曹 陽 張軼炳 蘇義梅

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

STEM教育源于美國,為科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個領(lǐng)域教與學(xué)的理論與實踐科目.隨著社會各行各業(yè)對人才整體質(zhì)量要求的不斷提高,STEM教育已經(jīng)成為了全球各地教育專家和學(xué)者們關(guān)注的熱點話題[1].

2017年6月20日,中央教科院發(fā)布了《中國STEM教育白皮書》[2],其中提出:“STEM 教育應(yīng)該納入國家創(chuàng)新型人才培養(yǎng)戰(zhàn)略;STEM教育是一場國家終身學(xué)習(xí)活動;STEM教育是跨學(xué)科、跨學(xué)段的連貫課程群;STEM教育是面向所有學(xué)生的培養(yǎng)綜合素質(zhì)的載體;STEM教育是全社會共同參與的教育創(chuàng)新實踐.”

STEM課程是實現(xiàn)STEM教育的基本途徑,物理學(xué)作為其他自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ),又是與生活生產(chǎn)息息相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科,在物理中滲透STEM教育理念尤為適合.教育部于2017年頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》[3],但與之匹配并滲透STEM教育理念的物理教材仍未出版,所以對于教育者來說需要整合多方資源進行設(shè)計教學(xué).基于此,筆者選取了高中物理“動量”部分知識,并且針對中英兩國本部分知識基于STEM教育視野進行微觀對比,取其精華,希望為設(shè)計出真正意義上的STEM課程提供借鑒.

1 對比研究

1.1 研究對象

動量部分是高中物理教學(xué)中的重點及難點,且是聯(lián)系動力學(xué)由“宏觀低速”邁向“微觀高速”的橋梁,具有重要意義.本節(jié)課與科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程及技術(shù)聯(lián)系密切,是一節(jié)典型的STEM課程,筆者現(xiàn)針對中國教材人教版高中物理選修3-5(以下簡稱中國教材),英國教材A Level Physics(以下簡稱英國教材)進行對比研究,旨在取長補短,為STEM課程有效開展提供參考.

1.2 教學(xué)目標(biāo)對比

STEM教育倡導(dǎo)跨學(xué)科的整合教育,培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于解決實際問題的能力,工程思維以及科學(xué)探究精神.STEM教育理念與兩國課

表1 中英對“動量”部分教學(xué)目標(biāo)對比

程標(biāo)準(zhǔn)提出素養(yǎng)均有較大程度的符合.而從中國《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017)和英國《考試大綱》中對本節(jié)課的要求(表1)可以看出,中國教材教學(xué)目標(biāo)更傾向于利用科學(xué)探究促進學(xué)生學(xué)科理解,而英國教材則更傾向于利用情境學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生利用學(xué)科知識解決實際問題的能力.

1.3 中英教材對比

1.3.1 導(dǎo)入對比

英國:教材中將“動量”直接作為描述運動的另一種方法直接給出,即數(shù)學(xué)上將質(zhì)量與速度的乘積定義為動量,用字母p來表示.

1.3.2 知識點及知識呈現(xiàn)順序

圖1 中國教材“動量”整章知識結(jié)構(gòu)圖(虛線框內(nèi)為“動量”一節(jié)的知識流程圖)

圖2 英國教材本節(jié)知識結(jié)構(gòu)圖

1.3.3 重難點突破的方法

中國

實驗:教材中利用3個探究實驗探究物體碰撞前后的不變量,進而得到動量的定義及公式,并通過物理學(xué)史介紹了動量的發(fā)展歷程(圖3).

圖3 中國教材呈現(xiàn)的“動量”發(fā)展歷程

英國

首先,以牛頓第二定律的另外一種描述,并通過公式推導(dǎo),引入沖量,并且在教材的一側(cè)選用較大篇幅附有牛頓相關(guān)表述的原文,讓學(xué)生親眼所見,親身所感.其次,利用例題突破難點,計算沖力.大量事實說明如何通過動量的變化及碰撞的時間計算沖力,理解沖力在日常生活中的很多有利及不利的應(yīng)用.最后,通過實驗,利用傳感器測量不同時刻的動量,畫出時間和動量的曲線,計算不同時刻的力,驗證物體動量的變化率是物體受到的力.

圖4 英國教材章首知識與技能目標(biāo)導(dǎo)圖

對于動量與沖量的關(guān)系,以高爾夫球從運動到靜止或者從靜止加速到一定的速度的生活情境,引導(dǎo)學(xué)生從另一方面考慮動量,即這一運動過程中,物體受到的力和力作用在物體上的時間.為了使物體從運動到靜止,需要轉(zhuǎn)移物體的所有動量,計算出物體靜止需要的沖量,知道力作用在物體上的時間,就可以計算沖力的大小,由此對沖力有進一步的認(rèn)識.

碰撞時一維運動守恒.突破守恒條件,不受外力.解釋如果有外力,碰撞系統(tǒng)的動量還與外力有關(guān).舉例說明豎直落向地面的球,球會碰撞反彈,但反彈幾次球最終會靜止在地面上因此動量不守恒.

二維運動動量守恒,講解幾個方向的碰撞.爆炸,類爆炸運動的動量守恒.水平方向沒有外力重力,因此動量守恒.但豎直方向重力會產(chǎn)生新的動量,與原動量p不守恒.

牛頓第三定律:相互作用力相等,但動量的變化率不相同.所以高空的球落向地面,而地球卻紋絲不動.

1.3.4 習(xí)題對比

中國:課后“做一做”欄目,要求用動能E導(dǎo)出動量的公式,意圖將動量與能量之間的密切關(guān)系應(yīng)用于粒子的微觀研究,為后三章近代物理的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).此外,課后習(xí)題共有6道,題型有選擇、計算與簡答.多采用“習(xí)題化”的語言,脫離真實問題情景,習(xí)題難度較低,與中國高考難度不相符,所以在實際教學(xué)中主要通過大量課外習(xí)題進行知識鞏固及學(xué)生知識掌握情況的反饋.

英國:課后習(xí)題共有12道,題型多樣,除計算外,還有簡答和問答題, 以生活中某個現(xiàn)象和事物為切入點,深入分析其中的物理過程和原理[5],且允許計算器的使用,與英國的高考銜接較緊密.

1.3.5 總結(jié)

首先,中國教材邏輯嚴(yán)謹(jǐn),環(huán)環(huán)相扣,教材敘述理性客觀.但中國教材總怕超綱,很多東西不講,不講反而讓學(xué)生不知道來龍去脈,成了死記硬背,停留在知識記憶階段.其次,導(dǎo)入部分采用科學(xué)探究實驗,有利于通過學(xué)科探究走向?qū)W科理解,但該實驗也有一定的不合理之處,本節(jié)課探究運動過程中的不變量,可能的結(jié)論過多,且方案二與方案三實驗誤差較大,學(xué)生很難得到正確結(jié)論,科學(xué)探究應(yīng)是具體情況而定,不可“新瓶裝老酒”,“為了探究而探究”.再次,例題、習(xí)題中的物理情景大多采用“理想化、習(xí)題化”的語言,脫離了真實的生活問題情境,不利于培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力.最后,教材給教師預(yù)留了很大的發(fā)揮空間以進行設(shè)計教學(xué),較為注重計算能力的培養(yǎng)以及數(shù)學(xué)模型的建立,即科學(xué)、數(shù)學(xué)的培養(yǎng),與生產(chǎn)生活實踐以及技術(shù)、工程聯(lián)系較少.

而英國教材知識廣度大,內(nèi)容與生活實際聯(lián)系緊密,語言平實,娓娓道來,具有趣味性,利于學(xué)生自學(xué).但邏輯性不夠嚴(yán)謹(jǐn),概念分布較為發(fā)散,知識之間的相互聯(lián)系不強,缺少系統(tǒng)性.其次,教材中的兩個實驗均為驗證性實驗,缺少對學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng).再次,習(xí)題、例題均嵌入真實生活情境,有助于學(xué)生利用學(xué)習(xí)的物理知識解釋生活現(xiàn)象,解決實際問題.最后,教材中利用符號、數(shù)學(xué)模型表征物理知識的歸納思維較少,沒有充分利用數(shù)學(xué)知識在物理中的輔助作用.

2 本節(jié)課教材中涉及到的STEM教育理念

中英教材對STEM教育均有所滲透,但呈現(xiàn)方式及側(cè)重點均有所不同(詳見表2).

表2 中英物理教材“動量”部分STEM教育理念的滲透

3 各自的優(yōu)勢與不足

中國教材的優(yōu)勢:編排風(fēng)格趨向于螺線型,對于核心概念、難點概念展開深度探究,注重知識間的有機聯(lián)系(圖1).語言邏輯嚴(yán)謹(jǐn),理性客觀,注重科學(xué)性,善于建立簡單的數(shù)學(xué)模型表征復(fù)雜的物理概念,物理規(guī)律等,注重數(shù)學(xué)知識在物理中的應(yīng)用.多處使用物理學(xué)史建構(gòu)知識,同時起到培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任意識.

中國教材的不足:習(xí)題、例題不基于真實的實踐情景,多以“習(xí)題化”的語言表述,脫離實際,不利于實現(xiàn)“學(xué)科世界與生活世界”、“學(xué)科實踐與生活實踐”的雙向融合.探究實驗不夠成熟,科學(xué)探究并不意味著“說”的越少就越貼近探究,我國教材沒有提供給學(xué)生適當(dāng)?shù)闹R儲備,實驗步驟,缺少有效問題誘導(dǎo)學(xué)生進行知識建構(gòu),沒有數(shù)據(jù)記錄、定量分析、檢驗假設(shè)等過程,探究的重心更傾向于結(jié)果,不注重原因與過程.

英國教材的優(yōu)勢:編排風(fēng)格上更傾向于直線式,遵循一種連貫的、典型的學(xué)習(xí)路徑的描述,呈現(xiàn)為圍繞核心概念“動量”展開的一系列又簡單到復(fù)雜,相互聯(lián)系的概念序列(圖2).語言多以第一、二人稱為主,循循善誘,代入感強.以驗證性的實驗支撐理論,基于真實問題情景,促進學(xué)生經(jīng)歷“動量”知識誕生過程,更加注重學(xué)科知識的生活意義,強調(diào)運用現(xiàn)代信息技術(shù)如電子表格、計算機輔助實驗,注重與工程之間的聯(lián)系.例題、習(xí)題作為運用物理理論知識解決生活實際的模擬形式出現(xiàn).章首有章節(jié)知識與技能目標(biāo)導(dǎo)圖(圖4),提前告知目標(biāo),通過圖示的方式更加直觀的建立起概念之間的有機聯(lián)系,使碎片化的知識整體化.

英國教材的不足:對于一些核心概念及重難點強化不夠,部分物理規(guī)律沒有進一步提煉成簡單的數(shù)學(xué)模型,部分公式也沒有采用簡便的符號表征.不夠重視通過數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)來訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生化簡、推理和歸納等思維和方法.

4 總結(jié)

通過對比可以發(fā)現(xiàn),無論是中國還是英國的物理教材,滲透的STEM教育理念更多是關(guān)于“科學(xué)”“數(shù)學(xué)”的內(nèi)容,“工程”與“技術(shù)”較少且停留在表面,如何在STEM課程中將科學(xué)和數(shù)學(xué)滲透到技術(shù)與工程的設(shè)計過程中,設(shè)計出基于真實問題情境,以工程設(shè)計為導(dǎo)向,數(shù)學(xué)作為輔助工具,應(yīng)用學(xué)生正在學(xué)習(xí)的科學(xué)知識解決實際問題的STEM課程,還需要我們整合多方資源進一步努力探索.