王玥月 陸建隆

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

·初中園地·

凸顯STEM教育的初中物理教學(xué)設(shè)計(jì)初探
——以“浮力”教學(xué)為例

王玥月 陸建隆

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

以學(xué)科整合為背景的STEM教育在中學(xué)科學(xué)教育中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用．本文從初中物理課程實(shí)施的效果以及初中生思維特征的分析出發(fā),結(jié)合STEM教育的理念對(duì)初中物理教學(xué)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),并將其運(yùn)用于初中浮力的教學(xué)設(shè)計(jì)之中．

STEM教育;學(xué)科整合;浮力教學(xué)設(shè)計(jì)

1 問(wèn)題的提出

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,局限于單一學(xué)科體系內(nèi)的研究難以取得突破性的進(jìn)展,而多學(xué)科的融合以及先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用不僅為研究者開辟了新的研究視角,也對(duì)人類的生產(chǎn)生活做出了重要的貢獻(xiàn)．在科學(xué)教育界,“學(xué)科整合”也成為研究者越來(lái)越關(guān)心的話題,通過(guò)學(xué)科整合的方式培養(yǎng)更多的復(fù)合型科技人才成為美國(guó)以及歐洲國(guó)家的重要教育舉措．為了實(shí)現(xiàn)“學(xué)科整合”的教育理念,教育工作者提出不同的方針和策略,美國(guó)在上世紀(jì)八十年代提出的STEM教育就是其中之一．

STEM是科學(xué)(science)、技術(shù)(technology)、工程(engineer)和數(shù)學(xué)(mathematics)的縮寫,STEM教育提倡將這4門學(xué)科有邏輯、有組織地結(jié)合起來(lái),以科學(xué)知識(shí)為中心,以數(shù)學(xué)為輔助工具,讓學(xué)生積極參與到工程、技術(shù)的實(shí)踐中,培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力．最初,STEM教育在本科生的教學(xué)活動(dòng)中開展較多,近年來(lái),隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)STEM教育和課程整合的重視,STEM教育逐漸滲透到中學(xué)科學(xué)教育中．作為初中科學(xué)中的基礎(chǔ)課程,物理成為教育者實(shí)施STEM教育的重點(diǎn)研究對(duì)象．那么,STEM教育能給初中物理教學(xué)帶來(lái)怎樣的改變?作為教師,又將如何在教學(xué)中開展STEM教育呢?

2 初中物理教學(xué)開展STEM教育的重要性認(rèn)識(shí)

從課程實(shí)施的角度來(lái)看,STEM教育更能體現(xiàn)物理教學(xué)的實(shí)踐性和物理規(guī)律的關(guān)聯(lián)性．多年來(lái),我國(guó)初中物理教學(xué)一直致力于開發(fā)探究式教學(xué)模式．探究式教學(xué)最初的構(gòu)想是以學(xué)生主動(dòng)探索、認(rèn)知物理現(xiàn)象和規(guī)律為目標(biāo)．然而,在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生的思維過(guò)程常常被教師規(guī)劃為一條統(tǒng)一的“路徑”,而基于學(xué)科課程教學(xué)目標(biāo)的探究過(guò)程也就顯得有些形式化．STEM教育與探究式教學(xué)相同的是強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位,重視發(fā)揮學(xué)生在知識(shí)建構(gòu)上的主動(dòng)性．但不同之處在于,STEM教育更關(guān)注物理規(guī)律在實(shí)際問(wèn)題解決中的整合與應(yīng)用．學(xué)生通過(guò)對(duì)問(wèn)題的分析研究,運(yùn)用不同的科學(xué)知識(shí)找到問(wèn)題解決方法,并從中學(xué)會(huì)靈活地運(yùn)用這些規(guī)律來(lái)解決其他相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題．這一過(guò)程有利于幫助學(xué)生將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐中,同時(shí)也能很巧妙地整合所學(xué)的自然規(guī)律．

從認(rèn)知發(fā)展的角度來(lái)看,STEM教育能夠促進(jìn)初中學(xué)生思維的開放性和系統(tǒng)性．它鼓勵(lì)學(xué)生從學(xué)科內(nèi)部框架、跨學(xué)科概念間的聯(lián)系、探索性思維的運(yùn)用這3種基本角度思考問(wèn)題,這對(duì)學(xué)生的思維層次提出了較高的要求．認(rèn)知發(fā)展階段理論認(rèn)為,初中生的思維處于形式運(yùn)算階段,能夠進(jìn)行更為抽象的思考,例如科學(xué)實(shí)驗(yàn)中最為需要的假設(shè)和演繹推理能力、數(shù)學(xué)中的邏輯思維能力到中學(xué)階段才能發(fā)展起來(lái)．[1]因而,初中生已具備了開展STEM教育所要達(dá)到的思維能力要求．不僅如此,通過(guò)在中學(xué)物理中實(shí)施STEM教育又能相應(yīng)地促進(jìn)學(xué)生思維能力以及學(xué)習(xí)能力的發(fā)展．在STEM課堂中,問(wèn)題的解決或者學(xué)習(xí)項(xiàng)目的實(shí)施需要學(xué)生運(yùn)用多領(lǐng)域的知識(shí)才能完成,并且往往得到答案的途徑并不唯一,這也就促使學(xué)生積極地探索問(wèn)題,主動(dòng)地通過(guò)查詢資料、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、計(jì)算推理等各種途徑來(lái)得到問(wèn)題解決的方案．[2]在這一過(guò)程中,學(xué)生的思維會(huì)變得更加靈活主動(dòng),他們的探究能力、溝通能力、自控能力等也能得到有效的鍛煉和提升．

3 初中物理教學(xué)凸顯STEM教育的教學(xué)設(shè)計(jì)探討

STEM教育在課程設(shè)置上,系統(tǒng)地整合了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域;在教學(xué)方法上,構(gòu)建學(xué)生能夠自主探究問(wèn)題和實(shí)施項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過(guò)程;在培養(yǎng)目標(biāo)上,鼓勵(lì)學(xué)生積極參與科研實(shí)踐,拓寬學(xué)生的認(rèn)知領(lǐng)域．有學(xué)者認(rèn)為STEM教育體現(xiàn)了學(xué)生知識(shí)發(fā)展的開放性和動(dòng)態(tài)性[3]．課程的設(shè)計(jì)借鑒了實(shí)際科學(xué)研究中以問(wèn)題為中心、不斷質(zhì)疑和提出新問(wèn)題的研究思想,突出設(shè)計(jì)問(wèn)題與解決問(wèn)題的循環(huán)過(guò)程．還有學(xué)者認(rèn)為STEM思維路徑是一條系統(tǒng)的思維路徑[4],它包括了組成思維的各個(gè)重要部分,如已知概念、目標(biāo)問(wèn)題、實(shí)踐等等．當(dāng)學(xué)習(xí)者參與到學(xué)習(xí)過(guò)程中時(shí),他的思維會(huì)經(jīng)歷系統(tǒng)的變化過(guò)程．結(jié)合STEM教育的相關(guān)理念以及STEM教育的研究成果,筆者設(shè)計(jì)了以下體現(xiàn)STEM教育的物理環(huán)形教學(xué)模型(圖1).

圖1 環(huán)形教學(xué)模型

在以上模型中,第1步,建立問(wèn)題情境.情境的創(chuàng)設(shè)要使學(xué)生易于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并能應(yīng)用STEM 4門學(xué)科知識(shí)．一般來(lái)說(shuō),創(chuàng)建以生活中的物理現(xiàn)象為背景的問(wèn)題情境作為切入點(diǎn)更易于被初中生理解和接受．第2步,開展合作學(xué)習(xí).根據(jù)學(xué)生的特長(zhǎng)進(jìn)行分組,鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用STEM 4個(gè)學(xué)科來(lái)進(jìn)行理論和實(shí)踐的研究．研究工具不再只局限于教師提供的實(shí)驗(yàn)儀器,學(xué)生可以利用低成本的、易于獲得的物品來(lái)搭建實(shí)驗(yàn)儀器．實(shí)踐過(guò)程中,學(xué)生利用查找資料、分析數(shù)據(jù)等不同的方式來(lái)進(jìn)行研究,充分發(fā)揮他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性．第3步,組間交流討論環(huán)節(jié).這一過(guò)程可以由學(xué)生自行組織,討論的方式有多種形式如報(bào)告、辯論等等．學(xué)生通過(guò)對(duì)不同方案的比較得出問(wèn)題解決的最理想結(jié)果．第4步,評(píng)價(jià)總結(jié).教師針對(duì)學(xué)生研究和討論過(guò)程作出評(píng)價(jià),鼓勵(lì)學(xué)生提出更新穎的解決方案,糾正不合理的方法和錯(cuò)誤的觀念．教師還可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題本身進(jìn)行反思或者作出新的假設(shè),讓學(xué)生進(jìn)行更深入的研究．

4 初中浮力教學(xué)設(shè)計(jì)中凸顯STEM教育的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

浮力是初中物理中非常重要的教學(xué)內(nèi)容,人們對(duì)浮力這一節(jié)內(nèi)容進(jìn)行過(guò)大量的教學(xué)設(shè)計(jì)．以下我們結(jié)合STEM環(huán)形教學(xué)模型,以初中物理教材“浮力”這節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容為例,建立以問(wèn)題為中心的STEM教學(xué)設(shè)計(jì)．

4.1 課堂導(dǎo)入:創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

圖2 問(wèn)題情境

問(wèn)題情境的引入是要學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出猜想．這里我們使用最常見的物品設(shè)計(jì)問(wèn)題情境(如圖2所示):左邊是一罐啤酒,右邊沉入水底的和中間的兩罐是相同的飲料．首先,要求學(xué)生觀察現(xiàn)象并從中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題．學(xué)生通過(guò)操作會(huì)發(fā)現(xiàn)啤酒罐無(wú)論以怎樣的形態(tài)放在水中都不會(huì)下沉,而飲料罐只有在底部的凹槽中有部分空氣未排出時(shí)才可能浮起來(lái)．這時(shí),學(xué)生自然就會(huì)想到一個(gè)問(wèn)題:物體在水中的沉浮與哪些因素有關(guān)?

4.2 合作探究:以問(wèn)題為中心,開展實(shí)踐研究

圖3 實(shí)驗(yàn)探究

教師要求學(xué)生聯(lián)系所學(xué)的知識(shí),通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明物體所受浮力與可能的影響因素之間的關(guān)系．此時(shí),不同的學(xué)生會(huì)提出不同的方案,教師應(yīng)鼓勵(lì)他們完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),將實(shí)驗(yàn)付諸實(shí)踐,檢驗(yàn)假設(shè)的合理性．其中一組采用易拉罐本身進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證浮力與體積之間的關(guān)系(圖3):測(cè)量其高度h和截面直徑d,并將高度均分為4份．實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,緩慢地將易拉罐浸到水中,每到一個(gè)刻度線,讀出彈簧秤的讀數(shù)．根據(jù)力的平衡條件,浮力F的大小等于飲料罐的實(shí)際重力與彈簧秤的示數(shù)之差．在得出浮力與排水體積的4組數(shù)據(jù)后畫出其在坐標(biāo)圖中相應(yīng)的點(diǎn),計(jì)算得出浮力與排水體積之間的函數(shù)關(guān)系式．有學(xué)生提出直接使用相關(guān)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(如圖4),最終得出浮力與排水體積間存在線性關(guān)系:F=9.6875V+0.175．忽略實(shí)驗(yàn)誤差,最終得出F=9.69V．

圖4 擬合數(shù)據(jù)

STEM教育提倡以小組合作的形式解決問(wèn)題或者完成項(xiàng)目,教師根據(jù)每個(gè)學(xué)生的不同特點(diǎn)進(jìn)行分組,每個(gè)組有善于規(guī)劃的學(xué)生、數(shù)學(xué)成績(jī)突出的學(xué)生或是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^好的學(xué)生．這樣分組有利于學(xué)生學(xué)會(huì)如何在團(tuán)隊(duì)中展現(xiàn)自己的特長(zhǎng),培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力．此外,教師要鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用STEM方面的知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題,如上述小組的學(xué)生運(yùn)用了數(shù)學(xué)公式和計(jì)算機(jī)輔助工具表達(dá)出浮力和排水量之間的關(guān)系．

4.3 組間交流:討論不同觀點(diǎn),拓展研究領(lǐng)域

STEM教育體現(xiàn)了“整合”的理念,這里的整合不僅包括學(xué)科知識(shí)間的整合,廣義上來(lái)講,也包括不同觀點(diǎn)的整合．在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中,每個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果存在差異．教師需要針對(duì)存在的問(wèn)題組織學(xué)生進(jìn)行討論,讓學(xué)生相互交流實(shí)驗(yàn)過(guò)程,通過(guò)分析反思等一系列過(guò)程得出一致的結(jié)論．此外,討論的范圍不局限于本節(jié)課研究的浮力問(wèn)題,也可以延拓到其他知識(shí)點(diǎn)甚至其他領(lǐng)域,例如針對(duì)為什么體積相同的啤酒比飲料重的問(wèn)題,有學(xué)生通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)飲料的配料中含有大量的糖,而啤酒中含有酒精,一般情況下糖的密度要比酒精大,因而飲料罐會(huì)下沉,啤酒不會(huì)．再如,有學(xué)生根據(jù)易拉罐的沉浮構(gòu)想出制作簡(jiǎn)易潛水艇的想法．總之,交流環(huán)節(jié)應(yīng)盡量做到在不偏離教學(xué)目標(biāo)的條件下,讓學(xué)生自由發(fā)表觀點(diǎn),而對(duì)別人的觀點(diǎn)也能做到合理公正的評(píng)判,這才能體現(xiàn)STEM教育的開放性．

4.4 評(píng)價(jià)反思:糾正錯(cuò)誤觀念,深化研究?jī)?nèi)容

在評(píng)價(jià)環(huán)節(jié),教師要對(duì)整節(jié)課進(jìn)行評(píng)價(jià)總結(jié)．除了對(duì)新穎的探究方案、創(chuàng)新觀點(diǎn)提出鼓勵(lì)之外,還要對(duì)此過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤觀念進(jìn)行分析．學(xué)生的思維中有很多先驗(yàn)的觀念,這些觀念大多來(lái)自學(xué)生日常的經(jīng)驗(yàn),有些帶有明顯的科學(xué)性錯(cuò)誤．通過(guò)以學(xué)生為主導(dǎo)的探究和交流討論過(guò)程,可以初步判斷出學(xué)生在哪些概念上仍然存在錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí),例如有一部分學(xué)生始終認(rèn)為重的物體如鐵和銅等金屬在水中不受浮力的作用．因此,在學(xué)生進(jìn)行研究和討論的過(guò)程中要善于發(fā)現(xiàn)他們?cè)谥R(shí)上和方法上存在的不足、如果在討論環(huán)節(jié)結(jié)束之后,學(xué)生在某一問(wèn)題上仍然存在異議,教師可以采用做實(shí)驗(yàn)或舉例子等不同的方式來(lái)糾正學(xué)生認(rèn)知中的錯(cuò)誤．此外,本節(jié)課的研究重點(diǎn)是在水中探究影響浮力的因素,為了更深入地研究,可以對(duì)初始的問(wèn)題情境提出反思:如果將水槽中的清水換成油或者其他物質(zhì),易拉罐狀態(tài)是否會(huì)變化?

與傳統(tǒng)教學(xué)相比,STEM教育的優(yōu)勢(shì)在于充分認(rèn)識(shí)到真實(shí)的研究過(guò)程的多元性和靈活性,認(rèn)識(shí)到跨學(xué)科知識(shí)的重要性．在全球科技不斷進(jìn)步的今天,選擇正確的教育發(fā)展道路對(duì)于學(xué)生的未來(lái)乃至國(guó)家的發(fā)展都是至關(guān)重要的．STEM教育結(jié)合當(dāng)代最先進(jìn)的教育理論將學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程方法化、系統(tǒng)化、多元化,通過(guò)學(xué)生之間的合作,以探究實(shí)驗(yàn)的方式充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì),提高學(xué)生的STEM素養(yǎng)．

1 凱瑟琳·加洛蒂(吳國(guó)宏等譯). 認(rèn)知心理學(xué)——認(rèn)知科學(xué)與你的生活[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016.

2 Asunda Paul A. Mativo John. Integrated STEM: A New Primer for Teaching Technology Education[J]. Technology and Engineering Teacher, 2016, 75(4): 8-1

3 朱麗娜, 葉兆寧. 促進(jìn)課內(nèi)外融合的STEM教育實(shí)踐與反思——STEM教育如何從理念走向?qū)嵺`[J]. 湖北教育:科學(xué)課, 2016(1):94-96.

4 Reeve E M. STEM Thinking[J]. Technology & Engineering Teacher, 2015, 75:8-16.

5 李鈞.初中物理教學(xué)中科學(xué)方法教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置[J].物理教師，2013(12)：9-10.

2016-09-03)