陳宗成 肖永琴

摘? ?要? ?實驗教學是用實證的手法來建構物理意義。實驗教學由于較少地或不合理運用STEM要素而難以完成高水平的物理認知。通過科學地整合STEM各要素，即通過提煉突顯教學主旨（S）、強化建模（M）論證意義內涵、巧妙設計（T）破除認知盲區(qū)及合理控制培養(yǎng)工程意識（E），便能使STEM各要素形成有機整體，創(chuàng)設出富有挑戰(zhàn)性項目實現(xiàn)深度學習，真正揭示出事物間因果關系，發(fā)揮物理實驗以“物”成“理”的實證價值。

關鍵詞? STEM要素整合? 物理實驗教學? 整合策略

眾所周知，實驗教學的目的在以“物”成“理”，即通過實驗進行充分論證，建構物理概念規(guī)律。其本質是通過建構富有挑戰(zhàn)的任務，重新經(jīng)歷科學家的探究之旅，推動個體深度學習的產(chǎn)生，進而建構出新的物理意義。實踐證明，STEM是一條行之有效的策略。通過合理地整合STEM各要素，創(chuàng)設學習項目，實驗便能成為“學生學習的促進者和引導者”[1]，充分發(fā)揮實驗的教學價值。

很顯然，對于物理實驗教學而言，概念規(guī)律意義的建構（S）是教學的根本目的，始終處于核心的位置，需要加以提煉突顯;概念規(guī)律的建模過程（M）直接關系到物理意義（S）論證的成敗，是教學重點，必須夯實強化;技術（T）則提供必要的支持，通過巧妙的設計，能夠有效地突破教學的難點;同時，實驗教學又要求個體具備一定的工程意識，能充分考慮到工程要素（E），才能將實驗放在節(jié)能環(huán)保的真實情境中，來進行方案甄選和資源優(yōu)化配置，最終解決問題。下面以滬科版《滑輪》這一節(jié)進行說明。

一、提煉主旨（S），形成明確教學指向

既然實驗教學的宗旨是通過實驗來建構物理意義（S），教學宗旨提煉得越明確，STEM各要素才能統(tǒng)整得越有效。

1.提煉意義，突顯統(tǒng)一教學主旨（S）

實驗教學，以“物”成“理”。提煉出意義，才能得出一節(jié)課的“理”（物理意義），“物”才有了明確的教學指向，實驗課有了明確的主旨，才會發(fā)揮實驗教學的實證價值，不會淪為為實驗而實驗。

就“滑輪”這節(jié)課而言，必須提煉出來的主旨是：滑輪與滑輪組是特殊的機械。這主旨包含兩方面意義：表層意義：定滑輪不能省力但能改變方向，動滑輪能省一半的力，但不能改變方向，滑輪組既能改變方向又能省力;深層意義：為什么定滑輪不能省力但能改變方向？為什么動滑輪能省一半的力，但不能改變方向;為什么滑輪組能既改變方向又能省力？

2.整合要素，形成統(tǒng)一教學整體

提煉出教學主旨，教學就有了目的指向。STEM其余要素便有了一個凝聚的教學核心，有了一個明確串聯(lián)的教學主線，緊扣此核心與主線展開TEM要素整合，教學設計就不會偏離應有的主旨，建模（M）就能推動意義建構，技術（T）就不會偏離主線，而這樣的工程素養(yǎng)才是在解決真實問題（本教學主旨）中自然培養(yǎng)的。一句話，TEM都圍繞著主旨（S）形成了統(tǒng)一的教學整體。

對于本節(jié)課，T、E、M等要素都要緊扣上面所提煉兩層含義展開整合。

那些由于分門別類建立起來的“高度分化”而“彼此孤立”的學科割裂便被有效破除了，這對跨學科間的“能力、知識技能、態(tài)度和價值觀”[2]的融合有推動作用。同時也使得個體更加深刻地理解“滑輪是特殊的杠桿”，樹立起“機械的選擇必須與解決的問題密切相關”，讓實驗和“真實世界”“有機”地聯(lián)系起來[3]。

二、強化建模（M），充分論證物理意義

強化建模，就是充分探究“物”與“理”之間的本質關聯(lián)，進而確認物理概念規(guī)律的內涵外延，以實現(xiàn)因果邏輯關系的明確揭示和充分論證。

一般說來，通過實驗來完成一個物理量的建構，需要強化建模的過程，通過實驗來觀察現(xiàn)象獲取足夠的數(shù)據(jù)。充足數(shù)據(jù)有三方面的重要性：一是便于尋找相同點，產(chǎn)生指向性的聯(lián)系，引導個體進行歸納建模，以發(fā)現(xiàn)本質內涵;二是確認條件，揭示規(guī)律成立條件，確定外延;三是降低偶然性，進行普遍意義上的論證，完成內涵的確證。

1.產(chǎn)生特定指向，歸納本質內涵

定滑輪不省力，但能改變方向。書本的處理方式是：提1個物體，沿不同的方向拉動。但這樣不夠充分，因為還沒有涉及到被提物體的物重及滑輪本身的材質。因此還可用以下的方法充實建模過程：沿某一方向方向拉動，提升不同重力的物體。

對動滑輪規(guī)律內涵的建模，同樣可以如此處理，用動滑輪提高不同的物體，以幫助個體找到共同點，產(chǎn)生特定的指向性，精確地揭示出其滿足的數(shù)學模型——T1=G1/2、T2=G2/2、T3=G3/2……即總有T=G/2關系。

這樣，充實了課本的建模過程，獲得了充足的數(shù)據(jù)。通過分析，學生能夠發(fā)現(xiàn)如下的共同特點：無論沿什么方向拉動，無論所提升物體的重力是多大，定滑輪可以改變方向，但不能省力（拉力T=G）;而動滑輪則可以省一半的力。這就很好地產(chǎn)生特定的指向性，幫助個體歸納出物理規(guī)律。

2.揭示適用條件，界定確切外延

一般說來，物理概念規(guī)律都有其特定的適用范圍，都要滿足一定的前提條件。而一旦偏離了此前提條件，其物理意義規(guī)律都不再滿足。實驗教學，就是要通過實驗來確定此前提條件，揭示其適用范圍，以確定其外延。對于動滑輪“可省力一半”更是如此。

動滑輪能省力一半，除了忽略繩子重力及系統(tǒng)的摩擦力外，還必須滿足兩個條件。一是必須滿足特定的連接方式：將重物掛在滑輪的軸上（如圖1），而提升的力作用在自由端上;二是必須滿足所提升的物重必須遠遠大于滑輪自重。

在這里充分建模，就要沿此兩方面展開。①用兩種不同的方式組裝動滑輪（圖1、圖2），讓個體體驗到只有特定的連接方式動滑輪（圖1）才能省力;②讓個體提不同重力的物體，讓個體發(fā)現(xiàn)只有滿足G物遠大于G動，才有T=G/2成立。這樣，通過對書本上建模的充實，精確地揭示了規(guī)律的前提條件，準確地界定了外延，深刻地揭示了物理意義（S）。

3.發(fā)現(xiàn)必然聯(lián)系，論證普遍意義

進行普遍性的論證，需要考慮到相關的各個方面。對于定滑輪，除了考慮到提升的方式、被提升的物體，很顯然還要考慮到定滑輪本身質的要素，如材質、質量、制造工藝等。因此，還必須進行如下充實：使用不同的材質滑輪，沿不同的方向提升不同的物體。教師拿出各種材質的定滑輪，讓個體探究，發(fā)現(xiàn)定滑輪提升物體，跟滑輪本身無關。

這樣結合上面的論證，個體會發(fā)現(xiàn)，使用定滑輪提升物體跟提升的方式（沿什么方向用力）、被提升的物體（無論性質狀態(tài)也無論輕重），也跟定滑輪（材質等）無關，也就是說用“定滑輪”提升物體”與“可改變方向卻不能省力”有著必然的聯(lián)系，是具有普遍意義的。同樣，只要在其外延內（即滿足前提條件），用“動滑輪”提升物體與“T=G/2”有著必然的聯(lián)系，而跟被提升的物體及其滑輪的材質無關，是具有普遍意義的。這樣，無論是定滑輪還是動滑輪，其普遍意義就得到了充分論證。

三、妙用技術（T），精準破除認知盲區(qū)

物理概念規(guī)律往往比較抽象，建構時需要較強的思維能力。有些概念規(guī)律特別抽象難以理解，以至于超過個體的認知水平，加上定勢的影響，便容易形成認知盲區(qū)，給教學帶來極大挑戰(zhàn)。實驗教學就是要通過運用技術，巧妙設計實驗裝置，幫助個體有針對性地破除認知盲區(qū)。

在本節(jié)課中，個體最難理解就是為什么動滑輪是種省力的杠桿，哪怕是獲得了充分的數(shù)據(jù)。突破此認知障礙真正的困難在于學生無法清楚判定動滑輪這種特殊杠桿的支點位于何處。這是一個極其不易為個體接受的認知盲區(qū)。如何通過巧妙地設計針對性地破除此認知盲區(qū)成為本節(jié)課成敗的關鍵。

1.妙用技術（T），精心設計實驗裝置

這個認知盲區(qū)的形成是因為在滑輪轉動的時候，個體難以看到瞬時不動的那一點。因此，本節(jié)課的關鍵，就是通過一定的技術手段，讓個體明顯地“看到”不動的這一點。于是，我們引進了微元技術來設計裝置。即將圓形微分成多邊形，使它既突出了接觸的不動的點，又保持了滑輪圓形的形狀（圖3）。

順著此思路，逐步減少多邊形的邊數(shù)，由多邊形逐步減少到六邊形、五邊形，直至正方形（圖4），顯然，每減小一條邊，與非自由端接觸的那一點就被突顯一次，而當出現(xiàn)正方形的時候，提升物體時，個體的目標必然鎖定在正方形的四個頂點上，這個接觸點便完成暴露出來了！在這里我們妙用了微元技術來設計實驗裝置。

2.妙用裝置，逐步破除認知盲區(qū)

有了這些裝置，任務就轉化為如何巧妙運用這些裝置來突出支點的確定。在這里，先從正方形木板引入，遵循正方形→正五邊形→正六邊形→……正多邊形→圓形的順序運用轉動板，通過逆向微元法逐漸過渡到圓形，讓個體看到無論是多邊形還是圓形，只要用此種方式提升重物，其不動點都是轉動板與非自由端接觸的那一點，這樣就完全突破了動滑輪的認知盲區(qū)。

（1）正方形不動點確定。如圖5甲用繩子、正方形木板吊起重物。拉動繩子，引導發(fā)現(xiàn)：正方形木板圍繞A點轉動。教師要引導細致的觀察，在此過程中，除了頂點A點不動外（可在對應處做上記號），可以明顯看出被提重物、繩子自由端，整個正方形木板包括中心O點、頂點B、C、D等所有的部分全都被提高了！而這正是通過木板圍繞A點轉動的過程實現(xiàn)的！——使木板上升的不動點是頂點A而非中心O，A點才是木板轉動支點！

（2）正方形支點的確認。繼續(xù)緩慢拉動繩子，木板將繼續(xù)圍繞A點轉動，同時將物體向上提起。引導學生發(fā)現(xiàn)，這是B點逐漸靠近并接觸繩子的過程。而當B點接觸繩子后，拉動繩子，便會以B為支點轉動并將物體進一步向上提高（圖5乙）;繼續(xù)拉動，個體會發(fā)現(xiàn)方形木板是依次圍繞頂點C、D轉動，直到回到A點時完成一個周期！在這一周期里，木板總圍繞著的正方形某一個頂點而非其中心轉動。進一步確定了木板上升時的支點位置。最后，通過反證法引導孩子發(fā)現(xiàn)，當正方形不是以其中心旋轉時，木板只會在原處打轉，根本無法將物體向上提升——此時，木板成為一個定滑輪！這就從正反兩方面來證明了木板的支點位置。

（3）多邊形支點的確認。沿著上面的思路，將正方形改為正五邊形、正六邊形……如圖6所示，容易發(fā)現(xiàn)，無論是什么多邊形，向上提升物體時其支點都是頂點非其中心。

（4）動滑輪支點的確認。當多邊形有無數(shù)個邊，無數(shù)個頂點時，多邊形就變成了圓形！木板成了動滑輪！這樣，個體就自然而準確地把握動滑輪支點的位置，有效地突破思維定勢帶來的認知盲區(qū)。

四、合理取材（E），有效建立工程意識

滑輪這節(jié)課還能很好地幫助孩子理解項目學習里的工程意識。一般說來，工程意識可立足于解決問題從工具制造與選擇、方案的選取與確定及成本的測算與控制等幾方面加以追問，而這些工程問題也涉及到STEM的核心理念。

1.工具使用，是基于問題解決的必需

解決問題，需要工具。需要什么工具，取決于要解決的問題。這意味著實驗教學需要引導兩種翻轉——即既會要引導從解決問題滿足什么原理到用什么原理來解決問題的一種翻轉，而且還要引導從典型實驗情境到實際問題情境的一種項目翻轉。只有這樣，實驗教學才完成了“從生活到物理，從物理到社會”的基本理念。

（1）從解決問題滿足什么原理到用什么原理解決問題

追問1：提高物體，為什么要制造出滑輪？

追問2：滑輪為什么有兩種不同的連接方法？（實際上有三種）

這兩次追問完成了一次翻轉，即提問者不是追問解決問題的方案滿足什么原理，而是追問根據(jù)什么原理來解決問題，哪怕這原理是什么還無法明確——有時，項目學習就是在解決問題中建構相關原理。但這種追問很難達到目的，因此要借助項目，通過解決問題來進行追問。

（2）實驗室典型情境到真實性問題情境

【項目】將1大桶水從1樓提到2樓

追問3：站在1樓如何把水提到2樓，用撬棒還是用滑輪？（用滑輪）

追問4：站在2樓，如何連接滑輪才能把水從1樓提到2樓？（連成動滑輪：圖7）

為了解決具體問題，撬棒等不好用時，滑輪就應運而生;當連成定滑輪不能解決問題時，就必須連成動滑輪。這樣，推而廣之，個體就會清楚地明白，工具的使用是問題解決的必需，并非隨心所欲，當原有的工具不能滿足要求時，新的工具就會被制造出來，而背后的深層含義則是物理的基本原理。

2.方案甄選，是基于問題解決的優(yōu)化

節(jié)能環(huán)保是人類社會發(fā)展的需要，培養(yǎng)工程意識，不僅要培養(yǎng)個體解決問題的意識，更要培養(yǎng)個體優(yōu)化解決問題的意識。因此，可以繼續(xù)追問：

追問5：為了更便利地把水從1樓提到2樓，還需要什么器材？（再取一個滑輪）

還需要一個滑輪，這是學生的第一反應。這樣才能既省力，又方便。這說明孩子有了問題優(yōu)化解決的意識。但思路比較單一。教師可以繼續(xù)追問：

追問6：如果給你一個助手，你要站在哪一樓拉，效率最高？（力足者：站一樓拉如圖8，助手在二樓幫忙;力怯者，站在二樓拉如圖9，助手在一樓幫忙）

這追問，進一步開拓了個體解決問題的思路，并要求個體進行優(yōu)化選擇。個體的思路由一而二，站在一樓滑輪組怎么接，站在二樓要怎么接;前者的好處是什么，短處是什么？后者的好處是什么？短處是什么？個體必須對方案進行可行性和優(yōu)劣性的雙重評估，并選擇最適合本身的方案。如果是力氣較大的組，可能選擇站在1樓，因為這樣更便利（雖只省一半力，但改變方向）;如果是力氣不足的組，可能會選擇站在二樓，這樣可省更多的力（雖不能改變方向，但可省2/3力），才能確保把物體拉上去。

可以看出，在實驗教學中，只有通過合理的整合，在知識建構中，個體的建模能力、技術水平和工程素養(yǎng)才能得到較全面的培養(yǎng)，才能更好地發(fā)揮S、M、T、E、這些學科要素獨立的價值[4]，進一步促進了各要素、各學科知識的連接與融合，才能真正把握STEM的本質[5]。這樣，個體的視域才不會僅囿于單純知識的接受，而是進入概念規(guī)律深度的建構中，進入到真實的問題情境中，去迎接種種問題的挑戰(zhàn)，才能把“體力、智力、情緒、倫理各方面的因素綜合起來”[6]。學習的過程，不僅是個體的知識跨界整合、知能素養(yǎng)合一的過程，也是個“從內部把握生命的本質和內在的意識世界”[7]的過程。學科專業(yè)學習與個體的生活世界更親密無間地融合起來了，完成了從教學向教育的飛躍，個體也就成了“情意知融生”的“完整的人”?；蛟S這就是stem的教育意蘊所在[8]。

參考文獻

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[2] 辛濤，姜宇，劉霞.我國義務教育階段學生核心素養(yǎng)模型的構建[J].北京師范大學學報：社會科學版，2013（01）：5-11.

[3] 秦瑾若，傅鋼善.STEM教育：基于真實問題情景的跨學科式教育[J].中國電化教育，2017（04）：67-74.

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[5] 李雁冰“.科學、技術、工程與數(shù)學”教育運動的本質反思與實踐問題——對話加拿大英屬哥倫比亞大學Nashon教授[J].全球教育展望，2014（11）.

[6] 聯(lián)合國教科文組織國際21世紀教育委員會.教育——財富蘊藏其中[M].北京：教育科學出版社，1996：195.

[7] 婁立志，張基惠.生命與實踐：柏格森生命哲學及其教育啟示[J].魯東大學學報：哲學社會科學版，2020，37（02）：80-85.

[8] 李潤洲.完整的人及其教育意蘊[J].教育研究，2020，41（04）：26-37.

【責任編輯? 孫曉雯】