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)揮著越來越重要的作用．本文從初中物理課程實施的效果以及初中生思維特征的分析出發(fā),結(jié)合STEM教育的理念對初中物理教學(xué)進行重新設(shè)計,并將其運用于初中浮力的教學(xué)設(shè)計之中．

STEM教育;學(xué)科整合;浮力教學(xué)設(shè)計

1 問題的提出

隨著科學(xué)技術(shù)的進步,局限于單一學(xué)科體系內(nèi)的研究難以取得突破性的進展,而多學(xué)科的融合以及先進技術(shù)的應(yīng)用不僅為研究者開辟了新的研究視角,也對人類的生產(chǎn)生活做出了重要的貢獻．在科學(xué)教育界,“學(xué)科整合”也成為研究者越來越關(guān)心的話題,通過學(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以及歐洲國家的重要教育舉措．為了實現(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,美國在上世紀八十年代提出的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,以科學(xué)知識為中心,以數(shù)學(xué)為輔助工具,讓學(xué)生積極參與到工程、技術(shù)的實踐中,培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力．最初,STEM教育在本科生的教學(xué)活動中開展較多,近年來,隨著國際社會對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,物理成為教育者實施STEM教育的重點研究對象．那么,STEM教育能給初中物理教學(xué)帶來怎樣的改變?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教育的重要性認識

從課程實施的角度來看,STEM教育更能體現(xiàn)物理教學(xué)的實踐性和物理規(guī)律的關(guān)聯(lián)性．多年來,我國初中物理教學(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)生主動探索、認知物理現(xiàn)象和規(guī)律為目標．然而,在實際教學(xué)過程中,學(xué)生的思維過程常常被教師規(guī)劃為一條統(tǒng)一的“路徑”,而基于學(xué)科課程教學(xué)目標的探究過程也就顯得有些形式化．STEM教育與探究式教學(xué)相同的是強調(diào)學(xué)生的主體地位,重視發(fā)揮學(xué)生在知識建構(gòu)上的主動性．但不同之處在于,STEM教育更關(guān)注物理規(guī)律在實際問題解決中的整合與應(yīng)用．學(xué)生通過對問題的分析研究,運用不同的科學(xué)知識找到問題解決方法,并從中學(xué)會靈活地運用這些規(guī)律來解決其他相關(guān)的實際問題．這一過程有利于幫助學(xué)生將所學(xué)知識運用于實踐中,同時也能很巧妙地整合所學(xué)的自然規(guī)律．

從認知發(fā)展的角度來看,STEM教育能夠促進初中學(xué)生思維的開放性和系統(tǒng)性．它鼓勵學(xué)生從學(xué)科內(nèi)部框架、跨學(xué)科概念間的聯(lián)系、探索性思維的運用這3種基本角度思考問題,這對學(xué)生的思維層次提出了較高的要求．認知發(fā)展階段理論認為,初中生的思維處于形式運算階段,能夠進行更為抽象的思考,例如科學(xué)實驗中最為需要的假設(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．[1]因而,初中生已具備了開展STEM教育所要達到的思維能力要求．不僅如此,通過在中學(xué)物理中實施STEM教育又能相應(yīng)地促進學(xué)生思維能力以及學(xué)習(xí)能力的發(fā)展．在STEM課堂中,問題的解決或者學(xué)習(xí)項目的實施需要學(xué)生運用多領(lǐng)域的知識才能完成,并且往往得到答案的途徑并不唯一,這也就促使學(xué)生積極地探索問題,主動地通過查詢資料、動手實驗、計算推理等各種途徑來得到問題解決的方案．[2]在這一過程中,學(xué)生的思維會變得更加靈活主動,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)生能夠自主探究問題和實施項目的學(xué)習(xí)過程;在培養(yǎng)目標上,鼓勵學(xué)生積極參與科研實踐,拓寬學(xué)生的認知領(lǐng)域．有學(xué)者認為STEM教育體現(xiàn)了學(xué)生知識發(fā)展的開放性和動態(tài)性[3]．課程的設(shè)計借鑒了實際科學(xué)研究中以問題為中心、不斷質(zhì)疑和提出新問題的研究思想,突出設(shè)計問題與解決問題的循環(huán)過程．還有學(xué)者認為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重要部分,如已知概念、目標問題、實踐等等．當(dāng)學(xué)習(xí)者參與到學(xué)習(xí)過程中時,他的思維會經(jīng)歷系統(tǒng)的變化過程．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,建立問題情境.情境的創(chuàng)設(shè)要使學(xué)生易于發(fā)現(xiàn)問題并能應(yīng)用STEM 4門學(xué)科知識．一般來說,創(chuàng)建以生活中的物理現(xiàn)象為背景的問題情境作為切入點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)生的特長進行分組,鼓勵學(xué)生運用STEM 4個學(xué)科來進行理論和實踐的研究．研究工具不再只局限于教師提供的實驗儀器,學(xué)生可以利用低成本的、易于獲得的物品來搭建實驗儀器．實踐過程中,學(xué)生利用查找資料、分析數(shù)據(jù)等不同的方式來進行研究,充分發(fā)揮他們學(xué)習(xí)的主動性．第3步,組間交流討論環(huán)節(jié).這一過程可以由學(xué)生自行組織,討論的方式有多種形式如報告、辯論等等．學(xué)生通過對不同方案的比較得出問題解決的最理想結(jié)果．第4步,評價總結(jié).教師針對學(xué)生研究和討論過程作出評價,鼓勵學(xué)生提出更新穎的解決方案,糾正不合理的方法和錯誤的觀念．教師還可以引導(dǎo)學(xué)生對問題本身進行反思或者作出新的假設(shè),讓學(xué)生進行更深入的研究．

4 初中浮力教學(xué)設(shè)計中凸顯STEM教育的設(shè)計與實踐

浮力是初中物理中非常重要的教學(xué)內(nèi)容,人們對浮力這一節(jié)內(nèi)容進行過大量的教學(xué)設(shè)計．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,建立以問題為中心的STEM教學(xué)設(shè)計．

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

圖2 問題情境

問題情境的引入是要學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題、提出猜想．這里我們使用最常見的物品設(shè)計問題情境(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)問題．學(xué)生通過操作會發(fā)現(xiàn)啤酒罐無論以怎樣的形態(tài)放在水中都不會下沉,而飲料罐只有在底部的凹槽中有部分空氣未排出時才可能浮起來．這時,學(xué)生自然就會想到一個問題:物體在水中的沉浮與哪些因素有關(guān)?

4.2 合作探究:以問題為中心,開展實踐研究

圖3 實驗探究

教師要求學(xué)生聯(lián)系所學(xué)的知識,通過分組實驗來說明物體所受浮力與可能的影響因素之間的關(guān)系．此時,不同的學(xué)生會提出不同的方案,教師應(yīng)鼓勵他們完善實驗設(shè)計,將實驗付諸實踐,檢驗假設(shè)的合理性．其中一組采用易拉罐本身進行實驗來驗證浮力與體積之間的關(guān)系(圖3):測量其高度h和截面直徑d,并將高度均分為4份．實驗過程中,緩慢地將易拉罐浸到水中,每到一個刻度線,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)后畫出其在坐標圖中相應(yīng)的點,計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)軟件對數(shù)據(jù)進行擬合(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．忽略實驗誤差,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題或者完成項目,教師根據(jù)每個學(xué)生的不同特點進行分組,每個組有善于規(guī)劃的學(xué)生、數(shù)學(xué)成績突出的學(xué)生或是設(shè)計實驗?zāi)芰^好的學(xué)生．這樣分組有利于學(xué)生學(xué)會如何在團隊中展現(xiàn)自己的特長,培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力．此外,教師要鼓勵學(xué)生運用STEM方面的知識來解決問題,如上述小組的學(xué)生運用了數(shù)學(xué)公式和計算機輔助工具表達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,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)科知識間的整合,廣義上來講,也包括不同觀點的整合．在實驗探究過程中,每個小組的實驗設(shè)計和結(jié)果存在差異．教師需要針對存在的問題組織學(xué)生進行討論,讓學(xué)生相互交流實驗過程,通過分析反思等一系列過程得出一致的結(jié)論．此外,討論的范圍不局限于本節(jié)課研究的浮力問題,也可以延拓到其他知識點甚至其他領(lǐng)域,例如針對為什么體積相同的啤酒比飲料重的問題,有學(xué)生通過對比發(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,因而飲料罐會下沉,啤酒不會．再如,有學(xué)生根據(jù)易拉罐的沉浮構(gòu)想出制作簡易潛水艇的想法．總之,交流環(huán)節(jié)應(yīng)盡量做到在不偏離教學(xué)目標的條件下,讓學(xué)生自由發(fā)表觀點,而對別人的觀點也能做到合理公正的評判,這才能體現(xiàn)STEM教育的開放性．

4.4 評價反思:糾正錯誤觀念,深化研究內(nèi)容

在評價環(huán)節(jié),教師要對整節(jié)課進行評價總結(jié)．除了對新穎的探究方案、創(chuàng)新觀點提出鼓勵之外,還要對此過程中出現(xiàn)的錯誤觀念進行分析．學(xué)生的思維中有很多先驗的觀念,這些觀念大多來自學(xué)生日常的經(jīng)驗,有些帶有明顯的科學(xué)性錯誤．通過以學(xué)生為主導(dǎo)的探究和交流討論過程,可以初步判斷出學(xué)生在哪些概念上仍然存在錯誤的認識,例如有一部分學(xué)生始終認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)生進行研究和討論的過程中要善于發(fā)現(xiàn)他們在知識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)生在某一問題上仍然存在異議,教師可以采用做實驗或舉例子等不同的方式來糾正學(xué)生認知中的錯誤．此外,本節(jié)課的研究重點是在水中探究影響浮力的因素,為了更深入地研究,可以對初始的問題情境提出反思: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)是否會變化?

與傳統(tǒng)教學(xué)相比,STEM教育的優(yōu)勢在于充分認識到真實的研究過程的多元性和靈活性,認識到跨學(xué)科知識的重要性．在全球科技不斷進步的今天,選擇正確的教育發(fā)展道路對于學(xué)生的未來乃至國家的發(fā)展都是至關(guān)重要的．STEM教育結(jié)合當(dāng)代最先進的教育理論將學(xué)生的學(xué)習(xí)過程方法化、系統(tǒng)化、多元化,通過學(xué)生之間的合作,以探究實驗的方式充分調(diào)動學(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(吳國宏等譯). 認知心理學(xué)——認知科學(xué)與你的生活[M].北京:機械工業(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. 促進課內(nèi)外融合的STEM教育實踐與反思——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)目標的設(shè)置[J].物理教師，2013(12)：9-10.

2016-09-03)