基于STEM,教育的物理学习：STEM教育与传统学科融合的一种尝试

一组数据显示，浙、沪两地新高考物理学科“遇冷”——2017年高考浙江全省有29.13万考生，但是选考物理的只有8万人；在上海，实行新高考改革第一年，选择物理科目的考生也仅占总人数的30%。除了其他一些原因，学生对物理学科缺乏兴趣也是物理学科“遇冷”的重要原因。如何激发传统学科的活力，引发学生的学习兴趣，是每一个传统科学学科需要思考的问题；另一方面，STEM教育如何利用传统学科的优势和资源打牢根基，也是人们在推广STEM教育时应该思考的问题。笔者认为基于STEM 教育的物理学习是STEM教育与传统学科融合的一种尝试，也是一种相得益彰的路径。

物理学研究的是所有物质最基本的运动规律，是其他自然科学的基础。在人们探索物理规律并运用这些规律的过程中，饱含了丰富的探索研究问题的科学方法与智慧，为了让学生在经历知识建构的同时掌握科学方法养成科学思维的习惯，现代物理学习特别提倡做中学、玩中创的教育理念。这种教育理念和STEM 教育的初衷一脉相通，在初中阶段探索基于STEM 教育的物理学习方式，对实现提升科学素养的教育目标有着非常重要的意义。

STEM教育与物理教育的比较

为更好找到STEM教育和物理教育的结合点，我们结合全日制义务教育物理课程标准和收集到的STEM教育的相关资料进行以下简单的比较。

国际上普遍认为，基本科学素养的主要内涵包括三个方面：（1）对科学知识（科学术语和科学基本观点）；（2）科学方法；（3）科学技术及其对社会和个人所产生的影响。其中涵盖了解决问题的能力，所以不难看出STEM教育和物理教育的学习目标几乎是一致的，只是STEM教育更侧重于实践和问题的解决，物理教育则侧重于物理知识的建构和探究。但随着社会的发展和物理教育理念的转变，物理学习不再是单纯的证实或证伪的知识学习，而是更加关注知识的建构过程，即从生活常见的现象入手发现提出可探究的问题，进而开展科学探究自主建构知识，然后运用所获知识解决实际问题，甚至创新设计制作出有一定实用价值的器物。在整个学习过程学生就像科学家一样经历着问题的提出、探究方案的设计、实验探究、科技创新，体验者科学探索的艰辛和兴奋。其中既有科学知识的学习建构，又有在知识学习的基础上运用技术、工程和数学的创新和实践，所以，从某种程度上说物理学有着丰富的STEM教育素材，物理学习过程应该是更完整的STEM教育。正如法拉第发现电磁感应进而发明电动机，瓦特看到壶盖跳动进而改良蒸汽机，这些科学家从发现到发明的过程不是只有物理，而是彻彻底底、完完整整的STEM，将STEM教育的理念与物理教育有机的融合才是真正的物理学习！

基于STEM教育的物理学习设计

基于STEM教育的物理学习实质就是更加注重学生实践的学习，在物理学习的过程中融入工程、技术和数学相关内容，倡导问题导向、任务驱动、做中学、玩中创的学习理念，学生学到的不只是物理概念、规律、方法、科学思维，不再只是满足好奇心，而且还有他们自己的创新发明成果（创新实验方案、自制教具、小发明、小创造等），让学生看到的是完整的真实物理，体验到物理学的发展对人类社会的进步产生的巨大作用。为了达到以上的教学效果，主要做了以下工作。

确定研究问题，形成校本教材

物理学有自身较为完整的知识体系，教材的编写一般也是按照这一体系编写的，在学习的过程中通常从最基础的知识开始，逐步完善，最后形成完整的知识体系，即从局部到整体的学习，其优点是每一知识点的问题较小、困难小、便于学生理解，但是学后学生往往会产生“为什么要学习这些知识”“学后这些有什么用”的疑惑，造成目的不明确、被动学习的结果，不太适合开展STEM教育。因此我们尝试整合了现有物理教材，逐步形成适合开展STEM教育的校本教材。首先确定学习主题提出明确的研究问题，布置课题任务，提供相应的器材和材料，小组成员合作完成任务，反馈交流任务成果，改进完善成果。以内燃机的学习为例，教材编写主要突出以下几个环节。

1.主题任务：认识内燃机及其工作原理；

2.做一做：利用一次性注射器、压电陶瓷点火器、酒精等器材制作一个酒精枪；

3.议一议：注射器的活塞为什么会被打出去？

4.想一想：要想使活塞再次发射出去，应该解决哪些问题？如何解决？

5.看一看：小型单缸四冲程汽油机有哪些部分组成？它是怎样工作的？

6.我能行：安装小型单缸四冲程汽油机模型；

7.我最棒：展示介绍自己的任务成果，分享学习收获。

我们认为STEM教育教材的编写，应该使学生对主题任务有一个整体了解，然后为了完成任务将主题任务分解为一个个需要解决的问题，在问题解决的基础上达到提升科学素养的目的。在学习中学生经历的是从整体到局部，再由局部到整体的认知过程，更有利于学生带着问题和任务有目的地学习，学生学习动力更足、成就感更强。

激发学习兴趣，保护培育好奇

初中生已经具备了基本的数理推导、图形设计的相关知识以及小学科学基本知识，他们对生活中众多的物理现象充满了好奇。神奇的有趣的现象、具体实在的器具，制作、设计、探究的过程等好玩有趣的事情都能深深吸引着他们。满脑子的“是什么、怎么样、为什么”是他们努力前行的原动力，教师的工作就是要激发出他们脑子中更多的问题，让他们的好奇心求知欲长存。为此基于STEM教育的物理学习设计中的资源选取要特别注重趣味性和参与性，让每一位学生利用简单的器材都够完成，并从中学到知识掌握方法。

比如在摩擦力主题学习时，可以在学生体验环节上设计“直绳提瓶（一根没有打结的绳子，插入瓶中后翻转后再正过来，拉住绳子瓶子不会落下。）”“落、停自如的小球（一根细绳从球中穿过，两手分别拉住绳子两端，小球可以在你的指令下停在绳子的上或下滑。）”等小魔术，以及“奇怪的拔河比赛（一位大力士男生与一位小女生用一根金属杆拔河，结果男生竟输给了女生！）”“抓碗比赛（两只相同的碗倒扣在桌面上，让一位大力士男生与一位小女生分别去抓这两只碗，男生怎么也抓不起来，女生反能轻松抓起！）”等参与性游戏，让学生在做中认识摩擦力，在玩中体验摩擦力，再带着自己的问题和猜想探究影响摩擦力大小的因素，最后制作“气垫光盘（将光盘和气球组装在一起，模拟气垫船的工作原理。）”“向上爬行的小木板（一根绳子依次穿过粘在木板面上侧立的四个螺母，再将绳子的中间挂在钩子上，交替拉动绳两端，木板自动上行。）”。

问题引导学习，任务驱动发展

提出可探究的科学问题不仅可以看出一个人的科学素养水平，也是科学研究和学习的开始，所以基于STEM教育的物理学习应特别关注激发学生的问题。通常可以采用类比、逆向思维、神奇的现象引导学生提出问题，比如可以类比机械能帮助学生建立内能的概念，并提出“物体内能与分子运动速度有什么关系？”等问题；奥斯特实验说明了电流周围有磁场，运用逆向思维，便可提出“利用磁场能产生电流吗？”；通电后喇叭可以发声，老师将喇叭接入扩音器的话筒插口，再對着喇叭说话，扩音器竟发出了说话声！这种神奇的现象激发出学生强烈的探究欲望。

STEM教育最突出的特点就是要解决具体问题，所以，在提出问题的基础上，创新设计实验方案、探究物理规律，运用规律开展发明创新都是具体问题，用这些任务驱动学生学习会使他们感到学而有物、学而有果，让他们真切体验到成功的愉悦从而树立自信。比如，在电磁作用主题中，学生利用饮料瓶、磁铁和线圈制作了扬声器，还有的同学将磁铁隐藏起来，线圈绕在硬纸板面上，当连接音箱的硬纸板靠近磁铁时，纸板便会“唱歌”！做成了一个名副其实的魔术道具。

基于STEM教育的物理学习前景

融入STEM教育的物理学习是对当前物理教与学的尝试和探索，是在杜威的“做中学”教育思想基础上的教育实践的研究，这种物理学习方式最大现度地保持了学生的好奇心，发挥了学生的主体作用，给予了学生充分的学习、创新空间，有利于学生科学素养的提升和个性发展。更加令人高兴的是，各地的中高考物理试题也正朝着开放、创新、实践性更强的方向改进，必将会有力地推动STEM教育在物理学习过程中的融合与发展！

作者单位：北京教育学院附属丰台实验学校分校

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