劉 哲，裴健成，劉亞楠，陳雯歆，袁 琦，王春亮,

(東北師范大學(xué)a.物理學(xué)院；b.物理學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(東北師范大學(xué))，吉林 長春 130024)

近幾年，教育改革的大潮席卷而來，物理教育也逐漸重視應(yīng)用化、實(shí)踐化和生活化，最新提出的物理學(xué)科的核心素養(yǎng)表明：學(xué)生在接受物理教育的過程中，需要逐步形成適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，要讓學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化為物理感覺. 顯然簡單的公式記憶和應(yīng)試教育已不能滿足以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的物理科目學(xué)習(xí)要求. 如何提高學(xué)生動手創(chuàng)造、自主探究能力，怎樣讓學(xué)生更好地理解知識、應(yīng)用知識，進(jìn)而通過所學(xué)到的知識進(jìn)行創(chuàng)造，是教育者應(yīng)該思考的問題.STEAM教學(xué)模式就是在這種背景下產(chǎn)生的新興教育模式.

1 STEAM教學(xué)模式

STEM[1]，最早是美國政府提出的教育倡議，為加強(qiáng)美國K12關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)以及數(shù)學(xué)的教育. STEM是Science(科學(xué))、Technology(技術(shù))、Engineering(工程)、Mathematics(數(shù)學(xué))的簡稱，近期加入了Arts，也就是藝術(shù)，變得更加全面,形成全新的STEAM教育模式. STEAM教育[2]提倡新的教學(xué)方式：給學(xué)生一定的材料，設(shè)定1個目標(biāo)，讓他們動手制作感興趣的作品，并且利用與生活息息相關(guān)的知識，完成設(shè)定的目標(biāo)，進(jìn)而從這個過程體驗(yàn)學(xué)習(xí)的樂趣. 本質(zhì)上來說，整個過程學(xué)生傾聽了自己內(nèi)心的聲音，按照自己的思路和想法進(jìn)行創(chuàng)造，接觸到了更真實(shí)的生活. 這把學(xué)生學(xué)習(xí)到的零碎知識與機(jī)械工程轉(zhuǎn)變成從不同側(cè)面探究世界相互聯(lián)系的過程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在“雜亂無章”的學(xué)習(xí)情境中提升設(shè)計(jì)能力、合作能力、解決問題能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力.

STEAM教學(xué)模式作為一種教學(xué)策略，在實(shí)際應(yīng)用時，必須以解決現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際問題為目標(biāo)，以獨(dú)立思考為起點(diǎn)，動手實(shí)踐為核心.

2 STEAM教學(xué)應(yīng)用于電磁教學(xué)的實(shí)例

高中人教版物理教材選修3-1[3]當(dāng)中介紹了靜電場、恒定電流和磁場，學(xué)生學(xué)習(xí)后對電場和磁場的概念都有了一定了解，接下來對高中人教版物理教材[4]選修3-2電磁感應(yīng)和交變電流的學(xué)習(xí)，是繼文獻(xiàn)[3]之后的更深入學(xué)習(xí)和應(yīng)用. 這兩冊書中的重點(diǎn)和難點(diǎn)是使學(xué)生理解“電能生磁、磁能生電”，但書中電生磁的內(nèi)容基本是圍繞電流產(chǎn)生磁場的條件、判斷產(chǎn)生磁場方向及判斷通電導(dǎo)線和帶電粒子在磁場中受力的方向判斷和計(jì)算其大小展開的；磁生電的內(nèi)容基本圍繞判斷變化的磁場產(chǎn)生電流的方向和計(jì)算其大小展開，而實(shí)際應(yīng)用部分卻很少，與實(shí)際生活離之甚遠(yuǎn)，不能使學(xué)生通過具體應(yīng)用來鞏固理論知識，僅有的“電動機(jī)”實(shí)例構(gòu)造還較為復(fù)雜，無法使學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作來感知原理，所以造成了學(xué)生學(xué)習(xí)和理解上的障礙. 而STEAM教學(xué)模式具有運(yùn)用性強(qiáng)、探索性高、感知整合要求高、探索創(chuàng)新性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以剛好可以用于解決電磁學(xué)基礎(chǔ)知識教學(xué)后無應(yīng)用、難理解、整合力不高等問題.

若要將STEAM教學(xué)模式應(yīng)用于電磁教學(xué)中，就必須明確如何設(shè)計(jì)課堂程序才能更好地體現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)這5個方面的教育作用. 基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)模式出發(fā)，將課堂分為4個步驟，并在江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)高二年級進(jìn)行了具體實(shí)踐和調(diào)查.

1)方向引導(dǎo). 首先讓學(xué)生思考電動機(jī)在日常生活中的用途，并引導(dǎo)學(xué)生若要回答該問題，就要把電動機(jī)的功能和現(xiàn)實(shí)相聯(lián)系. 在生產(chǎn)生活中，電動機(jī)較為常見，是將電能轉(zhuǎn)化為動能的機(jī)器. 由“電動”二字就可以想到電流和轉(zhuǎn)動，緊接著就可以聯(lián)想到“通電導(dǎo)線在磁場中受力”這節(jié)課的內(nèi)容. 這樣的思考后，學(xué)生自然就會對電動機(jī)有了初步了解. 此時為學(xué)生設(shè)定本節(jié)課目標(biāo)：制作簡易的電動機(jī). (此過程用時3 min)

2)合作設(shè)計(jì). 考慮到STEAM教學(xué)模式實(shí)施時具有一定難度，因此建議以小組協(xié)作的方式展開. 為學(xué)生提供銅線、5號電池、圓形磁鐵、鉗子、貼紙等5種材料，讓學(xué)生先進(jìn)行初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，思考制作電動機(jī)的方法.

讓學(xué)生進(jìn)行自主探究，首先解決“能讓銅線自己動起來”這個問題. 很多組學(xué)生都想到將銅線和電池連接在一起，然后銅線中就產(chǎn)生了電流，學(xué)生們也可以感受到因?yàn)殡娏鞫a(chǎn)生出大量的焦耳熱. 之后，要想讓通電導(dǎo)線動起來，就要加上磁場的作用. 當(dāng)學(xué)習(xí)者有了切實(shí)可行的創(chuàng)造方案后，找到教師交流想法，此時教師聽到學(xué)生的想法后，不做可行性評價，僅做簡單的引導(dǎo)并指出其具體錯誤. (這部分包含了物理科學(xué)知識，讓學(xué)生將安培力加以具體實(shí)踐應(yīng)用，此過程用時3 min)

3)實(shí)際操作. 讓學(xué)生進(jìn)入到具體動手實(shí)踐環(huán)節(jié)，要求將設(shè)計(jì)方案在一定時間內(nèi)實(shí)施. 然而真正動手實(shí)踐往往與設(shè)計(jì)有一定的差距，可能會遇到很多意想不到的問題，例如，學(xué)生不知道如何將電池、銅線、磁鐵進(jìn)行組合才能使銅線自動轉(zhuǎn)動起來. 這時，設(shè)計(jì)解決方案就是一個特別重要的環(huán)節(jié)，一定要告訴學(xué)生按照實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)，不斷地探索新方法. 通過一定的引導(dǎo)，學(xué)生想到，將磁鐵吸于電池負(fù)極上，之后將銅線纏繞，一端接觸電池正極，一端接觸磁鐵(此磁鐵為導(dǎo)體，相當(dāng)于接觸電池負(fù)極)，這樣就將銅線、電池、磁鐵構(gòu)成了一個整體(這個過程涉及到物理動力學(xué)知識、工程設(shè)計(jì)能力、實(shí)施技術(shù)可行性分析). 經(jīng)過以上學(xué)生自主探究和操作改進(jìn)，由最先開始銅線無法轉(zhuǎn)動，到最后真的實(shí)現(xiàn)了讓銅線自主轉(zhuǎn)動起來. (整個過程經(jīng)歷了15 min)

當(dāng)有1組學(xué)生成功設(shè)計(jì)出作品后，其他組學(xué)生都會進(jìn)行效仿和參考. 此時教師要讓大家一起學(xué)習(xí)和研究銅線轉(zhuǎn)動的原理和設(shè)計(jì)思路，并思考：設(shè)計(jì)出來的這個作品是否有需要改進(jìn)之處.

大家發(fā)現(xiàn)：因?yàn)殂~線與電池正極接觸不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)動一定時間后，銅錢就會脫離正極，停止轉(zhuǎn)動. 為此，學(xué)生想出將貼紙進(jìn)行裁剪，圍繞在電池正極，形成與類似柵欄的結(jié)構(gòu). 這樣銅線就會在柵欄內(nèi)運(yùn)動，不會與正極脫離. (此部分進(jìn)一步要求學(xué)生發(fā)揮工程設(shè)計(jì)能力以及技術(shù)操作能力)

在解決了銅線轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性問題的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了進(jìn)一步探究，提高銅線的轉(zhuǎn)速.

學(xué)生為了提高電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，就想到增大安培力，又因?yàn)镕=ILBsinθ(θ為I和B的夾角)，所以學(xué)生想出增大電流、增大磁場、減小摩擦力等多種方法.

此時教師可以讓學(xué)生們按照增大磁場的思路進(jìn)一步探究磁鐵個數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系. 學(xué)生通過測量1 min內(nèi)銅線轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，計(jì)算出銅線的轉(zhuǎn)速，并成功測量出不同磁鐵個數(shù)下銅線的轉(zhuǎn)速，繪制其曲線圖(如圖1所示).

圖1 銅線轉(zhuǎn)速與磁鐵個數(shù)的半定量關(guān)系

通過繪出轉(zhuǎn)速隨磁鐵個數(shù)變化曲線后發(fā)現(xiàn)，磁鐵從6個增加到9個的過程中，隨著磁鐵的個數(shù)增加，轉(zhuǎn)速逐漸增大，可是并不成線性增大. 當(dāng)計(jì)算出第10個磁鐵轉(zhuǎn)速時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速突然下降. 為了避免偶然性，又重新測量了10個磁鐵時的轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速更小了，學(xué)生們認(rèn)為可能是因?yàn)榫€圈在轉(zhuǎn)動過程中消耗了大量的電能，使電池有了很大的損耗造成的. (此過程鍛煉了學(xué)生的數(shù)學(xué)測量、計(jì)算能力，同時也鍛煉了學(xué)生思考實(shí)際問題的能力)

有1組學(xué)生為了提高轉(zhuǎn)速，減小整個裝置的摩擦，設(shè)計(jì)了這樣的電動機(jī)裝置：纏繞銅線成多層正方形(增大了通電導(dǎo)線在磁場中的長度)，為線圈和電池搭建支架，線圈只有2個點(diǎn)與支架接觸，減小了接觸面積從而減小了裝置的摩擦力，整個裝置接上電池后有了電流，將磁鐵靠近后，通電線圈瘋狂轉(zhuǎn)動了起來.

為了進(jìn)一步加深作品的藝術(shù)性，讓其看起來更加美觀，讓學(xué)生再次進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì).

有1組學(xué)生巧妙地將銅線環(huán)繞成愛心的形狀，之后放到電池上構(gòu)成回路，在磁場作用下環(huán)繞了起來，外形大方且充滿創(chuàng)造力. 裝置外觀得到了改觀，藝術(shù)性得以體現(xiàn)(如圖2所示). (這個過程增添了對學(xué)生藝術(shù)能力的要求，讓其更加有興趣融入到設(shè)計(jì)當(dāng)中，該過程進(jìn)行了15 min)

圖2 心形作品

4)總結(jié)反思. 此階段分為2個方面進(jìn)行：一方面深入探討銅線轉(zhuǎn)動的本質(zhì)原因；另一方面探討制作過程的收獲與經(jīng)驗(yàn).

在討論銅線轉(zhuǎn)動的階段，學(xué)生自主上臺發(fā)言并繪制示意圖，總結(jié)出：導(dǎo)線連接了電池的正負(fù)極，從而產(chǎn)生電流，在導(dǎo)線下方放置磁鐵，使整個裝置處于磁場中，電流產(chǎn)生磁場，利用磁場的相互作用產(chǎn)生力的作用，根據(jù)左手定則判斷安培力的方向，發(fā)現(xiàn)兩線圈產(chǎn)生力矩相反，剛好使線圈轉(zhuǎn)動起來. (此環(huán)節(jié)用時4 min)

3 STEAM在電磁教學(xué)當(dāng)中的價值與意義

動、力、溫、距、樂、視、時是我們感知這個物質(zhì)世界最重要的感知覺，運(yùn)動、受力與施力、溫度、距離、音樂、時間貫穿了整個物理的世界[5]，物理源于生活，生活處處有物理，物理有趣的不僅僅是神奇的自然和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更重要的是它能夠揭開物質(zhì)世界的神秘面紗. 可是由于要面對高考分?jǐn)?shù)的壓力，學(xué)生們卻對物理學(xué)科敬而遠(yuǎn)之，覺得物理學(xué)習(xí)枯燥乏味、艱苦難行、邏輯要求高，究其原因一定程度上受傳統(tǒng)物理教學(xué)的影響，本來以實(shí)驗(yàn)為主要形式的學(xué)科，卻變成教師講學(xué)生記，一紙一筆的應(yīng)試教育. 所以，若想要改變尷尬的現(xiàn)狀，并不應(yīng)該一味責(zé)難制度的不完善和學(xué)生畏難從易的心理，物理教育者應(yīng)該重新審視自身的教學(xué)，改變乏味陳舊的物理教育方法，尋求探索新的教學(xué)途徑，讓學(xué)生對物理有興趣、有信心，讓物理感覺成為學(xué)生心中必不可少的元素，成為一生的素養(yǎng)，讓學(xué)生成為敢于提問的人. STEAM作為一種強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造的教學(xué)模式，在物理教學(xué)中是回歸物理本質(zhì)教學(xué)思想的體現(xiàn). 其在我國掀起的教育改革浪潮，讓我們看到了物理教學(xué)的發(fā)展模式的多樣性.

3.1 潛心理解原理，更要注重實(shí)踐

“學(xué)過”、“學(xué)懂”和“學(xué)會”是學(xué)習(xí)的3種不同的境界. 在電磁學(xué)學(xué)習(xí)階段，學(xué)習(xí)的有關(guān)電生磁、磁生電的相關(guān)知識，死記硬背的確能夠按照套路進(jìn)行解題，不過這種知識的應(yīng)用僅僅是停留在知識的表面，絕大多數(shù)學(xué)生根本不理解為什么要這樣做，有了這樣的知識儲備，在生活中也不知道有怎樣應(yīng)用，經(jīng)過時間的流逝，這種表層的記憶也會慢慢消逝，再看到相關(guān)的生活現(xiàn)象，也只能胡亂猜測或是驚嘆其神奇，此為“學(xué)過”. STEAM恰巧解決了這樣的尷尬情況，讓學(xué)生自主探索，靈活應(yīng)用，將學(xué)到的知識內(nèi)化，經(jīng)過反復(fù)思考、反復(fù)應(yīng)用之后，在以后生活中再遇到相似的問題，可以聯(lián)想到當(dāng)初學(xué)到的知識，還可能給他人講解原理，此為“學(xué)懂”. 通過STEAM的體驗(yàn)感受激發(fā)了這方面的學(xué)習(xí)興趣，不斷鉆研，作為自己人生的研究方向，在此創(chuàng)新，應(yīng)用于生活，融匯貫通，此為“學(xué)會”. 經(jīng)過本節(jié)課程的訓(xùn)練，收到了來自學(xué)生很多的課堂回饋，有學(xué)生說通過此節(jié)課加深了對安培力的理解，有學(xué)生說真沒想到復(fù)雜的電動機(jī)竟然通過這么簡單的幾種生活常見的材料就可以制作出來，甚至有學(xué)生說通過本節(jié)課愛上了動手制作，以后到大學(xué)要學(xué)習(xí)工科. 因此，STEAM應(yīng)用于電磁教學(xué)當(dāng)中，承擔(dān)了鞏固的踏板、搭建興趣的橋梁、探索的基石的作用.

3.2 統(tǒng)籌整合，強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)

教師在講解新課時，常舉生活中常見的例子進(jìn)行引課，可是這種引課屬于“只有開頭，沒有結(jié)局”. STEAM教學(xué)模式能夠在讓學(xué)生們聯(lián)想生活的同時，結(jié)合自己學(xué)習(xí)到的原理進(jìn)行思考和應(yīng)用，雖然學(xué)生們制作出來的作品有很多都是現(xiàn)成商品的“山寨版”，可是不要小看這種看似“山寨版”的創(chuàng)作，因?yàn)閷?shí)際的創(chuàng)新過程，必須存在“復(fù)制”的過渡階段，這是摸清原理、鞏固知識、發(fā)現(xiàn)缺陷問題的絕佳時期，并且此過程很大程度上鍛煉了學(xué)生“整合跨界能力”，避免了“知識孤立，單項(xiàng)獨(dú)行”的情況，讓學(xué)生將自己所積累的知識(無論是課本上學(xué)到的，還是生活當(dāng)中積累的)，盡力應(yīng)用到作品中. 唯有這樣，才能體現(xiàn)“實(shí)踐出真知”的道理，才可能有更大的創(chuàng)新，突發(fā)奇想，是少見的，不易成功的，所以，一點(diǎn)一滴的探索，不斷地統(tǒng)籌整合，才能有長足的發(fā)展.

在STEAM教學(xué)模式下的課堂，教師指導(dǎo)學(xué)生實(shí)際探索目標(biāo)的過程中，“教師講，學(xué)生聽”的情況也有了很大程度的改變，這時學(xué)生成為了“主體”，自己對知識進(jìn)行回憶和應(yīng)用，自己進(jìn)行可行性評價和分析，而教師僅僅需要提出建議，擔(dān)當(dāng)“主導(dǎo)”的角色，教師也絕對不能因?yàn)閷W(xué)生出現(xiàn)很多問題而中斷學(xué)生的自主性行為，因?yàn)殄e誤的寶貴性和啟發(fā)性遠(yuǎn)比成功的作品有價值得多. 與此同時，作為教師，還要不斷指出學(xué)生美中不足的地方，讓其持續(xù)思考，不斷改進(jìn)，養(yǎng)成臻于完美的制作理念.

3.3 正視合作探討的價值，強(qiáng)調(diào)反思的意義

課堂討論、共同合作的學(xué)習(xí)方式越來越為教育者重視，但在實(shí)踐過程中卻出現(xiàn)很多貌合神離的現(xiàn)象. 現(xiàn)如今課堂上的小組討論形式多種多樣，可是不免形式化泛濫，只因討論的話題和內(nèi)容并不能激發(fā)學(xué)生真正想探討問題的興趣. 教師也沒有對這種學(xué)習(xí)方式進(jìn)行深入地研究和探索，所以不能很好地把握其在課堂中開展的要素及相應(yīng)的教學(xué)方法，學(xué)生停留在問題的表面，亦或是佯裝出討論的樣子，更有甚者借著討論之名談?wù)撈渌氖虑?，失去了討論的價值與意義. STEAM教學(xué)模式下，學(xué)生因?yàn)楫a(chǎn)生了想與本組成員合作制造出作品的興趣，所以排除了外部的因素，內(nèi)化的動力更強(qiáng)，而且在制作過程中，會遇到各種各樣的問題，因此大家為了解決同一個問題，會各抒己見，發(fā)揮每個人的生活經(jīng)驗(yàn)，講理由擺道理，到最終統(tǒng)一意見，進(jìn)行實(shí)施操作. 整個過程實(shí)質(zhì)上在重復(fù)這樣的過程：發(fā)現(xiàn)問題—設(shè)計(jì)解決方法—利用科學(xué)、科技、工程和數(shù)學(xué)等知識解決問題—在藝術(shù)性上對作品進(jìn)行規(guī)范. 在此過程中團(tuán)隊(duì)合作顯得異常重要，因?yàn)椴煌藦牟煌嵌葘栴}進(jìn)行理解，使制作過程更加嚴(yán)謹(jǐn)，更具有可能性與豐富性. 真正引發(fā)了學(xué)生的思考，調(diào)動了學(xué)生的積極性. 而在制作出成品后，無論成功還是失敗，都要進(jìn)行反思，反思是在完成一件事情后，對事情的重新思考和評價，是吸取經(jīng)驗(yàn)和規(guī)避雷同問題的很好的途徑，最終不僅僅停留在制作出心滿意足的作品上，更多的是對問題的思考和生活問題最優(yōu)化、合理化、真實(shí)化的運(yùn)用，強(qiáng)調(diào)的是思考問題的方法. 所以反思，是必不可少的環(huán)節(jié).

4 結(jié)束語

STEAM教學(xué)模式，重實(shí)踐，要創(chuàng)造。此教學(xué)模式在我國剛剛興起，無論是教學(xué)內(nèi)容還是教學(xué)模式都需要不斷地探索，在我國有著巨大的發(fā)展空間和強(qiáng)大的生命力. 本文將STEAM教學(xué)模式具體應(yīng)用于了“通電導(dǎo)線在磁場中受到的力”一課中，在老師的引導(dǎo)下，學(xué)生通過實(shí)踐創(chuàng)造，成功制造出了造型各異的簡易電動機(jī)，激發(fā)了學(xué)生興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力. 望本文能為致力于物理教學(xué)的一線教師提供一些教學(xué)參考.

[1] 鐘柏昌，張麗芳. 美國STEM教育變革中“變革方程”的作用及其啟示[J]. 中國電化教育，2014(4):18-86.

[2] 傅騫，劉鵬飛. 從驗(yàn)證到創(chuàng)造——中小學(xué)STEM教育應(yīng)用模式研究[J]. 中國電化教育，2016(4)：71-105.

[3] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(選修3-1)[M]. 北京：人民教育出版社：1-33,79-99.

[4] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(選修3-2)[M]. 北京：人民教育出版社：1-26.

[5] 于海波. 返璞歸真:讓物理感覺成為教學(xué)的內(nèi)在追求[J]. 天津師范大學(xué)學(xué)報(bào) (基礎(chǔ)教育版),2011,12(4):42-45.