基于STEM理念的“項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”課程的設(shè)計與實施

葉軍 黃彥焱

摘 要：結(jié)合在“項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”校本課程開發(fā)中的親身經(jīng)歷，從課程構(gòu)建、課程開發(fā)、課程實踐、課程評價的角度，將STEM理念融入課程的設(shè)計與實施.

關(guān)鍵詞：STEM理念;課程;設(shè)計;實施;項目實習(xí)

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）19-0045-04

作者簡介：葉軍（1982-），男，浙江富陽人，碩士，中學(xué)一級教師，研究方向：高中物理演示實驗;

黃彥焱（1981-），女，浙江塘棲人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：信息技術(shù)與物理教學(xué).

STEM教育是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的簡稱，STEM教育多采取各學(xué)科融會貫通的方式，STEM注重知識與現(xiàn)實問題的有機(jī)融合，注重學(xué)生的自主積極參與，通過學(xué)生自身所了解、掌握的不同學(xué)科知識針對現(xiàn)實問題得出自己的處理辦法，結(jié)合項目加以開展，以研究性學(xué)習(xí)為主，注重培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)等.STEM教育以技術(shù)為橋梁，實現(xiàn)跨學(xué)科整合，關(guān)注新技術(shù)和實踐應(yīng)用為主要原則，培養(yǎng)能綜合運用多學(xué)科知識解決實際問題的復(fù)合型創(chuàng)新人才.筆者設(shè)計的基于STEM理念的“項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”課程的教學(xué)需要經(jīng)歷了一個從提出問題、分析問題、模型建構(gòu)、實踐驗證、反思升級的過程.可以通過抽象與概括思維來分析問題;通過邏輯與系統(tǒng)思維來進(jìn)行模型建構(gòu);通過批判與反思思維來進(jìn)行實踐驗證;通過迭代思維來進(jìn)行反思升級.在這個過程中，融合STEM理念的教學(xué)設(shè)計，將會更有效地提升校本課程教學(xué)的實效，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維.

筆者所在學(xué)校物理教研組在幾位名優(yōu)教師的帶領(lǐng)下，圍繞STEM活動類選修課程的開發(fā)做了大量的工作，積累了一些經(jīng)驗.其中“項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”校本選修課受到了在校學(xué)生的廣泛好評，被選送為區(qū)級精品選修課程.本文試圖通過課程構(gòu)建、課程開發(fā)、課程實踐、課程評價、課程成效的角度，談?wù)勅绾螌TEM理念融入課程的設(shè)計與實施.

1 基于STEM理念的“項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”課程的構(gòu)建

1.1 課程目標(biāo)

通過項目學(xué)習(xí)和項目問題解決的實踐活動，實現(xiàn)“教、學(xué)、做”合一，使學(xué)生獲得親身實踐的積極體驗，發(fā)現(xiàn)和領(lǐng)略物理在現(xiàn)實生活的應(yīng)用，形成從生活中主動發(fā)現(xiàn)問題并獨立地分析、解決問題的態(tài)度.應(yīng)用物理實驗設(shè)計理論知識，提高學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力和培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的持久興趣;學(xué)習(xí)并掌握必要的物理實驗基本技能和實驗設(shè)計方法，養(yǎng)成合作、分享、積極進(jìn)取等良好的個性品質(zhì)，以及創(chuàng)新精神和實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度、集體觀念和社會責(zé)任感.

上述課程目標(biāo)分解為以下三個維度表述：

（1）知識與技能

①=1＼*GB3理解項目學(xué)習(xí)的內(nèi)涵和基本程序;了解工程、技術(shù)與數(shù)學(xué)等學(xué)科知識在科學(xué)探究中的運用.

②=2＼*GB3掌握物理實驗基本操作技能;進(jìn)一步學(xué)會觀察、記錄、分析物理現(xiàn)象的方法和技能;掌握物理實驗設(shè)計方法，能夠運用實驗設(shè)計方法探究生活問題.

（2）過程與方法

①=1＼*GB3體驗項目學(xué)習(xí)在實驗探究中的運用，初步運用項目學(xué)習(xí)程序來設(shè)計實驗探究方案并實踐.知道科學(xué)探究可以通過實驗、觀察等多種手段獲取事實和證據(jù).

②=2＼*GB3體驗物理實驗設(shè)計的方法和程序，能夠運用物理實驗設(shè)計方法和條件控制進(jìn)行實驗設(shè)計和實驗研究，初步形成運用物理實驗解決實際問題的能力.

（3）情感、態(tài)度和價值觀

①=1＼*GB3通過探究實驗方案的設(shè)計及實施，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生形成良好的實驗工作習(xí)慣.

②=2＼*GB3通過量化物理探究，培養(yǎng)學(xué)生量化思想、比較思想、類比思想、構(gòu)建模型思想、驗證探究思想和以實驗為基礎(chǔ)的觀念，樹立嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)態(tài)度，具有批判精神和創(chuàng)新意識.

③=3＼*GB3通過作品研制、展示與交流，培養(yǎng)學(xué)生小組合作意識，人際交往能力，形成從生活中主動地發(fā)現(xiàn)問題并獨立地分析、解決問題的態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、集體觀念和社會責(zé)任感.

1.2 課程內(nèi)容

本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容以項目學(xué)習(xí)模式為核心，以物理實驗設(shè)計理論及運用為載體，以實驗的形式探究物質(zhì)世界的奧秘，內(nèi)容的選取兼顧實用性和趣味性.

課程內(nèi)容以“理論—實踐—運用”為主線，分為3個專題.專題1為理論篇，涉及的課程內(nèi)容具體為：（1）=1＼*GB3項目學(xué)習(xí);（2）=2＼*GB3物理實驗設(shè)計常用方法.專題2為實踐篇.該專題以項目問題的模式，具體講解項目學(xué)習(xí)的實施程序及實驗設(shè)計方法的運用;通過專題內(nèi)容的趣味性和實用性，使學(xué)生熟悉項目學(xué)習(xí)的實施程序和物理實驗設(shè)計研究常用方法.涉及的項目活動有：（1）=1＼*GB3模擬車禍現(xiàn)場估測車速;（2）=2＼*GB3探究地磁場的水平分量;（3）=3＼*GB3估測地球表面平均輻射能;（4）探究光的衍射現(xiàn)象.專題3為應(yīng)用篇.該專題安排三個綜合探究項目，學(xué)生根據(jù)項目學(xué)習(xí)程序、物理實驗設(shè)計方法及興趣特點，運用已建立的實踐經(jīng)驗自主選取2-3個綜合項目課題并設(shè)計實驗探究.項目活動包含：（1）=1＼*GB3地球表面溫度的測量和質(zhì)量的測定;（2）=2＼*GB3探究磁流體技術(shù)對生活的影響;（3）=3＼*GB3感受聲現(xiàn)象.

案例1 “項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”選修課目錄（見表1）

專題3：應(yīng)用篇之綜合探究地球表面溫度的測量和質(zhì)量的測定（3課時）綜合運用所學(xué)實驗設(shè)計方法進(jìn)行探究

2 基于STEM理念的“項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”課程的開發(fā)

2.1 課程開發(fā)的基本流程

在課程開發(fā)的過程中，需要經(jīng)歷一個從編寫、實踐、修訂、實踐的循環(huán)過程（如圖1），通過這樣的方式，設(shè)計出符合培養(yǎng)學(xué)生物理思維的校本課程.

圍繞課程目標(biāo)、課程框架，編寫每一課時的教材，在編寫好教材后，設(shè)計上課資源，在課堂上進(jìn)行實踐、觀察、思考，課后與學(xué)生個別訪談，最后對課時教材進(jìn)一步修訂.同時，整個過程又是一個循環(huán)體，直到編寫出最佳的課時教材.

2.2 教材編寫的基本框架

基于物理思維的“項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”教材編寫要以培養(yǎng)學(xué)生物理思維為中心的教學(xué)理念，針對我校學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，教材的基本框架主要分為六大板塊：背景與目標(biāo)、器材與要求、科學(xué)與詮釋、工程與制作、技術(shù)與探索、思考與討論.這六大板塊的設(shè)計，是基于物理思維的核心思維所構(gòu)建的，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷問題的抽象與分解、模型的構(gòu)建與實施、思維的批判與迭代的過程.

案例2 選修課“項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”之“感受聲現(xiàn)象”教材節(jié)選

背景與目標(biāo)：聲音是平凡的，又是奇特的.我們生活在一個充滿聲音的世界中，這也許使它顯得平凡;聲音在很多方面豐富并改變著我們的生活，這又映射出它的奇特.那么，聲音究竟是什么？聲音有哪些特性？它還會給我們帶來什么？妙趣橫生的聲現(xiàn)象中究竟蘊(yùn)含著怎樣的物理原理？同學(xué)們認(rèn)為“感受聲現(xiàn)象”這個題目可以作為綜合探究項目的課題.

器材與要求：略.

科學(xué)與詮釋[1]：略.

工程與制作：制作盡量符合實際的測量模型（如圖3-6）.

技術(shù)與探索[1]：

一、聲音的三要素（略）.

二、聲音的反射（略）.

三、聲音的折射（略）.

思考與討論：我們生活在美麗的家鄉(xiāng)塘棲，但是我們學(xué)校的周圍充斥著噪聲的污染，不妨約上好朋友一起應(yīng)用Wensn噪音計探究塘棲街區(qū)的噪聲污染吧.然后請查閱更多資料，結(jié)合塘棲街區(qū)噪聲污染的特點，提出危害預(yù)防的改進(jìn)建議.

物理思維的本質(zhì)是抽象與概括，在編寫教材時，要始終遵循學(xué)生的思維方式.在問題提出后，通過物理語言的方式抽象分析，通過數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)思維來建構(gòu)物理模型，用批判思維的方式來思考.為了能進(jìn)一步拓展學(xué)生思維，從物理思維中的迭代思維入手，讓學(xué)生提出新的設(shè)想，將項目學(xué)習(xí)進(jìn)一步升級，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的物理思維.可見，教材的課時編寫是緊緊圍繞物理思維的.

3 基于STEM理念的“項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”課程的實踐

在教學(xué)過程中，以“做中學(xué)”為理論指導(dǎo)，“教、學(xué)、做”合一.課程實施模式參考黃冬明和聶振雯的“基于PBL雙環(huán)互動教學(xué)模式”（如圖7）.

此模型為雙環(huán)同心結(jié)構(gòu)，中心標(biāo)有“學(xué)生活動”，說明項目學(xué)習(xí)以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，學(xué)生是學(xué)習(xí)活動的主體，所有的教學(xué)活動都須圍繞學(xué)生的學(xué)習(xí)來設(shè)計和開展.內(nèi)環(huán)上的6個小圓圈代表教學(xué)活動的各個環(huán)節(jié).內(nèi)環(huán)中由直線所劃分的6個區(qū)域中的內(nèi)容為學(xué)生在相應(yīng)的各個階段所開展的活動.外環(huán)是一個正六邊形，各方框內(nèi)的內(nèi)容是教師在對應(yīng)各個階段所從事的活動.外環(huán)表示教師在整個教學(xué)活動中是一個指導(dǎo)者、幫助者、監(jiān)督者、資源提供者和合作者[2].

通過學(xué)生直接參與項目并呈現(xiàn)作品的方式，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，將課堂主動權(quán)交還給學(xué)生.通過學(xué)生親身參與設(shè)計實踐和探究，獲取物理實驗及相關(guān)理論等陳述性知識及物理操作等程序性知識，啟迪思維;以學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平和動手能力來組織教學(xué)，循序漸進(jìn).尊重學(xué)生個體差異，鼓勵并積極創(chuàng)造實踐活動的條件和平臺，使思維獨到的學(xué)生有更多的嘗試機(jī)會，在多次嘗試中發(fā)展各項能力，學(xué)會合作和分享，樂于在團(tuán)體協(xié)作的過程中發(fā)揮個人聰明才智，體驗成功.

本課程安排3個專題，共安排18學(xué)時，共計2學(xué)分，其中專題1為2學(xué)時，專題2為8學(xué)時，專題3為8學(xué)時.

在課程開設(shè)方面，在每個學(xué)期開學(xué)的第一周，“項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”選修課程和其他校本課程通過教務(wù)處“選修課選課指導(dǎo)手冊”向?qū)W生公布，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好，進(jìn)行網(wǎng)上選課.

截止2018年8月，累計選課人數(shù)達(dá)到1200人次，在本校選修課中位居首位.根據(jù)教務(wù)處學(xué)生評教的反饋信息，“項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”受到了學(xué)生的熱烈好評和追捧，多次出現(xiàn)報名人數(shù)超過額定人數(shù)的情況.

4 基于STEM理念的“項目學(xué)習(xí)與物理實驗探究”課程的評價

（1）評價主體多元化和互動性.評價主體可以是科任教師也可以是學(xué)生，評價要求客觀、公正，具有激勵性、檢測性.通過師生共同參與和互動交流，有利于全面了解學(xué)生真實的心理和學(xué)習(xí)情況，有利于培養(yǎng)學(xué)生的課堂參與度和學(xué)習(xí)積極性.

（2）評價內(nèi)容多元化.根據(jù)本課程設(shè)置目標(biāo)，開發(fā)項目學(xué)習(xí)評價量表，形成評價體系.課程評價體系包括項目方案設(shè)計評價、項目探究過程的評價、項目成果質(zhì)量評價、成果交流評價、項目完成綜合成績評定.

（3）結(jié)果和過程相結(jié)合的原則.本課程的評價有別于甄別和選拔，力求真實反映學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和成長歷程，體現(xiàn)鼓勵性原則，實現(xiàn)結(jié)果和過程相統(tǒng)一.

參考文獻(xiàn)：

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[6]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003.

[7]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）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-06-23）