基于STEM教育理念下的初中物理试题命制

朱天宇

摘 要：将STEM教育理念融入到初中物理试题的命制中，既能体现STEM教育促进学生跨学科知识整合与应用的理念，又符合当下初中物理学科的评价原则.通过设计基于STEM教育理念的物理试题命制模式，评析近年各地STEM理念下的中考试题，从而为日常教学和命题评价提供参考.同时，STEM理念下的物理试题能更好地促进学生物理核心素养的养成，适应中考改革趋势.

关键词：STEM教育;初中物理;试题命制

文章编号：1008-4134（2019）22-0031 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

STEM教育是指将Science（科学），Technology（技术），Engineering（工程），Mathematics（数学）融为一体的教育，通过其跨学科整合的教学模式促进学生掌握知识与技能，并能进行灵活迁移应用于真实问题[1].国务院颁布《关于深化考试招生制度改革的实施意见》提出的考试评价体系中，强调要求体现学生应用所学知识分析和解决实际问题，具备理论联系实际能力和创新能力.其目的是让学生从“解题”发展为“解决实际问题” [2].因此将STEM教育理念融入到初中物理试题的命制中，既能体现STEM教育促进学生跨学科知识整合与应用的理念，又贴合当下初中物理学科考试评价体系的要求.

1 基于STEM教育理念下的初中物理试题命制

1.1 STEM试题命制理念

基于STEM教育理念的物理试题命制立足培养学生灵活应用跨学科知识解决一个真实问题的能力.试题以《义务教育物理课程标准（2011版）》为指导，立足学生发展，以真实的STEM问题为背景，结合物理教学实际进行命制.同時强调试题的作用不仅仅是评价本身，更应该发挥其教育的功能[3].体现从“生活”到“试题”的迁移，再从“试题”到“生活”的升华.从而落实“培养全面发展的人”的要求.

1.2 STEM试题命制原则

试题命制要基于一个真实的STEM问题，体现解决问题的跨学科综合性，又以物理知识与技能为解决问题的出发点，从中突出课标中“三维目标”的落实与考查.同时凸显人文底蕴、科学精神、实践创新等核心素养的考查与提升.试题命制的基本原则可归纳为：基础性原则、真实性原则、综合性原则、创新性原则和应用性原则[4].

1.3 STEM试题命制模式

在研究大量相关试题的基础上，结合初中物理教学实际，尝试将STEM试题命制模式设置以下几个环节（如图1所示）.（1）试题来源于一个真实的STEM情景，主要包括基于某一项目、基于某种设计和基于探究性问题.（2）试题体现跨学科知识应用的思维，主要表现为是一个综合的项目，而非单一的问题;是一个综合的情境，而非单一的呈现;是一个有机的整体，而非单一的维度[5].（3）提炼适合初中物理解决的部分问题，从基础性问题向创新性问题层层递进.（4）发挥STEM试题的教育功能，学生试题解答的过程也是一个再学习的过程，使学生考有所获，答有所得.（5）通过部分特定STEM试题的解答，充分启发学生实践应用的兴趣.将题设内容结合自己的想法，反馈到真实世界的STEM问题中，从中引发对试题内容的再思考和改进.实现由“解题”到“解决实际问题”的升华.

2 STEM教育理念下的中考试题评析

2.1 基于项目学习的STEM试题

例1 （2019丽水）小丽要外出旅游，为防止阳台上的盆栽植物缺水，想制作一个自动浇花装置.

她在瓶底与瓶盖上各开一个小孔，瓶内装水（如图2甲所示）.发现水从瓶盖小孔快速流出，不能实现长期自动供水.如何才能实现长期自动供水呢？小丽和拓展小组的同学进行了如下研究.

【实验研究】只在瓶盖上开一个小孔，装入4/5的水，留下1/5的空气，瓶子倒放（如图2乙所示）.在20℃的恒温室内，用40℃的湿毛巾包裹在瓶子有气体部位，观察记录1小时内发生的现象.

【实验记录】开始时小孔只滴水（如图2丙所示）;一段时间后停止滴水，没有气泡进入;然后小孔只进气泡、不滴水（如图2丁所示）;最后既不滴水也不进气泡.测出有关物理量，并绘制成图（如图2戊所示）.

换用25℃、30℃、35℃、45℃的湿毛巾重复实验，均产生类似现象.

【实验分析】

（1）瓶子倒置后，瓶内液体对瓶盖存在;

（2）瓶子内气体吸收毛巾上的热后温度会升高，一段时间后逐渐恢复至室温.结合装置滴水的原理以及戊中曲线的变化规律，分析A、B、C、D四点，其中点瓶内气体温度最高;

（3）（实验预测）若用低于环境温度的湿毛巾包在乙瓶子外部，1小时内可观察到的现象是;

（4）（实践应用）小丽和拓展小组同学终于制成了一个自动浇花装置.结合一天中气温变化的大致规律分析，该装置一天中供水的情况是.

评析 本题以制作自动浇花装置为背景，是一个综合的项目.从中涉及科学、技术、工程和数学等多维度的知识融合，体现了STEM教育的理念，激发了学生的好奇心.其次试题提炼的物理知识层层递进，从简单的基础概念，到结合实际问题的分析，接着是预测分析，最后进行实践应用.同时，本试题充分发挥其教育功能，让学生在做题过程中对自制自动浇花装置的原理有了更加清楚的认识，在做题的同时也学到了新的知识.最后，本试题中制作的自动浇花装置，取材简单，生活中实用性强，能激发学生在实践中去制作完成，进一步提升实践能力和创新能力，做到由“解题”到“解决实际问题”.

例2 （2018河北）制作简易气压计，观察大气压随高度的变化.

（1）如图3所示，在玻璃瓶中倒入适量红色的水，将插有玻璃管的橡皮塞塞紧瓶口，红水升到玻璃管一定的高度，但高度不够，你应，使水上升到瓶口以上适当位置，制成了简易气压计.

（2）将简易气压计从四楼移到一楼过程中，发现玻璃管内水柱，说明.

（3）小明将简易气压计放在阳光下，过一会儿，他发现玻璃管内水柱发生了变化，这一现象说明，简易气压计的测量结果会受到影响.

评析 本题以制作简易气压计为项目背景，涉及物理原理、材料选用、制作方法、工

具选择、数学分析等跨学科的知识应用，体现STEM教育理念.提炼的问题是制作过程中可能遇到的难题，以及在使用过程中会出现的状况，使试题本身更具实践意义.同样使学生考有所获，答有所得，启发学生实践应用的兴趣.

2.2 基于设计的STEM试题

例2 （2018哈尔滨）如图3是“水位自动报警器”电路图，容器中装有盐水，L1和L2分别是“2.5V，0.3A”和“2.5V，0.5A”的灯泡，下列说法不正确的是（ ）

A. 液面上升到与金属块B接触时，电磁铁工作，说明盐水是导体

B. 液面上升，金属块A受到的液体压强变大

C. L1 工作1min电流做功45J

D. 若在电路中M点接入电铃，则电铃响说明水位到达警戒线

评析 本题是基于“水位自动报警器”的设计为情景，压强、导电性、电路分析属于科学，电路设计又涉及工程，功率计算体现数学，是一个典型的STEM情景.水位自动报警器设计巧妙，理论联系实际，既侧重考查学生物理知识，又激发学生兴趣，为将来可能在实际生活中遇到的类似设计问题打下基础.

例3 （2019成都）初三实验小组的同学决定设计一个简易的身高测量仪，可用器材有电压恒定的电源、电压表、电阻丝、定值电阻、开关、导线（若干）等.他们的设想是：用滑片在绷直的电阻丝上滑动代替滑动变阻器;将电压表改装成身高显示仪，所测身高越大，显示仪示数越大，且刻度均匀.

（1）同学们设计了如图4-1所示电路，老师指出他们的设计有不够合理的地方.你认为下列分析正确的是.

A. 移动滑片P时.电路的总电阻没有变化

B. 当所测身高越大时，电压表的示数越小

C. 电压表的示数变化量跟身高变化量不成正比

D. 电压表的示数不能由零变化到最大刻度值

（2）在老师的引导下，同学们设计出了正确的电路，是图4-2四个电路中的电路.

（3）确定正确的电路设计方案后，小组成员开始对器材的参数进行选择.他们采用了电压为12V的电源、一根长为80cm的均匀电阻丝（0.5Ω/cm）、量程为0～3V的电压表.为了让测量仪测量身高的范围能达到最大，且测量精确度最高，选择的定值电阻R1的阻值应该为Ω.

（4）利用选定的器材.小组同学连接好了测量电路.对身高为160cm的小曾进行测量时，电压表的示数为1.5V;对小杨进行测量时，电压表的示数为1.2V，则小杨的身高为cm.

评析 本试题以设计简易的身高测量仪为载体，侧重考查了动态电路、欧姆定律等知识点.第（1）问，对学生设计的分析，既能达到考查目的，同时又能启发学生在设计中应注意到的实际问题，使设计更加合理.第（3）、（4）问，结合科学和数学展开对器材参数的选择，为实践中的技术和工程问题提出理论指导.学生在答题的过程，也是经历产品在走向应用前的设计和改进的过程.从中培养学生理性思维、批判质疑和勇于探究的科学精神.

2.3 基于探究性问题的STEM试题

例4 （2018宁波）实验室购买了一卷标有长度为100m的铜芯包线，小科想通过实验测定其实际长度.他首先测得导体横截面积S为1mm2， 查阅资料得知现温度下这种导线每米的电阻值为0.017Ω.

（1）利用图5-1所示的实物图测出铜导线的电阻.

①实验中，小科在闭合开关前应将滑片P置于最端.（填“左”或“右”）

②小科通过移动滑片P，测得多组数据，绘制成U-I图像如图5-2，据此可以判定这卷导线的实际长度100m.（填“大于”“等于”或“小于”）.

（2）小思认为用电子秤测出这卷导线的质量m，利用铜的密度ρ，也可以算出实际长度.请你写出这卷导线实际长度l计算式：l=（用字母表示）.

评析 本试题是基于一个探究性问题的STEM试题.以测定铜芯包线长度为探究性问题，引发学生思考与实践.其中应用多种探究的方法，查阅资料、实验、观察等，展现出面对一个实际问题时，我们应该采取的思考方向.同时，本实验题又蕴含开放的思维方式，提出了2种测量方法，也启发学生在解决实际问题时能多维度地去思考问题，提出多种解决方案.

3 STEM物理试题命制中应注意的问题

实践应用中发现，基于STEM教育理念的初中物理试题命制，还应该注意以下几点：试题选取的STEM项目背景应贴近生活实际，具有可操作性;问题设计时，应侧重提炼符合初中物理教学实际的问题，不应为了强行贴合STEM理念而提出超出考纲要求的设问.使试题最终回归到在这个STEM项目背景中，初中物理知识应发挥的作用;在日常教学和考试评价中，有意识地渗透STEM教育理念，能有效提高学生解决类似STEM试题的能力;试题完成后，若有条件，可以鼓励学生在实践中进行应用，从中引发对试题内容的再思考和改进.真正实现由“解题”到“解决实际问题”的升华.

4 结语

基于STEM教育理念的初中物理试题命制，既能体现STEM教育促进学生跨学科知识整合与应用的理念，又符合当下初中物理学科的评价原则.此类试题能有效促进学生“科学思维”“科学探究”“科学态度和责任”等物理核心素养的培养，使试题不仅仅停留在评价功能，更发挥其教育的功能.同时，通過STEM教学实际与STEM试题评价相结合，能更有效地提高学生面对未来世界时解决真实问题的能力.

参考文献：

[1]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（04）：13-22.

[2]吴炳光.浅谈核心素养背景下高中物理试题的编制理念——基于2017年高考理综物理试题的特点评析与改编[J].课程教学研究，2017（10）：80-83.

[3]赵承忠.编制初中物理试题要注意发挥其教育功能[J].物理教师，1992（09）：39-41.

[4] 李志真.基于物理核心素养下的物理试题命制[J].中学物理，2019，37（08）：63-65.

[5]蔡呈腾.基于STEAM教育理念考查科学精神——以2018年浙江省温州市一道科学中考题为例[J].基础教育课程，2018（Z2）：67-73.

（收稿日期：2019-07-11）