基于STEAM教育理念的中学物理实验教学策略研究

2018-12-29王佳伟张轶炳

中学物理·高中 2018年12期

王佳伟张轶炳

摘要：基于STEAM教育理念的中学物理实验策略是一种新型的教育理念，旨在打破传统物理实验教学的禁锢；提升学生的学习兴趣、创新思维以及科学素养.首先介绍了STEAM教育理念的发展背景以及特点；其次将STEAM教育进行本土化和学科化分析，及应用STEAM教育理念在我国中学物理实验教学中的可行性；以期通过STEAM教育理念在中学物理实验教学中的引入，在阐述教学策略有效性的同时，在一定程度上提高中学物理实验教学的效率.

關键词：中学物理；实验教学；教学策略；STEAM教育

基金项目：宁夏高等学校科研项目，项目编号：NGY2016077.

作者简介：王佳伟（1990-），男，甘肃张掖人，本科，硕士研究生，研究方向：中学物理教学.

通讯作者：张轶炳（1963-），女，宁夏银川人，硕士，教授，研究方向：物理教育.

1引言

中学物理是一门以实验为基础的学科，在实验教学过程中教师不仅要向学生传授各种定律使其理解课本的内容，更要引导学生观察验证各种物理现象促进学生对概念的理解，激发学习动机、培养操作能力、发散创新思维，达到学而知其然，还能知其所以然的目的[1].尤其随着新课程改革对物理实验教学要求的提高，为提高教师的实验教学素养和学生的实验学习效率，出现了大量传统和新型的关于中学物理实验教学策略的研究.徐州市第十三中学的王松老师提出的物理实验教学策略包括[2]：创设教学情境、优化教学过程以及营造良好环境以期提高物理实验教学效率.苏州工业园区星海实验中学的张月兰老师[3]提出了“活动、技术、实验”融合的物理实验教学策略.同样，借助信息技术教学手段提高教学效率的研究引起关注.银川市第二十四中学的赵旭升老师[4]使用微课这一新型的互联网学习方式与传统的物理实验教学结合，通过微课不受时间地点限制的优势促进了学生的学习积极性并提高了学生的学习效率.以上这些物理实验教学策略研究总体可以分为两方面：一是教学方式的研究；二是教学工具的研究.一堂高效的物理实验教学课程需要同时考虑这两个方面的结合与比重，不能喧宾夺主，脱离物理实验教学的初衷.STEAM教育理念，是一种集合了科学、技术、工程、艺术等多种学科的综合教育模式[5]，它旨在促进学生的概念理解，提升学生解决问题的能力、以批判性思维和科学推理提升学生的科学素养和创新能力，加强学生的沟通与团队合作.笔者希望能将STEAM教育理论与中学物理实验教学相结合，突破传统物理实验教学模式的禁锢，提升学生的综合素养.

2STEAM教育

2.1STEAM教育的发展背景

STEAM教育是科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）、艺术（arts）以及数学（mathematics）五个学科英语单词的首字母缩写，它代表着不同领域的学科在不同主题下相互联系并应用在现实生活中[6].STEAM教育是在STEM教育的基础上加入艺术这一学科发展起来的，实践证明，加入艺术学科后能够更好地提升学生的学习兴趣，注入人文创新理念.STEM教育最早是由美国罗德岛设计学校开发并推广的一项教育工程，被美国政府大力推广以期提高其全球的影响力和竞争力，并被广泛地应用于机构、企业和个人.STEAM教育在美国的重要性等同于我国的素质教育，美国政府对于STEAM教育投入大量经费，足以说明其重要性[7].而现如今，STEAM教育已在全球范围产生影响，引起了教育界的广大关注.

STEAM教育在我国刚刚起步，因此大多数中学物理老师对此并没有很深的了解，也没有区分STEAM教育和STEM教育，两者的关系如图1所示.教师对STEAM教育的认识仅仅停留在政策解读上，比如2017年3月1日，由教育部教育管理信息中心、北京师范大学联合北京国信世教信息技术研究院共同撰写并在北京八一学校发布的《中国STEAM教育发展报告》[8].因此，我们需要大力推广STEAM教育理念并寻求其在物理实验教学中的应用.相信随着国内教育工作者对STEAM教育的重视，人们将愈发注重真正落实好该理念，STEAM课堂教学的研究也将成为人们关注的热点.

2.2STEAM教育的特点

STEAM教育是一个基于自然学习方式的功能性教学框架，适用于各种类型的教师和学生[9].针对培养学生“带走的能力”，而不是“背不动的书包”[10].STEAM教育拥有先进的教育理念，其具有以下特点.

221项目为导向

STEAM教育主张以项目为学习实践单位，让学生通过完成项目去学习知识，锻炼动手能力，这样不仅能够激发学生的学习动机和学习兴趣，还能够增强学生的团队协作能力和沟通能力，让学生“学中做，做中学”.

222不同学科交叉，综合性强

STEAM教育将多种学习综合起来，不同学科的教师可以灵活交叉各科的学科知识，让学生能够融会贯通，使学生的学习能够体系化，达到触类旁通的效果，增强了学习的趣味性，拓宽了学生的知识面.同时，通过STEAM教育，学生能够将所学知识和生活实际相结合，真正做到学以致用.

223注重过程而非结果

应试教育让教师、学生、家长，乃至整个社会都将重点放在了学习结果上，反而忽略了学习的本质是激发学生的学习兴趣，让学生学会学习，学会思考，最终拥有发现问题和解决问题的能力.反观STEAM教育则不然，其更加注重学习过程，而非学习结果，旨在减轻教师的教学负担和学生的学习负担.从而让学生真正地沉浸到学习中，拥有学习乐趣，获得满足感.

224允许学生犯错，增强学生创造性

STEAM教育本质上是一种允许学生犯错的教育理念，敢于让学生犯错，鼓励学生大胆尝试，提出自己不同的想法，不去人云亦云，能够做一个独立思考的学习者，这与以标准答案为基准的传统教育有很大区别.同时STEAM教育能体现创新是科技生产第一发展要素这一特征，可以有效激发学生的创造力.

225灵活性强，适用面广

STEAM教育虽然起源于美国，但被全球教育家所认同，除了以上四个特点，还有一个特点是STEAM教育理念能够适用于各个国家和地区.以我国为例，不同地区的教育工作者可以结合本地的风俗习惯和地方特色，创新教育形式，设计适应本土化的创新型教育模式.

2.3基于SWOT分析法的STEAM教育本土化可行性分析

STEAM教育理念作为一种舶来品，它有别于传统的单学科严格界定、重书本知识传授的教育方式.STEAM教育是一种重实践的跨学科整合的教育理念和教育模式[11].基于STEAM教育的诸多优势及特点，不论是采用其教学理念广泛地指导实际教学，还是将其与中学物理实验课程这样具体的课程进行结合，都需要对其进行严谨的、客观的可行性分析，不能信手拈来，见好就用.

所以，本文采用SWOT分析法，即态势分析，将STEAM教育引入并与中学物理实验课程结合的内部优势、劣势和外部的机会和威胁等进行分析（见表1），通过分析列举出来，并依照矩阵的形式进行排列，继而使用系统分析的方法，把多种因素相互匹配并加以总结，从中得出STEAM教育理念与中学物理实验课程相结合可行的相应结论，最后以STEAM教育理念对中学物理实验课程提出有建设性的实验实施策略，指导中学物理实验课程的有效实施，提高物理实验课的教学效率.

通过表1的分析，对于将STEAM教育理念引入并与中学物理实验课程结合，其优势和机会点较为明显，不论是其各方面能力的培养还是未来的发展前景，STEAM教育理念与中学物理实验课程结合的未来都大有可为.对于STEAM教育理念引入与结合的劣势和威胁，中学物理实验课程在当前和未来都可以为其提供合适的平台.例如，实验课程的实验环境、实验仪器操作、实验模式和实验背景等，都与STEAM教育理念所强调的情境性、实践性、协作性和艺术性异曲同工，尤其是基于项目学习、以问题为驱动的特性，可以为明确物理实验目标、探索新式实验模式给予较大的启发.因此，鉴于二者结合的可行性，提出若干基于STEAM教育理念的中学物理实验策略，以其对中学物理实验课程内容的丰富及教学效率的提高有所助益.

3基于STEAM教育理念的中学物理实验策略

3.1注重不同实验体系之间的融会贯通

从中学物理各实验体系的关系出发，借鉴STEAM教育理念的超学科特点，有效地建立各实验体系及学科之间的相互关联.众所周知，当前的中学物理实验体系比较分明，力学、光学、电学以及磁学实验划分比较明确，通常教师在进行某一体系的实验时，只会选用该体系相关的实验仪器和设备，各种实验体系及相关的仪器设备的联动会完全停滞，没有做到各实验体系的融会贯通.一旦展开各实验体系的联动，物理实验的教学效果可有较为显著的改观.如图2所示，在声现象的实验教学当中，加入DIS实验系统的应用，不仅可以即时显示动态化声音波形，对未知的声源进行定量分析，还可以完成传统实验无法完成的操作，其联动优势是传统实验无法比拟的.在现实的中学物理实验教学中，各实验体系之间的联动，是需要实验教师大胆设计方案和谨慎实验求证的，需要不断地去实践和总结经验.

与此同时，中学物理实验课程在当今世界“互联网+”的大背景之下，其可以进一步融合教育学、心理学、管理学等多种学科的知识理念，以物理学科为主体，与其他学科知识交叉融会，共同完成实验教学.这样不仅反映实验课程的真实性，又使其充满生活和学习的趣味，使学生在实验过程中有所收获，以此提高物理实验教学的效果和质量.

3.2重视物理实验情景，创设情景化的实验教学环境

当前的中学物理实验，存在较为固定的、程序化的教学思维模式，即学生课前预习实验，课上听教师讲解实验，课中操作实验，课后完成报告，即进行以实验为中心的实验.而按部就班的实验方式忽略了物理实验所提供的真实的实验环境，与倡导以学生为主体的教育理念背道而驰，因而这样的中学物理实验往往让学生感到实验操作难度大、内容枯燥无味，最终导致学生的实验积极性不高.STEAM教育强调学生通过学习环境获得的知识的理念，重新注重中学物理实验所提供的实验情景，创设情景化的实验教学环境.

首先，教师转变实验教学的理念，将课堂中心由实验转移到学生，设计制作以学生为中心的实验方案，创设积极良好的实验氛围，在充分考虑到学生的个性化学习的前提之下，利用微课、网络教室及物理实验资料库等信息技术手段和资源媒体提供支持，以此来组织实验教学，激发学生的实验兴趣.

要在真实的物理实验课堂上营造情景化的实验教学环境，就要把握好本节实验课实验前情景化设计.

（1）根据实验教学内容，设计实验教学环节.即将一节实验课详细划分为几个环节，并处理好几个实验环节之间的逻辑联系.例如，测定金属丝的电阻率实验中，课前的实验预习可改为课堂上的实验预处理环节，在熟悉实验仪器的前提之下，运用虚拟实验室率先在计算机上尝试线路的连接，这样既能快速掌握电路的连接方式，保护实验设备，节约课中实验时间，也能更快捷地判定实验电路中电压表和电流表所采用的特殊解法（如图3所示）.

（2）设计精细的实验指导材料，依据实验背景，充分挖掘设备说明书和实验指导书，以材料为依托，给学生想象力的同时，锻炼学生独立实验能力并培养学生的实验素养.

（3）引导学生的实验学习跳跃，在教师的阐述下明确实验目的和内容，凝炼本节实验课的知识点，将注意力拉回实验本身，教师采用多样的信息技术手段将实验内容动态化、交互化和功能化，方便学生获取目标内容，在寓教于乐之中完成知识的传递和获取.

3.3采用问题驱动式的实验方式

纵观目前国内外的STEAM课程，不难发现其倡导真实问题解决的驱动方式和学生主动探索的学习方式，虽然与传统的教学方式相去甚远，但是其培养学生实际动手能力的效果相比传统教学方式却更加显著.因而在中学物理实验课程中采用问题驱动式的教学，将能在一定程度上提升实验课教学效率.在驱动式实验教学中，教师要充分吃透实验内容，把握实验的重难点操作，以学生已有的認知基础为平台，设计富有生活反馈及任务挑战的实验问题，引导学生进行实验思考，进行实验操作.在整个问题驱动式实验过程中，学生处于主体地位，教师是实验进程的辅助和导向，实验目的是驱动内核，教师通过有限的引导使得学生推进实验的进程，教师要明确以解决核心实验问题为主要目标，让学生小组乃至个人围绕问题，寻求解决方案的多种实验方法.使学生在问题驱动的环节中重复问题驱动步骤（图4），让实验中的不明确问题浮出水面，得到一次性解决.

除此之外，中学物理实验课程和STEAM课程也并不是毫无关联的双轨课程，我们发现，中学物理实验中的探究实验所倡导的探究式学习和STEAM课程中的问题驱动有着异曲同工的教学思维和方式，这正是STEAM教育理念渗透于中学物理实验课程的契入点.中学物理探究实验，是学生在不知晓实验结果的前提之下，通过自己的实验、探索、分析、研究得出实验结论，从而形成物理知识概念的一种认知活动，其引导学生开展实验的前提条件往往就是问题.因此，我们可以加强问题驱动式与探究式实验的契合程度，重视探究性实验在中学物理实验当中的有效应用.与此同时要注意，以问题驱动式方式开展的实验不能只针对单个的实验学生，教师要注意在实施过程中组织学生以小组协作的实验方式进行实验，这样以小组为单位的教学形式，不但可以减轻问题带来的压力，同时可以促进小组内成员的互相交流与合作，在潜移默化中培养学生探究问题、深化问题、拓展问题的能力.

3.4整合数字化资源，创建“双术”实验和学习系统

当前，中学物理实验多采用教师口头讲授方式，并在实验室中完成教学，这样一对多的教学形式比较单一，学生的实验地位也比较薄弱，他们对于实验目的、内容以及操作并没有进行深度加工，因而实验的积极性、主动性不高，最终导致了学生创新能力培养缺失.同时在实验时，学生只能面对单一的实验仪器，对于已经熟悉或者取得实验数据的学生来说，实验仪器可能就没有了二次操作的必要.更者，单一取得实验数据就能完成本节课任务的学习心理，可能会进一步降低实验课的教学质量.

针对这样的问题，同样借鉴STEAM教育的知识与能力并重、多学科知识迁移学习的理念，运用实验技术拓展、创造发明等多种呈现方式，增加物理实验的技术性、艺术性体验，创建文化式的实验及学习系统.

例如，利用微课打破教师讲授实验操作的教学模式，将实验目的、器材、步骤等实验具体环节拆分成视频模块，根据课前学生对于本实验的掌握情况筛选自己所需的视频碎片自主化学习，这样不仅有效地引导了学生自学，而且为教师的教学提供了更多自主化选择（如图5）.与此同时，利用慕课等多媒体资源扩大中学物理实验的教学影响，为完成实验以及对本学科感兴趣的学生展示最新实验成果、趣味科普内容以及学生自己的创造发明，实现学生真正跨学科、自由化、多样化学习，充分体验STEAM教育为中学物理实验带来的实验性和情境性交互融合的实验感受.

5结论

STEAM教育理念的核心素养正好能够弥补我国学生创新性薄弱的缺点，其优势能够应用于我国目前中学物理实验教学中，通过融合STEAM教育理念，初

中物理实验教学能够激发学生的自主学习能力、独立思考能力和创新能力.本文通过给出若干融合STEAM教育理念的“本土化”中学物理实验教学策略，并以案例说明验证了教学策略的可行性，该策略的可复制性和普适性较高，广大物理教育工作者可以参考该策略并应用到教学中.

参考文献：

[1]檀亚丽，许敏，桑芝芳.中学物理教学研究热点及趋势的可视化分析[J].物理教师，2018，39（03）：6-11.

[2]王松.初中物理教学策略研究[J].新课程·中学，2016（10）：21.

[3]张月兰.“活动、技术、实验”融合的初中物理教学策略探析——以“磁体与磁场”一课为例[J].中学物理教学参考，2017（9）：15-18.

[4]赵旭升.微课在初中物理教学中的应用策略研究[J].物理教学探讨，2016， 34（11）：64-65.

[5]师保国，高云峰，马玉赫. STEAM教育对学生创新素养的影响及其实施策略[J]. 中国电化教育， 2017（4）：75-79.

[6]王娟，吴永和."互联网+"时代STEAM教育应用的反思与创新路径[J].远程教育杂志， 2016， 35（2）：90-97.

[7]张海龙，马亚鹏.2017年度中学物理教育教学研究综述——基于《中学物理教与学》论文转载情况分析[J].物理教师，2018，39（02）：2-6+15.

[8]苏乐.STEAM视角下的小学《科学》教学设计研究[D].曲阜：曲阜师范大学，2017.