基于STEM教育理念發展物理核心素養的教學探究

周逸斐，劉碧蕊

(寧夏師范學院 物理與電子信息工程學院，寧夏 固原 756099 )

發展學生核心素養是落實立德樹人根本任務的一項重要舉措。在《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱課程標準)中為了體現物理學科的獨特育人價值,基于物理學科本質凝練出四個方面學科的核心素養：物理觀念、科學思維、科學探究以及科學態度與責任[1]。物理核心素養的實現并不是一蹴而就的,需要教師在教學中逐步實現。首先要根據教學內容確定核心素養發展目標；其次要注重信息技術在教學過程中的應用和情境創設,利用信息技術創設的情境促進學生物理觀念的形成、科學思維的發展和問題解決能力的培養；最后采取多樣化的評價方式促進學生的學習和核心素養的達成,并提高教師的教學水平。

物理核心素養作為最能體現物理學科價值的關鍵因素,在培養目標上STEM(Science,Technology,Engineering,Mathematics)教育與其不謀而合。STEM教育是打破學科界限的跨學科教育,其目的是使公民具備解決真實問題的知識、思維、能力和態度。實踐表明：STEM教育有助于培養學生的科學探究能力、創新意識、批判性思維、信息技術能力和問題解決能力。[2]基于STEM教育理念,將跨學科思維和“做中學”的教育思想融入物理探究教學有助于學生物理核心素養的達成。

一、基于STEM教育理念發展物理核心素養的有效路徑

(一)利用信息技術手段,創設情境教學

根據物理課程內容及類型,運用現代化的技術手段創設多樣化的教學情境,開展物理情境教學,體現出STEM教育情境性和技術性特征。

在物理概念教學中創設適當的客觀情境,有利于前概念的發展和轉變,促進學生物理觀念的形成。在物理概念教學中,學生基于日常生活已在頭腦中形成了大量的經驗性常識,這些常識會成為學生的前概念。正確的前概念有助于學生新知的學習,教師應積極創設相似的生活情境來豐富學生已有認知,促進學生物理觀念的形成；錯誤的前概念則會阻礙學生新知的學習,教師應當利用技術手段創設相反的真實情境,促使學生產生認知沖突,激發求知欲,幫助學生完成前概念的轉變,建立正確的物理概念,促進物理觀念的形成。利用信息技術創設體現概念本質特征的客觀情境,有助于發展學生的物理觀念。

在物理規律教學中創設真實的實驗情境,有助于學生物理規律的理解和科學探究能力的提高。運用實驗來確立物理規律是物理教學中常用的方法,通過創設物理實驗情境,學生可以在觀察和體驗中形成問題意識,即能從情境中發現和提出問題。有研究表明傳統實驗教學存在諸多問題,不利于學生核心素養的形成[3]。利用信息技術創設實驗情境,讓學生經歷完整的實驗探究,既能解決傳統實驗教學中的不足,又能使學生感悟用科學語言描述和解釋自然現象的樂趣,提升對科學本質的認識,進而提高科學探究能力。

在習題教學中創設多樣化的問題情境,有助于學生知識的遷移運用,促進問題解決能力的提高。學生具有將概念和特定情境相聯系的傾向,常常不能將某個概念在其他情境中加以辨析運用[4]。因此,學生運用所學物理知識解決實際問題能力的高低,往往取決于學生將情境與特定知識相聯系的水平。在習題教學中,創設多樣化的問題情境,有助于學生獲得大量解決物理問題的經驗,形成把情境與知識相關聯的意識和能力,從而提高知識遷移和問題解決能力。

(二)彰顯“做中學”的教育思想,開展個性化的探究教學

彰顯STEM教育“做中學”的教育思想,融入STEM教育協作性、體驗性和開放性特征,以學生為中心開展個性化的探究教學。

物理學作為一門以實驗為基礎的學科,實驗在物理教學中起著非常重要的作用,且探究性實驗是學生學習物理不竭的動力,因此教師更應注重探究性實驗的教學。在探究性實驗教學中,應注重對學生科學思維的引導,科學探究能力的提高和科學態度與責任的培養。高中物理探究性實驗的基本過程是：提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作。與傳統實驗相比,STEM教育理念下的探究性實驗具有以下五個特點。第一，注重學生的主體性和探究問題的開放性；第二，注重學生的互動交流和實際體驗；第三，注重多主體、多元化的評價方式；第四，要求教師全程參與到學生的探究活動當中；第五，增加了作品制作的環節,以增強學生的成就感。通過上述探究活動可以激發學生濃厚的物理學習興趣和強烈的求知欲望,使他們體驗到科學研究的樂趣,從而增強其自信心,樹立學好物理的信心。同時,以學生為中心開展個性化的探究教學,有利于學生物理觀念的形成,科學思維的訓練,科學探究方法的掌握,科學態度和責任意識的養成,促進學生物理核心素養的達成。

(三)遵循跨學科思維,發展融合教學

遵循STEM教育跨學科思維,發展以物理學科為核心的融合教學。

知識是一個有機的整體,教師若僅以物理知識為線索開展教學,容易出現教學與現實生活相脫離的狀況,不利于學生對于知識的記憶和理解,學生可能會出現“盲人摸象”的片面性錯誤,因此物理教學應該結合其它學科知識內容,給學生呈現較為完整的知識體系,開展融合教學。高中物理作為一門基礎學科,以物質的基本結構、最普通的相互作用和最一般的運動規律為研究對象,這意味著它與其它各學科存在著密切的聯系,適合開展融合教學。在STEM教育理念指導下,提倡“教師協調、學科協同、主題協定、學生協作”的協同教學思想[5],應以物理學科為核心,結合其他學科知識發展融合教學。

二、基于STEM教育理念發展物理核心素養的教學設計

“物體的重心”在課程標準中沒有明確的目標表述,所以教師常常用幾句話就帶過了“重心”概念的教學,但是日常生活中有許多有趣的物理現象與重心相關(確保了學生的學習興趣),并且重心的應用在古代器具(汲水瓶)和傳統技藝(達瓦孜)中都有所體現(帶領學生探索傳統文化的奧秘,感悟先人的智慧,培養民族自豪感),同時重心教學中有適合學生探索的開放性問題(易于開展個性化的探究教學),因此“物體的重心”能作為STEM教育理念下發展物理核心素養的內容進行教學設計。

(一)創設情境,引入教學

1.師生活動

首先,教師利用多媒體課件播放三段“生活中重心現象”的視頻：“真人不倒翁”“神奇的上坡路”以及“非遺之美-達瓦孜”,同時提問：“他們怎么做到的”“和我們之前所學的什么知識有關”“你對哪種現象問題感興趣”；然后對應三段視頻分別展示三件自制教具：“物體穩度探究裝置”[6]“雙錐體上坡實驗教具”以及“平衡玩偶”；最后通過提問“什么是重心”,引入高中重心的概念：一個物體的各部分都受到重力的作用,從效果上看,可以認為各部分受到的重力作用集中于一點,這一點叫作物體的重心。

2.設計意圖

通過創設三種生活情境,讓學生感受到重心與生活息息相關,引起學生好奇,激發學生的學習動機。通過提問啟發學生思考,使學生思維動起來,并讓學生選擇自己感興趣的問題為后續學生分組探究實驗做鋪墊。通過展示自制教具,激發學生探究熱情。最后通過對重心概念的闡述,明確本節課的教學內容。

3.STEM教育理念的融入

利用多媒體創設真實的生活情境,既能加深學生對物體重心的認知又能促進學生對重心概念的學習,還能讓學生據此提出具有實際意義的問題,培養學生的問題意識。通過教具的學習與研究,學生能更好地理解重心的相關知識,加深對重心概念的理解。在知識融合方面達瓦孜體現著傳統文化與物理知識的融合。

(二)明確問題,擬訂方案,進行探究

1.師生活動

根據學生的興趣和關注點的不同以及學生自身特點進行合理的分組,分成A、B、C三組。分組完成后,教師通過提問引導各組學生自行提出本組的探究問題：A組“重心與穩度有什么關系”,B組“如何確定物體的重心位置”,C組“物體保持平衡的條件是什么”。每組學生在明確了探究問題以后,根據教師提供的實驗器材,先自行完成探究方案的設計,方案包括研究問題、猜想與假設、實驗方法、實驗器材、實驗步驟、需要觀察記錄的內容和注意事項等；然后進行組內的方案交流,學生通過交流發現自身設計的不足,對不足進行必要的改進；最后小組修改、整理出一份詳細、可行的方案。整個過程教師都參與其中,對于學生面臨的困難給予啟發式的指導,對于方案中明顯的錯誤給予必要的提示,對于學生做得好的地方給予肯定。(學生自主設計的方案、修改后的方案和小組方案都應保留作為最后的評價材料。)

根據最終制定的方案,確定小組分工開展實驗探究。

A組：利用“物體穩度探究裝置”(裝置由4個底面積相同,高度不同的長方體盒子和量角器組成),進行重心與穩度的關系的探究實驗。實驗步驟：先探究物體的穩定度與其重心高度的關系；再探究物體的穩定度與其支持面大小的關系；最后探究物體傾倒的臨界條件。

標記物體傾倒時重心位置及作用線,觀察物體傾倒時重心作用線與支持面的位置關系。

得出結論：支持面相等的情況下,物體的重心越低穩度越高；重心高度相等的情況下,物體的支持面越大穩度越高。物體傾倒的臨界條件：物體重心作用線偏離支持面。

B組：利用“多變的幾何板”[7]( 裝置包括正六邊形硬紙板若干、重垂線以及膠水),進行重心位置確定的探究實驗。實驗步驟：先探究不同形狀、質地均勻的幾何硬板重心；再將紙板進行折疊,探究對稱形狀,質地不均勻的幾何硬板重心；最后將紙板再次折疊,探究不對稱形狀,質地不均勻的幾何硬板重心。

標記物體的重心,觀察不同形狀幾何硬板的重心位置。

得出結論：形狀規則、質量均勻物體的重心在其幾何中心,形狀不規則物體可以通過兩次懸掛確定物體的重心位置。

C組利用“平衡條件探究裝置”(裝置由若干同種書本組成),進行物體保持平衡條件的探究實驗。實驗步驟：先探究如何用最少的書本通過疊加使最上方的書本能夠完全置于桌面外；再尋找一本書臨界掉落時書本位置；最后尋找兩本書組合體臨界掉落時書本位置[8]。

標記每次實驗時書本臨界掉落位置及重心,觀察書本臨界掉落時重心作用線與桌子邊緣的位置關系。

得出結論：當物體重心的作用線正好位于支撐物體的接觸點時,物體可以保持平衡。

教師全程參與,對于學生的實驗操作、現象分析、結論的得出和實驗誤差分析等活動進行必要的指導,鼓勵學生在實驗過程中提出問題,進行創新。

2.設計意圖

根據學生的興趣和自身特點進行分組和探究,尊重學生的主體性,有利于學生主觀能動性的發揮,促使學生以更飽滿的熱情參與到探究中去。通過引導學生思考使學生自己發現、提出問題,既能鍛煉學生思維,又能讓學生感受到提出問題的不易和重要性。通過探究方案的設計,讓學生體悟物理學家探究工作的不易；通過組內的合作交流,讓學生意識到合作交流在探究學習過程中的重要性；最終方案的確定,讓學生獲得成就感,確保探究活動的開展。

上述探究是以學生為主,有利于培養學生的物理學習興趣,提高學生的學習動機和參與度。通過對重心相關知識的運用,學生有關重心的概念得到了鞏固和內化；通過實驗器材的使用,學生的操作技能得到了鍛煉；通過完整的探究,學生的科學思維和創新意識得以發展。

3.STEM教育理念融入

開放性的問題,有助于教師開展個性化教學,促進學生的全面發展。在教師引導下,學生思考后發現、提出問題,并自主完成探究方案的設計,體現了“做中學”的教育思想。問題的發現和提出是科學探究的關鍵一步,發現和提出問題有助于學生問題意識的形成。完成方案的設計有助于提高學生制定計劃的能力；組內交流合作,鍛煉了學生的語言組織能力和表達能力,有助于學生合作意識的形成；方案的修改和完善則有助于學生自主學習能力的發展。學生交流中提出的問題是學生思考的表現,有助于創新意識的形成。問題意識、合作意識、創新意識,自主學習能力和制定計劃的能力都是問題解決所必需的,意識和能力，也是核心素養對學生發展的要求。

學生對重心相關問題的探究經歷了問題、假設、觀察、分析、質疑、總結的完整過程。通過完整的探究實驗,學生形成了科學推理和質疑創新的思維,掌握了控制變量和數形結合的科學方法。在教師指導下,學生養成了嚴謹認真、實事求是的科學態度。

A組的實驗裝置需要學生動手完成,裝置的制作過程既用到了重心知識又融入了技術手段。B組的裝置利用了數學六邊形的特征,裝置整體體現了數學與物理的融合；C組的探究體現了工程思維,學生需要在思考、實踐、修正和再實踐的迭代過程中達成既定目標。

(三) 拓展應用,評價反思

1.師生互動

實驗完成后,讓每組學生上臺分享發現和結論,并嘗試解釋課前視頻中展示的現象,說明其中蘊含的科學原理。在完成分享后,要求每個小組完成一個作品：A組成員制作一個“蛋殼不倒翁”,B組成員制作一個“錐體爬坡裝置”,C組成員制作一個“平衡玩偶”。

上述活動完成后,教師根據前期材料、學生探究過程中的表現、學生的自我評價、組內評價和組間互評開展過程性評價；根據作品的外觀和完成度進行終結性評價。

2.設計意圖

組間交流給予學生展示自我的機會,展現學生通過探究習得的經驗、對概念的理解運用以及科學思維的發展。學生作品有助于激發學生的學習積極性和主動性。評價是促進學生自我教育和自我發展的有效途徑,多主體、多元化的評價方式更加客觀公正,有助于學生元認知能力的培養。

3.STEM教育理念融入

STEM教育與傳統教育的最大區別就是完成相應教學后會有具體成果的產出。作品是學生認知結構的外化產物,是學生科學思維的集中體現。作品的產出是對學生各方面能力的應用和提高,有助于學生成就感的獲得,自信心的建立和物理學習動機的保持,是學生物理核心素養達成的有效舉措。

作品的設計和制作是物理原理、工程技術和藝術創造的巧妙結合。

三、小結

STEM教育理念下的物理課堂教學有利于學生核心素養的達成。多樣化的情境教學,促進學生創新意識的形成和問題解決能力的培養；以物理為核心的融合教學,促進學生對于知識的理解和建構；個性化的探究教學,有利于學生科學思維的應用、科學探究能力的培養以及科學態度與責任的形成。

雖然STEM教育理念下的物理課堂教學有助于學生物理核心素養的達成,但是國內對于STEM教育的推廣和實施仍存在許多問題,亟待相關學者和一線教師的共同研究、探索。