馬瑛瑛 劉健智

摘 要：為了保證STEM教育更具操作性，物理教學(xué)中融入STEM教育是一條合適的路徑?；赑BL教學(xué)的以問(wèn)題及其解決為線索的教學(xué)模式，再融入技術(shù)環(huán)節(jié)，可形成物理探究型STEM教學(xué)模式，該模式主要包括組建小組、提出STEM探究問(wèn)題、解決問(wèn)題、問(wèn)題拓展、總結(jié)交流五個(gè)環(huán)節(jié)。以初中物理“探究電動(dòng)機(jī)工作原理”為例，介紹了探究型STEM教學(xué)模式下的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了教學(xué)反思。

關(guān)鍵詞：STEM教育;中學(xué)物理;探究型STEM;教學(xué)模式;電動(dòng)機(jī)工作原理

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）1-0065-5

為了應(yīng)對(duì)智能制造時(shí)代，培養(yǎng)復(fù)合型、技能型與創(chuàng)新型人才的STEM教育應(yīng)運(yùn)而生，我國(guó)推出了很多成功的STEM教育的案例[1-4]。STEM教育有三種課程路徑：選修課程、綜合課程和基于某一學(xué)科的教學(xué)模式[2]。我們認(rèn)為，第三種路徑最優(yōu)，因?yàn)檫@種模式可以促進(jìn)大多數(shù)教師STEM素養(yǎng)的提升;可以讓STEM教育的受眾為全體學(xué)生;可以避免課程數(shù)量增多導(dǎo)致學(xué)生負(fù)擔(dān)增加的弊端。物理適合融入STEM教育是因?yàn)樗cSTEM聯(lián)系緊密，物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)體現(xiàn)了科-工整合的思想[3]。因此，有必要構(gòu)建有效的基于物理教學(xué)的STEM教學(xué)模式。

我們贊同將STEM教育的應(yīng)用模式分成驗(yàn)證、探究、制造和創(chuàng)造四大類型[4]，因?yàn)轵?yàn)證型側(cè)重科-數(shù)整合，探究型側(cè)重科-技整合，制造型側(cè)重科-工整合，創(chuàng)造型則注重全面整合和學(xué)生創(chuàng)意的實(shí)現(xiàn)。從驗(yàn)證到創(chuàng)造逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，逐步將學(xué)生從“技能型”培養(yǎng)成“創(chuàng)造型”的人才。

1? ? 從驗(yàn)證型到探究型物理STEM教學(xué)模式

探究型STEM教學(xué)是將探究式教學(xué)與STEM教育理念進(jìn)行整合后的一種新的教學(xué)策略或方式，是在獲取物理知識(shí)的基礎(chǔ)上，突出知識(shí)的關(guān)聯(lián)性、廣泛性和融合性。它是以問(wèn)題為切入點(diǎn)、以問(wèn)題鏈為核心、以問(wèn)題解決為主線，側(cè)重于科-技整合，在問(wèn)題的解決過(guò)程中自然地讓學(xué)生體驗(yàn)、領(lǐng)悟?qū)W科融合的思想，建立學(xué)科間的橫向聯(lián)系，增強(qiáng)STEM素養(yǎng)，為提升創(chuàng)造力鋪平道路。

從驗(yàn)證型到探究型的過(guò)渡，主要體現(xiàn)在問(wèn)題的提出、能力的提升、教學(xué)的組織這幾個(gè)方面，體現(xiàn)了認(rèn)知的進(jìn)階，見(jiàn)表1。

2? ? 基于PBL的物理探究型STEM教學(xué)模式

探究型教學(xué)以問(wèn)題解決為課堂主線，我們主要借鑒PBL（problem-based learning）項(xiàng)目學(xué)習(xí)法[5]構(gòu)建探究型STEM教學(xué)模式。

2.1? ? PBL教學(xué)與STEM理念不謀而合

與傳統(tǒng)的LBL（lecture-based learning，基于授課的學(xué)習(xí)）[6]相比，從STEM視角看，PBL教學(xué)模式具有以下具體功能。

（1）培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)。以問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，每節(jié)課均有一個(gè)中心主題即主問(wèn)題，例如，“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”的主問(wèn)題是“如何尋找日常生活中的圓周運(yùn)動(dòng)的向心力”;“加速度”的主問(wèn)題是“探究速度變化快慢的描述方法”。以問(wèn)題及其解決為課堂教學(xué)思路，這與STEM教學(xué)是一致的。

（2）培養(yǎng)問(wèn)題的解決能力。PBL教學(xué)中，主問(wèn)題由若干問(wèn)題鏈即小問(wèn)題構(gòu)成，每個(gè)問(wèn)題的解決過(guò)程都是培養(yǎng)問(wèn)題解決能力的過(guò)程。例如，“加速度”的教學(xué)基本思路是[7]：①提出問(wèn)題：速度變化快慢如何描述;②探究問(wèn)題：用比值描述;③解決問(wèn)題：這個(gè)比值被定義為加速度;④引發(fā)新問(wèn)題：加速度的方向，拓展延伸。得到了能夠描述速度變化快慢的比值，問(wèn)題就得到了解決?？梢耘囵B(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力，如提出問(wèn)題、確定思路和歸納總結(jié)的能力，也可以提升科學(xué)探究中的問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

（3）問(wèn)題解決即探究過(guò)程。探究分為狹義的實(shí)驗(yàn)探究和廣義的理論探究。探究的問(wèn)題都是學(xué)生在之前沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)的新知識(shí)，就PBL教學(xué)來(lái)說(shuō)，探究的問(wèn)題就是要通過(guò)探究后解決的問(wèn)題，如上述“加速度”的PBL教學(xué)活動(dòng)就是理論探究，通過(guò)科學(xué)推理得出“速度變化的快慢可以用速度的變化量與所用時(shí)間的比值來(lái)描述”。

（4）提高教師的教學(xué)設(shè)計(jì)能力。PBL教學(xué)模式中的主問(wèn)題和小問(wèn)題鏈?zhǔn)墙虒W(xué)的“大抓手”和“小抓手”，它們構(gòu)建了教學(xué)內(nèi)容和環(huán)節(jié)，“小抓手”為教師有效組織和設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)提供了很好的邏輯思路。對(duì)教師來(lái)說(shuō)，利用PBL教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，要提出具有探究或需要解決的問(wèn)題，并預(yù)設(shè)問(wèn)題解決過(guò)程中的問(wèn)題鏈，因此能夠培養(yǎng)教師的教學(xué)設(shè)計(jì)能力。

（5）為探究型教學(xué)提供現(xiàn)實(shí)支持?；谝陨系挠懻摚琍BL教學(xué)模式對(duì)以學(xué)科融合為重要特點(diǎn)的STEM教學(xué)提供了一種新的思路，如果在PBL教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，以物理問(wèn)題為主線，突出科-技整合的內(nèi)容，且“以問(wèn)題為經(jīng)，以學(xué)科為緯”[8]加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的探究性，就可以構(gòu)建探究型物理STEM教學(xué)模式。

2.2? ? 探究型STEM教學(xué)模式的構(gòu)建

基于PBL教學(xué)模式，我們構(gòu)建出探究型STEM教學(xué)模式的以下幾個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。

（1）組建小組。可自由分組，但要注意小組成員知識(shí)和能力的差異，如小組內(nèi)有的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)好、有的思維活躍、有的動(dòng)手能力強(qiáng)、有的做事耐心細(xì)致。

（2）提出問(wèn)題。問(wèn)題要由學(xué)生在教師的引導(dǎo)下根據(jù)具體情境自己提出，所以需要教師創(chuàng)設(shè)情境。問(wèn)題可以是項(xiàng)目形式，需要教師積極挖掘身邊素材。問(wèn)題的設(shè)置既要聯(lián)系教學(xué)內(nèi)容，還要能夠激發(fā)學(xué)生的探究欲望，適應(yīng)學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)。

例如，筆者之前在學(xué)校開(kāi)展過(guò)一節(jié)“探究磁懸浮的奧秘”，它的背景是速度可達(dá)500 km/h的“超級(jí)高鐵”。要有更快的運(yùn)行速度，就需要將列車(chē)與軌道間的摩擦力降低，而磁懸浮技術(shù)的發(fā)展為該項(xiàng)發(fā)明提供了思路，且還具有能耗低、噪音小的優(yōu)點(diǎn)。學(xué)生在進(jìn)入電與磁的學(xué)習(xí)時(shí)，就可以拓展一節(jié)探究型STEM教學(xué)“磁懸浮技術(shù)”，將它“搬”到實(shí)驗(yàn)室或教室，探究如何實(shí)現(xiàn)懸浮。如果把“列車(chē)”換成“手頭的筆”，是否可以成為“懸浮筆”的問(wèn)題。

那么，接下來(lái)整個(gè)課堂活動(dòng)都是為了解決這個(gè)問(wèn)題。

（3）解決問(wèn)題。這一步驟包括確定方案、實(shí)施方案和問(wèn)題解決幾個(gè)環(huán)節(jié)。

確定方案：?jiǎn)栴}提出后，在教師的引導(dǎo)和幫助下，或者小組之間比較各種方案的優(yōu)劣后，確定最合適的方案。

實(shí)施方案和問(wèn)題解決：按照預(yù)定的解決問(wèn)題的方案來(lái)進(jìn)行。在解決問(wèn)題的過(guò)程中遇到若干小問(wèn)題時(shí)，需要調(diào)動(dòng)已有的知識(shí)和能力進(jìn)行解決。解決了若干小問(wèn)題，主問(wèn)題自然被解決。如果問(wèn)題沒(méi)有得到解決，嘗試重新確定方案，再實(shí)施方案。

在這一階段，教師可以根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平靈活處理。比如，在上個(gè)案例中，筆者為了降低難度，避免學(xué)生操作時(shí)一頭霧水，先讓學(xué)生觀看懸浮筆的組裝視頻，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料確定方案：第一步，搭建底座磁場(chǎng);第二步，搭建“磁性筆”。

（4）問(wèn)題拓展。上一個(gè)問(wèn)題得到解決后，通常會(huì)呈現(xiàn)出新的問(wèn)題。解決拓展的新問(wèn)題這個(gè)過(guò)程又重新進(jìn)入上個(gè)環(huán)節(jié)。

例如，改變底座某幾塊圓形磁鐵的朝向，是否可以實(shí)現(xiàn)筆的懸浮？

（5）總結(jié)交流。這是一個(gè)開(kāi)放性環(huán)節(jié)，可以組內(nèi)交流，組組交流。交流的主題可以結(jié)合動(dòng)手探究活動(dòng)的過(guò)程性體驗(yàn)，也可以對(duì)作品成果展開(kāi)評(píng)價(jià)。目的是讓每個(gè)學(xué)生都有想說(shuō)的欲望，在暢所欲言中鼓勵(lì)學(xué)生想說(shuō)、敢說(shuō)、愛(ài)說(shuō)，大膽表達(dá)。最后，教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，歸納新知，真正實(shí)現(xiàn)生本課堂。

3? ? 教學(xué)案例設(shè)計(jì)：探究電動(dòng)機(jī)工作原理

下面以“探究電動(dòng)機(jī)工作原理”為例，說(shuō)明如何構(gòu)建探究型STEM教學(xué)活動(dòng)。

3.1? ? 設(shè)計(jì)意圖

體現(xiàn)STEM教學(xué)和探究性兩大特點(diǎn)。

STEM：在S、T、E和M學(xué)科中，側(cè)重科學(xué)與技術(shù)即S-T的融合，讓學(xué)生設(shè)計(jì)小小簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)，其中涉及的技術(shù)問(wèn)題有：如何使電動(dòng)機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng);如何優(yōu)化和改良這些技術(shù)。

探究性：以電動(dòng)機(jī)原理為主問(wèn)題，以主問(wèn)題的解決作為教學(xué)的主線。鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、解決問(wèn)題，體現(xiàn)STEM教學(xué)從驗(yàn)證型到探究型的跨越。

3.2? ? 教學(xué)分析

內(nèi)容分析：源于人教版九年級(jí)物理“電動(dòng)機(jī)”，利用STEM理念、以問(wèn)題為導(dǎo)向開(kāi)展小組探究性學(xué)習(xí)，利用數(shù)學(xué)知識(shí)和計(jì)算思維進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、分析和解釋，完成表2的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

學(xué)情分析：九年級(jí)學(xué)生對(duì)電現(xiàn)象、磁現(xiàn)象及其兩者的關(guān)系有了初步的了解，也具備了相關(guān)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，能夠完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

3.3? ? 活動(dòng)設(shè)計(jì)

3.3.1? ? 創(chuàng)建小組

在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生自行分成若干個(gè)6人小組。

3.3.2? ? 提出問(wèn)題

創(chuàng)設(shè)情境：教師圖片展示生活中常見(jiàn)的電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、小玩具，短視頻展示其工作狀態(tài)。

提出問(wèn)題：引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)“電動(dòng)裝置叫電動(dòng)機(jī)”，并提出問(wèn)題：電動(dòng)機(jī)是如何工作的。

3.3.3? ? 解決問(wèn)題

確定方案：引導(dǎo)學(xué)生從演示實(shí)驗(yàn)“靠近磁鐵的小磁針發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)”聯(lián)想到已學(xué)的知識(shí)“位于磁場(chǎng)中的磁體會(huì)受到力的作用”，提出解決問(wèn)題的方案，即具體研究思路：用通電導(dǎo)線代替小磁針，它會(huì)在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)嗎？

實(shí)施方案：

解決問(wèn)題1 磁場(chǎng)中通電導(dǎo)線受的力

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：將閉合電路中的一部分導(dǎo)線放入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，接通電源，觀察其運(yùn)動(dòng)情況。

收集證據(jù)：由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)（向左或向右）。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槭裁床煌?/p>

解決問(wèn)題2 力的方向與什么有關(guān)

收集證據(jù)：小組合作探究后，全班學(xué)生得到表3的證據(jù)。

解釋結(jié)論：學(xué)生自行得出，教師進(jìn)行歸納。

提出問(wèn)題：如果將導(dǎo)線換成如圖2所示的線框，情況又將如何？

解決問(wèn)題3 磁場(chǎng)中的通電線框如何運(yùn)動(dòng)

猜想假設(shè)：會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

探究活動(dòng)：設(shè)計(jì)“簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)”

活動(dòng)意圖：技術(shù)性活動(dòng)，體現(xiàn)了STEM中科學(xué)（S）和技術(shù)（E）的融合。

小組合作：選擇所需器材并自行組裝。

材料：磁鐵、漆包銅線、金屬絲（銅絲）、導(dǎo)線、曲別針、木板、木塊、橡皮泥、熒光筆、圖釘、5號(hào)電池、工具（美工刀、膠帶、鉗子）等。

第一步：線框（圈）制作。有小組通過(guò)在熒光筆上繞上漆包線，做成圓形線圈;有小組在木塊上纏繞上多匝漆包線，再取下木塊得到矩形線框。為了固定形狀，將兩頭留出的一段漆包線繞在線框（圈）的兩端。最后，將線框（圈）最末端的3 cm左右的漆包線的漆皮刮掉，用來(lái)連接其他器材。

第二步：支架的制作。用金屬絲或曲別針做成支架，再用圖釘將其固定在木板上，最后將線框（圈）放在支架上。

第三步：組裝電動(dòng)機(jī)。用橡皮泥將電池固定在木板上，將支架緊挨電池正負(fù)極放置，用絕緣膠帶將其貼牢。

第四步：磁場(chǎng)的創(chuàng)設(shè)。在線框（圈）的下方放上磁鐵，就做成了圖3所示的電動(dòng)機(jī)模型。有小組選取兩節(jié)干電池用來(lái)增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，如圖4所示。

收集證據(jù)：線框通電后轉(zhuǎn)動(dòng)了，但只轉(zhuǎn)了一個(gè)小角度。

分析數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)與猜想不同。

[教師指導(dǎo)]這就是同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)，它包括線框（能夠轉(zhuǎn)動(dòng)）和磁體（固定不動(dòng)）。

[學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題] 通過(guò)受力分析，找到線框不能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的原因：如圖5所示，當(dāng)線框在甲位置時(shí)，沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到位置乙;在乙位置，線框處于平衡位置，但由于慣性會(huì)越過(guò)該位置;之后，線框逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)又回來(lái)了。

解決問(wèn)題4 簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)意圖：這屬于工程方面的技術(shù)性問(wèn)題，解決這個(gè)問(wèn)題能夠很好地體現(xiàn)STEM教育理念。

猜想與假設(shè)1：

到達(dá)位置乙時(shí)對(duì)線框停止供電;

猜想與假設(shè)2：

通電線框位于后半周時(shí)改變其磁場(chǎng)方向;

猜想與假設(shè)3：

通電線框位于后半周時(shí)改變其電流方向。

收集數(shù)據(jù)1：

在線框到達(dá)位置乙時(shí)立即將開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，線框確實(shí)能夠沿順時(shí)針?lè)较蛞恢鞭D(zhuǎn)下去。

分析數(shù)據(jù)：猜想與假設(shè)1是正確的。

[教師指導(dǎo)]

提出問(wèn)題：關(guān)于電路的斷和通，還有其他辦法嗎？能否嘗試從線框方面想辦法？

[教師提示]

將引線的漆皮刮去，但要注意不能刮掉兩端的全部漆皮，而是一邊的全部被刮去，另一邊只能被刮去半周。由于只有前半周有電流，保證了線框前半周內(nèi)有動(dòng)力，后半周內(nèi)線框沒(méi)有受力而只依靠慣性進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

收集數(shù)據(jù)2：在線框轉(zhuǎn)動(dòng)的后半周，將U形磁鐵的磁極進(jìn)行對(duì)調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

分析數(shù)據(jù)：猜想與假設(shè)2是正確的。

收集數(shù)據(jù)3：來(lái)不及也不方便及時(shí)改變電流方向。

分享反思：雖然三種方法都能夠讓線框?qū)崿F(xiàn)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是開(kāi)關(guān)通斷和磁極對(duì)調(diào)這兩種方法很難實(shí)際操作，因此只能采用將漆皮刮去的方法。

3.3.4? ? 問(wèn)題拓展

[教師展示] 雖然方法3即改變后半周的電流方向同學(xué)們無(wú)法進(jìn)行操作，但實(shí)際上的電動(dòng)機(jī)卻是根據(jù)這個(gè)原理來(lái)做成的，其關(guān)鍵部件是“換向器”。教師展示換向器實(shí)物，讓學(xué)生觀察其結(jié)構(gòu)，弄清電流換向的工程原理。

[發(fā)現(xiàn)問(wèn)題] 工程上的電動(dòng)機(jī)不采用我們猜想的方法1，這是為什么？

[思考交流] 方法1中，靠慣性線框進(jìn)行后半周的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于動(dòng)力不足，難以保證它能夠轉(zhuǎn)動(dòng)完半周。工程設(shè)計(jì)上，應(yīng)該設(shè)法同步改變線框轉(zhuǎn)動(dòng)的后半周的電流方向，即及時(shí)給電流進(jìn)行“換向”，線框就能夠有力、平穩(wěn)地持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去了。

3.3.5? ? 總結(jié)交流

學(xué)生活動(dòng)后進(jìn)行課堂總結(jié)，教師可引導(dǎo)學(xué)生主要從知識(shí)獲得和體驗(yàn)感兩方面進(jìn)行總結(jié)與分享，一是理論知識(shí)“學(xué)到了什么”;二是分享小組合作的“動(dòng)手體驗(yàn)感悟”。筆者在上課時(shí)記錄到有的小組代表發(fā)言“我們組有些同學(xué)不太參與，成員之間沒(méi)有什么交流討論”，有的說(shuō)“我們小組還是沒(méi)有讓線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)”等。學(xué)生的總結(jié)就是形成性評(píng)價(jià)，可以培養(yǎng)他們反思與歸納的能力，深化合作能力，從而獲得更多的小組榮譽(yù)感和成就感體驗(yàn)。另一方面也有助于教師參考學(xué)生的交流分享對(duì)本節(jié)課的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估、反思與改進(jìn)。

4? ? 教學(xué)反思

（1）非常具有STEM特色。將STEM中的S、T、E、M元素都涉及進(jìn)去了，尤其“設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)”所體現(xiàn)的技術(shù)元素更是其亮點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析原因，解決問(wèn)題，最終制作出能夠持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)，體現(xiàn)了STEM與探究的融合，是一堂典型的探究型STEM教學(xué)課例。

（2）PBL模式的典型應(yīng)用。該活動(dòng)將連續(xù)的4個(gè)具有邏輯性的問(wèn)題及其解決過(guò)程作為教學(xué)的主線，體現(xiàn)了PBL教學(xué)的基本理念。學(xué)生發(fā)現(xiàn)“電動(dòng)機(jī)不能進(jìn)行持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)”這一問(wèn)題后，分析出了問(wèn)題的原因，通過(guò)小組合作交流找到了解決問(wèn)題的辦法，最后制作成了簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)。

（3）具有遷移性和示范性。該次探究活動(dòng)為后續(xù)的“制造型STEM”教學(xué)活動(dòng)奠定了知識(shí)和技能基礎(chǔ)，教師可以讓學(xué)生嘗試從制作“簡(jiǎn)易走馬燈”再到制作“電動(dòng)走馬燈”，從而逐漸過(guò)渡到制造型STEM教學(xué)活動(dòng)。

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（欄目編輯? ? 賈偉堯）