論范式與實踐路徑。

參考文獻：

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