科创教育促进学生物理核心素养发展的策略

罗世洪

摘 要：近年来，“数字化实验”“3D打印”“VR体验”“互联网+”等新技术或新设备逐渐进入到中小学的课堂教学之中，给高中的教学带来了新的机遇与挑战。近年来，笔者对高中的数字化物理实验、3D打印和科技教育进行了一些研究，并开展了一系列将科创教育融合于高中物理教学的探究活动。在此研究基础上，对科创教育与高中物理核心素养的融合进行了探讨，提出了一些粗浅的策略，并通过实践进行探索。

关键词：科创教育；物理核心素养；3D打印

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2019）2-0068-3

1 研究背景

近年来，“数字化实验”“3D打印”“VR体验”“互联网+”等新技术或新设备逐渐进入到中小学的课堂教学之中，并给高中的教学带来了新的机遇与挑战。而科创教育作为跨学科、融合多种新技术的创新教育，正在席卷全国，并逐步进入到中小学之中。笔者所在的高中于2013年创建了数字化探究实验室。近年，学校正在筹备建设创客中心。目前，以跨学科的校本课程为依托，我校已经开展了一系列的科创教育活动，积累了丰富的研究资料。但是，如何将科创教育与高中物理教学有机结合起来，将高中物理核心素养有机融合到科创教育之中，还有待探索。因此，笔者希望本文的研究能够起到抛砖引玉的作用，引起更多研究者的关注与研究。

2 科创教育与高中物理核心素养

2.1 科创教育的概念

《教育信息化“十三五”规划》中明确提出，要积极探索信息技术在跨学科学习（STEAM教育）以及创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力。因此，科创教育是一种将创客教育和STEAM教育融合在一起，并以跨学科学习为主的创新型教育。

STEAM教育是由美国的STEM教育发展而来。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简写，是由奥巴马大力推进的一种综合课程，该课程旨在从小培养学生的动手、创新、综合运用科学知识的能力[1]。随后，在原有四科的基础上加入了Art（艺术）学科，多个学科相融合从而得到STEAM教育。需要指出的是，艺术（Art）狭义上指美术、音乐等学科，而广义上则包括美术、音乐、社会、语言等人文艺术。

创客教育广义上是一种以培育大众创客精神为导向的教育形态，狭义上的创客教育则应是一种以培养学习者，特别是青少年学习者的创客素养为导向的教育模式[2]。2016年创客教育专家委员会对现阶段创客教育进行了重新定义：创客教育是创客文化与教育的结合，是基于学生兴趣，以项目学习的方式，使用数字化工具，倡导造物，鼓励分享，培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育[3]。

实际上，关于科创教育的定义，目前还没有统一的界定。笔者更倾向于这样理解：科创教育是一种强调学生在玩中做、做中学、学中做、做中创的教育形态，是在“互联网+”时代新出现的一种融创新教育、体验教育、项目学习等思想为一体的新型教育模式；是一种培养学生具有实践、创新、协作、分享特质的素质教育；是一种以STEAM课程和创客教育为载体，在课程中体验，在活动中创新，注重动手实践、注重跨界融合、注重开拓创新、鼓励协作分享和强调做、学、创合一的教育理念。

2.2 高中物理核心素养的概念

物理学科核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身發展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习，内化的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的关键部分。物理学科核心素养主要包括以下四个内容[4]：一是物理观念；二是科学思维；三是科学探究；四是科学态度与责任。物理观念包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素。科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素。科学态度与责任主要包括科学本质、科学态度、科学伦理、STSE等要素。

3 科创教育与高中物理核心素养的融合策略与实践

笔者研究发现，科创教育的理念与美国教育家杜威的“做中学”理念相似，与我国的高中物理核心素养也有共同之处。它们都强调“体验式”的学习方式，强调学生参与、合作、分享，并且科创教育与高中物理核心素养都注重培养学生的创新精神。因此，笔者认为将高中物理核心素养的培养融入到科创教育之中是可行的。同时，在高中物理教学之中引入科创教育也是很有必要的。那么，如何将科创教育与高中物理核心素养融合起来呢？笔者认为可以从以下四方面入手：

（1）以项目为驱动。科创教育实质上是以完成项目为载体的一种教育形式。在做项目时，通过学习各种相关知识或者技能，解决项目中遇到的问题，完成项目设计，并最终将项目的创意变为现实或者制造出产品。这与目前芬兰实施的“任务式”课程改革类似。实际上，在高中物理教学之中，笔者发现学生最大的问题是建立物理模型非常困难。因此，笔者在教学时，经常会让学生进行一些探究活动，实际上也可以认为是完成一些项目。比如，在研究必修2的“圆周运动”这部分内容时，学生对于“圆盘模型”“漏斗模型”“圆锥摆模型”“过山车模型”“绳模型”“杆模型”等物理问题，特别是临界问题理解起来比较困难。因此，笔者在讲解这部分内容时，就让学生用纸板自制圆盘模型、用塑料桶自制圆筒模型、用塑料瓶制作“水流星”以及利用实验室的向心力演示仪等探究圆周运动问题。又如，在研究选修3-5的“动量”这部分内容时，笔者让学生利用大饮料瓶、自行车气芯、软木塞等制作“水火箭”探究冲量问题。多次实践表明，大部分学生在探究活动过程中表现非常积极，会主动学习以解决问题。在小组制作模型的过程中会进行分工合作，在展示汇报时会分享模型制作的心得体会。这完全符合高中物理核心素养对于“科学探究”与“科学思维”的要求。特别是在制作物理模型进行探究活动过程中，更是培养了学生的“模型建构”“质疑创新”等能力。因此，笔者认为以项目为驱动，可以将高中物理核心素养与科创教育有机融合。

（2）以3D打印为支撑。创客教育是科创教育的重要组成部分，而创客教育的最大特点就是利用3D打印技术。3D打印技术包含3D建模与3D打印[5]。3D建模主要是通过三维软件将物理模型设计为3D模型。目前应用较多的有3Done、123D等，而笔者选用的则是比较专业的3Dmaxs。3D打印是通过3D打印机将设计的3D数字模型直接打印出来，从而生成3D实物模型。这为高中物理模型的建构又提供了一种新型、高效的途径。笔者曾组织学生利用3D打印开展了探究圆周运动的建模体验活动。在体验探究活动中，笔者与其他老师和学生一起进行了3D模型的设计与打印，设计、打印的“3D过山车模型”（如图1）获得了重庆市第32届科技创新大赛教具制作三等奖。

笔者发现3D打印可以极大地调动学生的积极性，激发学生的学习兴趣与创新精神。特别是在3D打印体验活动中，需要师生根据自己的已有知识和对于圆周运动中的物理模型的理解，共同进行3D物理模型的草图设计，利用3D软件进行3D模型建构，然后利用3D打印机打出实物模型，最后利用实物模型进行实验探究，验证实验假设。这样的活动对于高中物理核心素养的形成有着极大的促进作用。因此，笔者认为以3D打印为支撑，有助于在开展科创教育活动中渗透高中物理核心素养。

（3）以过程体验为中心。科创教育还有一个特点是注重过程体验。实际上，这与高中物理核心素养的“过程体验”要求一致。例如，当学生设计一个物理探究实验时，首先需要搜集大量的资料，并对这些资料进行分析综合。而在获取信息时，往往需要学生发现问题、提出问题，然后进行假设，而后进行推理、理论验证等，最后进行实验探究，得出结论，交流、分享。当然，学生有可能会实验失败，但是学生在实验探究过程之中仍然会学到很多知识，物理核心素养仍会得到提升。实际上，这些能力和素养在科创教育活动中也能得到大力提升。例如，笔者曾指导一个学生设计了一个“吸尘粉笔擦”。这位学生在平时观察到老师在擦黑板时，粉笔灰经常到处飞，于是提出了“吸尘粉笔擦”的创意。在笔者的指导下，该学生在专利网、百度等网络上搜集了大量资料，并对这些资料进行分析，最终提出了“吸尘粉笔擦”的创新设计，即在粉笔擦上增加一个吸尘装置（利用吸尘器原理）。然后，他开始绘制设计图纸（主体部分、吸尘装置部分、电池盒、电动机等），这些设计图纸都是由学生自己独立完成。他根据图纸用PVC材料制作了粉笔擦外壳，并加上了羊毛、电动机、电路、电池等。最后验证了粉笔擦的吸尘效果，还进行了一些修改完善。虽然他的设计没有达到理想预期，但是基本能实现吸尘的功能。最重要的是，在研究“吸尘粉笔擦”的过程中，学生的“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”等物理学科的核心素养都得到了大幅提升。因此，笔者认为以过程体验为中心，可以将物理学科核心素养很好地融入到科创教育活动之中。

（4）以创新为宗旨。《国家创新驱动发展战略纲要》《国家中长期教育改革和发展規划纲要（2010—2020）》《教育信息化“十三五”规划》等文件中都强调了“创新”的重要性。因此，在高中对学生创新精神的培养尤为重要。无论是科创教育还是物理核心素养也都突出了创新精神的作用，特别是科创教育，其核心理念就是创新。例如，在开展3D打印体验探究活动过程中，教师和学生对于圆周运动的几个物理模型的设计，利用3D软件进行的建模，并用3D打印机打印出实物模型（如图2），实际上就是一种创新。当然，在这个过程中，笔者和学生都遇到了很多困难。但是通过共同学习，通过互联网的共享资源，最终解决了这些问题，并实现了利用3D打印模型进行探究实验的目标。

4 问题与讨论

多次实践表明，在物理教学过程中融入科创教育活动，可以更好地培养学生的科学思维，提高学生的模型建构和创新能力，促进高中物理学科核心素养的提升。同时，这样的活动对于学校科创教育的开展也起到了促进作用。当然，在开展这样的活动过程中，笔者也遇到了很多问题。但是，只要越来越多的专家、教师加入到科创教育的研究之中，这些问题都将迎刃而解。并且，通过科创教育这一方式，将会打破学科教育的限制，实现跨学科的创新学习模式。

参考文献：

[1]傅骞，王辞晓.当创客遇上STEAM教育[J].现代教育技术，2014（10）：38-39.

[2]陈永霖，金伟琼.中美高校创客教育比较研究[J].高等工程教育研究，2017（1）：169-173.

[3]谢作如.《校园创客空间建设与校园创客活动案例研究》课题研讨会暨“2016创客教育专家委员会第一次会议”[DB/OL].http//blog.sina.com.cn/s/blog_6611ddcf0102w66t.html.

[4]林明华.高中物理核心素养的内涵与培养途径[J].福建基础教育研究，2016（2）：4-6.

[5]兀旦晖，赵晨飞.3D打印技术在教学中的应用研究[J].课程教育研究，2013（21）：185-186.

（栏目编辑 张正严）