高中物理中STEM教育的推進(jìn)：社團(tuán)活動、科學(xué)探究、創(chuàng)意寫作

周波 李晨曦

摘? 要 闡述STEM教育與科學(xué)探究的內(nèi)涵，提出高中物理推進(jìn)STEM教育的措施，設(shè)計(jì)STEM教育理念下科學(xué)探究的一般過程，并以“真空度與溫度關(guān)系的研究”為例進(jìn)行闡述分析，以期為一線教學(xué)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 高中物理;STEM教育;科學(xué)探究;社團(tuán)活動;創(chuàng)意寫作;創(chuàng)新型人才;核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）13-0080-03

1 前言

高考壓力下，教師在教學(xué)工作中只注重教學(xué)內(nèi)容的重要性、理論性、練習(xí)性，而忽視了對學(xué)生創(chuàng)新能力、動手實(shí)踐能力、合作交流能力的培養(yǎng)。STEM教育具有多學(xué)科交叉融合性，是在真實(shí)問題情境中解決問題，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)造力。近年來，STEM教育引起我國越來越多研究者的注意，他們試圖探索STEM教育的教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)建符合我國國情和教育現(xiàn)狀的STEM教育。迫于學(xué)業(yè)壓力，如果學(xué)校利用教學(xué)時(shí)間開展STEM教育，必定會影響學(xué)科的教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)任務(wù)，結(jié)果將得不償失。但作為人民教師，必須不斷嘗試，為培養(yǎng)新時(shí)代國家社會需要的人才而努力。

2 STEM教育與科學(xué)探究

STEM教育? STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的英文字母縮寫。它是一個(gè)偏重理工科的領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，這四門學(xué)科要以科學(xué)或工程作為整合的核心。

STEM教育是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的產(chǎn)物。建構(gòu)主義認(rèn)為，知識并非是通過教師傳授獲得的，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境及社會文化背景下，借助其他人的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式獲得的。在STEM教育中，學(xué)生獲得知識的多少取決于其在頭腦中建構(gòu)知識的能力，而不取決于記憶教師教授內(nèi)容的能力。教師在學(xué)生自我構(gòu)建過程中起到主導(dǎo)作用，通過提問加深學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生完成知識建構(gòu)。這就表明，STEM教育與傳統(tǒng)教學(xué)形式是大相徑庭的。

科學(xué)探究? 科學(xué)探究是高中理化生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力。[1]

基于STEM教育理念的科學(xué)探究領(lǐng)域可以是多樣性的、可選擇性的，可根據(jù)實(shí)際探究問題進(jìn)行確定，但必須以科學(xué)或工程作為整合的核心。探究領(lǐng)域不僅包括物理，還包括化學(xué)、生物、地理、工程、材料，甚至包括藝術(shù)。

3 高中物理STEM教育推進(jìn)措施探析

建立STEM科學(xué)探究社團(tuán)? 借助學(xué)校社團(tuán)活動時(shí)間開展科學(xué)探究實(shí)踐活動，其意義在于：不耽擱學(xué)科正常教學(xué)進(jìn)度;探究活動時(shí)間充裕，保證活動高質(zhì)量完成;可以整合多個(gè)學(xué)科綜合運(yùn)用，打破傳統(tǒng)獨(dú)立學(xué)科之間的隔閡;能夠培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、動手實(shí)踐能力、合作交流能力、發(fā)現(xiàn)問題與解決問題能力以及科研能力的學(xué)生。

基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)和STEM理念的探究活動過程? 經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)生能夠建構(gòu)探索世界的認(rèn)知，學(xué)習(xí)探索世界的方法，擴(kuò)大認(rèn)知的領(lǐng)域。STEM過程借助真實(shí)問題為學(xué)生創(chuàng)造模擬科學(xué)探究和認(rèn)知的過程，教給學(xué)生科學(xué)的思維方法和科學(xué)探究方式，而不是單純的接受式科學(xué)學(xué)習(xí)[2]。STEM理念下的科學(xué)探究過程如圖1所示。

1）確定探究問題：是學(xué)生面臨的挑戰(zhàn)，是活動的主題。

2）文獻(xiàn)研究問題：學(xué)生針對提出的問題查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定問題的價(jià)值和意義，了解該問題相關(guān)研究結(jié)果。

3）制定探究方案：以小組為單位制定符合活動主題的方案。

4）綜合擇優(yōu)方案：各小組述說本組方案，最后全體交流評估，制定最優(yōu)方案。

5）制作選擇器具：根據(jù)最優(yōu)方案選擇材料、制作器具、處理（比如拋光、打磨、3D打?。┫鄳?yīng)器材用品。

6）開展探究活動：器材準(zhǔn)備好后，根據(jù)方案進(jìn)行探究活動，若在實(shí)踐中有不足之處，需重新回歸探究主題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

7）獲取處理信息：記錄探究過程中的定量數(shù)據(jù)和定性特征，并利用相關(guān)軟件（如Excel、Origin等辦公軟件）進(jìn)行信息的分析統(tǒng)計(jì)。

8）結(jié)論與解釋：根據(jù)信息處理的結(jié)果得出結(jié)論并加以解釋。

9）交流評價(jià)反思：最后，學(xué)生之間進(jìn)行交流反思，教師進(jìn)行評價(jià)總結(jié)，讓學(xué)生習(xí)得科學(xué)探究方法。

藝術(shù)的融入——創(chuàng)意寫作? 14—16世紀(jì)的文藝復(fù)興時(shí)期，畫家、物理學(xué)家和藥劑師屬于同一行業(yè)協(xié)會，這一時(shí)期見證了藝術(shù)與科學(xué)最偉大的成就。近年來，STEM教育的大家庭中逐步加入藝術(shù)（Arts），將STEM教育擴(kuò)展為STEAM

教育。這里的藝術(shù)不只包括美術(shù)、音樂、舞蹈等狹義的藝術(shù)，還包括語言藝術(shù)在內(nèi)的廣義的藝術(shù)。在STEM教育中融入創(chuàng)意寫作是一條嶄新的途徑，能夠?yàn)镾TEAM教育的實(shí)施提供有效模式，幫助學(xué)生建立藝術(shù)與科學(xué)的聯(lián)系。STEM學(xué)科與創(chuàng)意寫作的融合，能夠培養(yǎng)有創(chuàng)造力的思考者、問題解決者和表達(dá)創(chuàng)意想法的發(fā)明者，真正實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才的締造。學(xué)生完成科學(xué)探究活動后進(jìn)行創(chuàng)意寫作，既可鞏固探究過程和科學(xué)方法，亦能鍛煉寫作交流能力。

4 活動案例展示：真空度與溫度關(guān)系的研究

主題：真空度與溫度關(guān)系的研究。課時(shí)：社團(tuán)活動90分鐘。寫作活動：創(chuàng)意寫作。STEM說明：物理、科學(xué)方法、溝通交流、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)。分組：6組。活動過程如下。

1）確定研究問題（5 min）。教師提問：“在高中物理必修一課堂中做過牛頓管演示實(shí)驗(yàn)，觀察真空狀態(tài)下的物體下落的快慢。在選修3-3熱學(xué)部分學(xué)過分子無規(guī)則的熱運(yùn)動，知道溫度是與分子的熱運(yùn)動相關(guān)的。那么，隨著真空度的變化，容器內(nèi)分子數(shù)減少，容器內(nèi)空氣或容器內(nèi)放置物體的溫度會有什么樣的變化呢？”

2）文獻(xiàn)研究問題（10 min）。學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料，了解真空技術(shù)相關(guān)內(nèi)容：真空技術(shù)是建立低于大氣壓力的物理環(huán)境，以及在此環(huán)境中進(jìn)行工藝制作、物理測量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等所需的技術(shù)。如今真空技術(shù)已經(jīng)滲透到科研和生產(chǎn)領(lǐng)域，已經(jīng)成為許多尖端技術(shù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活等方面不可或缺的技術(shù)基礎(chǔ)。真空技術(shù)中，了解真空度與溫度的關(guān)系，對該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用有很大幫助。

3）制定探究方案，綜合擇優(yōu)方案（15 min）。學(xué)生分組討論再制定探究方案。討論：有的學(xué)生認(rèn)為，真空度越低，分子個(gè)數(shù)越少，溫度會隨著降低;有的學(xué)生認(rèn)為，真空度越低，分子數(shù)減少，但分子運(yùn)動阻礙減少，分子運(yùn)動會變劇烈，溫度會升高;還有學(xué)生認(rèn)為，溫度的變化可能跟容器中所放物品有關(guān)，比如容器中放入水杯，隨著真空度降低，水沸點(diǎn)降低，水分子會進(jìn)入氣體中影響溫度變化;等等。根據(jù)各小組的討論猜想，制定各自的研究方案。在教師的引導(dǎo)下制定出最佳方案：實(shí)驗(yàn)一，密閉容器中不放入除測量工具以外的任何物體，測量空氣溫度;實(shí)驗(yàn)二，密閉容器中放入一杯常溫水，測量水溫度;實(shí)驗(yàn)三，密閉容器中放入合適大小的鐵塊，測量鐵塊溫度。

4）制作選擇器具（20 min）。確定研究方案后，按照方案制作或選擇儀器。學(xué)校提供的器材：電子溫度計(jì)、電子氣壓計(jì)、鐵塊、計(jì)算機(jī)、燒杯、抽氣機(jī)等。選擇電子溫度計(jì)和電子氣壓計(jì)的原因是氣壓連續(xù)變化，溫度連續(xù)變化，記錄氣壓和溫度必須快速而準(zhǔn)確。學(xué)生制作器材：裝空氣和物體的容器，需要考慮容器的密閉性，以免外界空氣進(jìn)入;需要考慮容器的堅(jiān)韌性，以免內(nèi)部壓強(qiáng)過小，外界大氣壓壓壞容器;還需要考慮容器的體積大小，以便放入測量儀器等。

5）開展探究活動、獲取處理信息（30 min）。按照制定的方案，安裝好實(shí)驗(yàn)器材，依次以空氣、水、鐵塊為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，小組內(nèi)合作觀察并記錄氣壓和溫度的數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)記錄完畢后再進(jìn)行處理。為了研究真空度與溫度的關(guān)系，在物理課堂中通常采用圖像法分析，所以引導(dǎo)學(xué)生利用Excel或Origin等軟件處理數(shù)據(jù)，得出溫度隨真空度變化的關(guān)系。

6）結(jié)論與解釋、交流評價(jià)反思（10 min）。根據(jù)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果得出結(jié)論，并根據(jù)所學(xué)分子熱運(yùn)動知識解釋結(jié)論。學(xué)生之間相互交流探究過程存在的問題和需要注意或改進(jìn)的地方，比如電子氣壓計(jì)只能測量10-1～10-2 Pa范圍內(nèi)的真空度，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確;溫度計(jì)測量范圍有限;抽氣機(jī)功率有限，容器的密閉性不良等。最后，教師做評價(jià)并總結(jié)，布置創(chuàng)意寫作任務(wù)。

5 活動體會與反思

注重科學(xué)探究與工程技術(shù)的結(jié)合? STEM教育雖是多學(xué)科的交叉融合，但它以科學(xué)或工程作為整合的核心。所以，基于STEM教育的科學(xué)探究活動要注重把活動重點(diǎn)放在科學(xué)、工程技術(shù)與生活實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系上來。學(xué)生通過運(yùn)用所學(xué)的知識、技能、方法，通過觀察、思考、探究實(shí)際問題、解決實(shí)際問題，建立起科學(xué)與工程技術(shù)的聯(lián)系，遇到生活實(shí)際問題能進(jìn)行正確解釋。

注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力? 科學(xué)探究中融合工程技術(shù)，更能起到培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的作用。學(xué)生自行制作器具過程中，需要考慮器具是否實(shí)用，價(jià)格是否合理，是否容易取材;器具在實(shí)用時(shí)出現(xiàn)問題，又必須加以改進(jìn);探究過程記錄下的數(shù)據(jù)和一些定性的描述的處理和結(jié)果分析。在這些過程中培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，增強(qiáng)感知認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力和交流與書面表達(dá)能力，培養(yǎng)數(shù)據(jù)記錄和處理能力以及分析能力，突出科研精神。學(xué)生在獲得綜合實(shí)踐能力的同時(shí)，樹立了正確的世界觀、價(jià)值觀。

師資要求? STEM教育具有融合性、合作性、情境性[3]，所以對教師能力要求很高?；赟TEM的科學(xué)探究要求教師綜合知識廣博、實(shí)踐能力突出、組織管理能力強(qiáng)?？茖W(xué)探究基于物理知識，但并非物理課程，而是以科技與工程技術(shù)為專題展開的。這就需要教師加強(qiáng)活動的設(shè)計(jì)，了解學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和生活經(jīng)驗(yàn)，使專題既能夠適合學(xué)生的知識背景和已有基礎(chǔ)，又盡可能與生活環(huán)境及科技前沿聯(lián)系起來[4]。教師應(yīng)積極研究校本課程的設(shè)計(jì)與編寫，形成系統(tǒng)的有框架的活動課程，以便于本校學(xué)生和教師使用。

6 結(jié)語

在高中物理中開展STEM教育，既體現(xiàn)了高中物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，又積極響應(yīng)了國家發(fā)展STEM教育的號召。以科學(xué)探究社團(tuán)活動的形式開展STEM教育雖有待進(jìn)一步完善、改進(jìn)，但定能為培養(yǎng)新時(shí)代所需要的創(chuàng)新型人才提供助力，這樣的嘗試也是具有一定的價(jià)值和意義的。在未來探索的道路上，希望能夠探索出符合國情、校情的STEM教育課程和教學(xué)模式，為國家培養(yǎng)更多的創(chuàng)新型人才。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]張海銀，林建芬，朱立偉.科學(xué)探究過程、工程設(shè)計(jì)過程和STEM過程的比較分析[J].教育信息技術(shù)，2019（6）：54-57.

[3]周波.芻議基于STEM教育的高中物理教學(xué)[J].科學(xué)咨詢：教育科研，2020（2）：253.

[4]徐陽，籍金艷，盧慕稚.汽車?yán)锏奈锢恚褐袑W(xué)物理科技活動課程的案例[J].中國教育技術(shù)裝備，2011（9）：41-42，45.