基于 STEM 教育理念的高中物理教學內容設計研究

關聰 崔雪梅

摘? ?要： 研究基于申在韓（Jae-Han Shin）的融合因子局部設計法，建構高中物理教學內容的STEM模型，將該模型應用于分析高中數學、物理、化學、生物、地理、信息技術、通用技術等課程的交叉內容，并以“驗證機械能守恒定律”為例設計了基于STEM教育理念的高中物理教學內容，為一線教師落實STEM教育理念提供借鑒。

關鍵詞： STEM模型；高中物理；教學內容設計

1 問題的提出

2014年教育部印發了《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》，《意見》要求將“核心素養”滲透到各學科的具體教學任務中，明確學生應具備的適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準（2017年版2020年修訂）》中重點提出了“增強科學探究能力和解決實際問題能力”的基本理念，整合高中物理學習階段課程內容的必要性不言而喻。因此，在國外已具有較長發展歷史的STEM理念映入眼簾。STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）以及數學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫。五年來，教育部針對跨學科教育的發展舉措共87條，如教育部召開的“學習貫徹黨的二十大精神統籌推進教育、科技、人才工作”座談會中指出，當前教育要構建全學段STEM人才培養體系[ 1 ]。因此，本文基于STEM理念對高中物理課程內容進行整合與設計，以提升學生物理核心素養為中心選定課程框架，從而將高中階段各學科的學習內容進行交融與整合。

2? 模型的設計

2.1? 高中物理教學內容的 STEM 模型設計

申在韓（Jae-Han Shin）針對 STEAM 教育的融合因子設計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學生的學習發展水平而定。由于高中的學生僅在初中進行兩年的物理學習，所以學生處于低發展階段。因此，本文采用申在韓（Jae-Han Shin）的融合因子局部設計法（圖1），并針對高中階段物理學習內容進行深度分析，建立合理的STEM模型。如圖2所示該模型是以S（科學）為中心，S（科學）中融合地理、化學、生物這三門學科的內容，在此融合的基礎上，更好地去服務物理內容的建構。此外，M（數學）、T（技術）、E（工程）以輔助形式出現[ 3 ]。其中，M（數學）作為物理的學習工具，它是學生學習物理必不可少的基礎之一。T（技術）元素包含了信息技術課程的教學內容，同時，學生必做實驗課程在T（技術）元素中充當工具，輔助T（技術）的呈現。E（工程）元素包含了通用技術課程的教學內容。其中不同的是，通用技術教學作為實現E（工程）元素的橋梁借以呈現。

2.2? 高中物理教學內容的 STEM 模型內 S（科學）的結構

申在韓（Jae-Han Shin）的融合方法概念中心型設計方法是一種以結合形式進行融合的方法，它將STEM整體分為各個元素，通過各個元素相互融合來組合內容，以此達到整體內容融合的效果。依據融合方法概念中心型模型，將S（科學）中的各個元素進行整合，其中涉及到物理、化學、生物、地理等學科內容。因此，基于該模型，對各學科交叉部分的知識內容進行具體模型建構。

根據融合方法概念中心型設計方法，將物理學科作為模型中心，設計交叉模型（圖2）。該模型中的交叉內容包括高中物理學科和高中生物學科的交叉部分、物理學科與化學學科的交叉部分、物理學科與地理學科的交叉部分。

物理學科與生物學科的內容交叉部分主要包括三個部分，分別是微生物工程，基因工程與細胞工程以及結構生物學。其中，在微生物工程大類中，交叉知識點主要是生物技術實踐；在結構生物學大類中，交叉知識點主要是分子與細胞；在基因工程與細胞工程大類中，交叉知識點主要是現代生物科技技術[ 4 ]。

物理學科與地理學科的交叉主要是自然地理學，交叉知識點主要是氣候、水文以及地形[ 5 ]。

物理學科與化學學科的交叉主要是物理化學。交叉知識點主要是化學動力學、化學熱力學、水溶液以及電化學[ 6 ]。

3? STEM 模型下基于科學的技術、工程、數學的教學內容分析

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

由表中數據可得，將化學、生物、地理等學科與物理學科分別在S科學中做交叉整合分析，可以發現交叉內容呈現出交叉方面各有不同的特點。當物理學科與化學學科有交叉內容的知識點時，如1、2、3、4號，呈現出在T（技術）和E（工程）方面有較多內容體現。當物理學科與生物學科有交叉知識點時，如3、5號，呈現出在T（技術）和E（工程）方面有較少內容體現。當物理學科與地理學科有交叉知識點時，如3、4、6號，呈現出在E（工程）方面有內容體現。M（數學）則在出現物理實驗的知識處集中體現。只有3號內容在S（科學）T（技術）E（工程）M（數學）這些方面均有側重，因此針對3號知識點進行教學內容舉例設計。

4? STEM 模型下教學內容的設計——以“驗證機械能守恒定律”為例

根據以上教學內容設計的原則，以及表1中呈現的交叉內容呈現情況，以3號知識點為例進行STEM 模型下教學內容的設計見表2。

5? 總結

5.1? STEM理念下的教學內容構建模型可以有效整合高中物理教學內容

本文主要運用融合因子局部設計法設計了高中物理教學內容的STEM模型，模型中涉及了生物、地理、化學、信息技術以及通用技術等五個學科的高中階段教學內容，將各個學科的交叉內容按模塊整合分析，并選取涉及交叉學科最多的知識點進行教學內容的設計[ 7 ]。STEM教育注重打破學科壁壘，使學生體驗真實的科學過程，借此培養學生對科學和技術的興趣，培養創造力、批判性思維、溝通和協作能力以及科學知識。因此，針對設計教學內容的研究，可以運用設計STEM模型的方法。此外，本文只是選擇物理學科的教學內容作為主要研究對象，其他學科的相關研究也可以采取類似的研究方法，實現教學內容的整合與設計。

5.2 信息技術與數學是實現STEM教育理念的有效手段

數學是呈現STEM教育理念的堅實基礎，在進行物理教育的過程中常常會提及數學與實驗的重要性，STEM理念恰恰可以使物理教育工作者更加注重對數學基礎的強調與教學。信息技術更是實現STEM教育的一把利器，“科學”背后無法缺少“技術”[ 8 ]。同時，在課程標準中提到要加強信息技術條件下的教學資源有效組織和應用，因此教育工作者要合理運用信息技術，使其有效呈現STEM教育理念。

5.3 通用技術為實現STEM教育理念發揮重要作用

高中物理與通用技術融合的 STEM 教育模式能提升學生的綜合學習能力與創新實踐能力，也能夠促進教師的教學研究能力的提高。例如，讓學生運用流線型的相關知識對水火箭的外形進行設計；用力的合成與分解的知識分析得出設計尾翼的原因；讓學生運用動量守恒定律計算水量的多少對火箭動力的影響。這樣的教學內容設計還能在學習的過程中發展工程技術的素養，拓寬學生的眼界，讓學生逐步形成解決實際問題的能力。

參考文獻：

［1］ 趙慧臣，周昱希，李彥奇，等.跨學科視野下“工匠型”創新人才的培養策略：基于美國 STEAM 教育活動設計的啟示[J].遠程教育雜志，2017，35（1）.

［2］ 申在韓. STEAM 融合教育的理論與實踐[M].首爾：教育科學社，2013.

［3］ 金鎮秀.探索技術教育新的綜合教育方法 STEAM 教育[J].韓國技術教育學會雜志，2007， 11（2）.

［4］ 李文智.高中化學、物理、生物跨學科知識整合與實踐研究[D].銀川：寧夏大學，2022.

［5］ 王永紅.物理與地理學科融合教學策略探討[J].中學地理教學參考，2023（21）：84.

［6］ 胡雙.高中化學中滲透物理學科知識的交叉教學實踐研究[D].天津：天津師范大學，2022.

［7］ 金成元，鄭永漢，禹愛子，等.融合人才教育（STEAM）理論模型的建議[J].韓國科學教育學會，2012，32（2）.

［8］ 陳晨. 融入通用技術課程理念的高中物理跨學科綜合實踐研究[D].南充：西華師范大學，2021.