STEM视野下初中物理课堂的开发策略

方淑贞

【摘 要】STEM教育理念融合了科学、技术、工程、数学等多学科知识，强调对学生创造能力、创新精神和实践能力的全面培养。作为跨学科综合教育形态，STEM教育体现了体验性、艺术性、设计性、趣味性、情境性与技术性的核心特征，鼓励学生在探究式的学习环境中，运用多学科知识经验主动发现问题、分析问题、解决问题，使学生在多维度的项目设计实践中，能有效锻炼、提高自身的思维品质、动手操作能力和科学素养，并在解决实际问题的过程中，可以正确深入地认识事物的本质与变化规律。教师在STEM视野下，要以学生的生活经验和思维发展规律为依据，精心设计具有思考性、探索性、操作性的科学实践活动，使学生能综合运用多学科知识经验和操作技能，分析数据、解决问题，逐步形成严谨的科学思想和创新精神。

【关键词】STEM教育理念;初中物理;实践活动

【中图分类号】G633.98  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2020）04-0131-04

初中科学涉及物理、化学、生物等多学科知识，是培养和发展学生理性思维、科学精神、和实践技能的重要基础课程。当前在科教兴国的战略背景下，教师要注重对学生科学兴趣和科学思想进行启迪和引导，为学生提供开放性、实践性、自主性的科学课程，通过合理的教学规划和新颖多样的教学形式，使学生在动手动脑的过程中，综合运用科学、技术、工程和数学知识，完成实践技能和科学素养的提升和积累。同时教师在STEM教育理念下，要尊重学生的独特观点和体验，设计符合学生发展规律和学习兴趣的综合实践活动，鼓励学生运用已有的知识技能解决各种问题，使学生在循序渐进的亲身经历中，应用严谨的科学、技术、工程、数学内容展开个性化的学习和实践操作，进而能在自主构建创造性和创新性科学思想的基础上，获取丰富的知识经验。

1   设计问题情境，明确任务目标

STEM即Science、Technology、Engineering、Mathematics简称，涵盖了科学、技术、工程、数学多学科知识，STEM要求学生在解决问题的过程中，能相互交叉、渗透多学科知识经验，运用科学原理和技术技能，创造性的解决问题。教师在初中科学课程教学中融入STEM教育理念，要以项目任务为导向，依据教学内容目标和学生发展需求，设计符合学生思维规律和兴趣特点的生活化情境，组织学生在情境背景中，思考探索解决问题的方法，创造性的完成项目学习任务。

教学活动的开展要突出学生的主体作用，强调教学过程的情境性、协作性、趣味性和体验性，教师要密切联系学生的生活经验和兴趣话题，设计问题情境和学习内容，鼓励学生在宽松、自由、富有挑战性的氛围中，利用已有知识经验主动探索、创新知识技能。通过数学、科学等各学科知识间的相互支撑、相互补充、相互融合，辨别问题的本质与客观事物的发展规律，使学生在探索问题、解决问题的过程中，体验到创造的成就感和学习的乐趣，并在深刻领悟科学技术知识的基础上，实现综合素养的全面、协调、可持续发展。

如在《水的浮力》教学过程中，教师将工程、技术、科学、数学进行整合，开展“自制简易潜水艇”的项目教学活动，向学生明确任务目标、要求，组织学生运用阿基米德原理进行严谨验证和检验，通过浮力与重力关系的公式推导，了解水的浮力，了解物体在水中的浮、沉条件与规律。本次STEM科学课程与实际生活联系，融入了工程技术要素，要求学生对材料硬度、尺寸进行计算测量，设计出外形美观的潜艇，在了解潜水艇原理的基础上，知道物体所受的重力与浮力的关系。“自制简易潜水艇”项目活动开始前，教师向学生创设情境，让学生思考“现实生活中气球为什么能升空？热气球为什么能时而上升、时而下降？”“轮船为什么能在水面上平稳的航行？”“请问潜艇怎样实现上浮和下沉的？”等問题抛出项目以驱动问题，激发学生的探究兴趣和逻辑思维潜能，使学生能以积极、主动、自觉的情感态度，学习探究“水的浮力”。教师向学生分发学习任务单，详细罗列本课知识重点、项目任务时间、任务标准以及所需材料，如气球、橡胶塞、注射器等。要求学生以小组为单位进行协作创新，结合自己已有的技能、方法、经验、工具制作潜水艇，并分析潜水艇在水中上浮、下潜、停留时的情况，培养学生的动手能力、观察能力和思考能力。学生已初步掌握了二力平衡的相关知识，并开展了项目活动，组织学生深入探究物体浮沉的条件，不仅可以让学生了解潜水艇浮沉的原理，理解物体在水中浮沉的状态，还能进一步巩固强化学生对力与运动关系的理解，知道物体在上浮、下沉时，浮力与重力间的关系。

教师将STEM应用于科学课程教学实践中，要采取探究式、引导式的教学方法，激发学生对项目活动内容的探究兴趣，同时教师要围绕学生的学习水平、认知能力和生活经验，设计学习活动，使学生在设计构想、协作互动、测试改进、评价反思的实践操作过程中，体会到学习的乐趣。教师要通过科学合理的教学规划，将科学知识技能与多学科知识融合交叉渗透，让学生可以充分发挥自身的思维潜力和创新精神，在探究式学习中完成知识技能的积累与内化。

2   观察分析释疑，拓展延伸构想

STEM倡导“跨学科”探究，让学生在“做中学”。教师在项目活动中要注重对学生理性思维、创新精神和实践能力的引导和培养，使学生在分析、探索、发现、建构的过程中，综合运用数学、科学、技术、工程知识解决问题，认清科学本质，树立科学思想。因此，教师向学生明确任务目标后，要进一步将物理概念、知识理论进行融合，使学生在完成任务的过程中，充分运用物理知识和严谨理性的科学思维解决实际问题。STEM具有实践性、创新性、系统性和操作性特点，教师将项目活动贯穿教学始终，让学生始终在情境背景中解决实际问题，了解科学知识内容的前因后果，确保教学过程的逻辑性、系统性和实用性。让学生综合运用多学科知识完成任务时，能具备工程师应具备的基础知识理论和基本技能素养，同时教师在学生“做”的过程中，要发挥合作者、引导者、设计者、启发者的角色作用价值，主张学生通过亲手操作获取知识经验，了解客观事物的规律和本质，并能辨别不同技术的用途，完成科学知识的学习和积累[1]。

如在《水的浮力》教学过程中，为了让学生能具备管理、理解技术的实践操作能力，提高学生综合素养，教师要让学生充分掌握使物体上浮和下沉的条件，结合二力平衡的条件，清晰明了潜水艇浮沉的工作原理，为项目实践提供知识依据。教师要求学生结合已有知识，逐步探明影响浮力大小的因素，“什么是浮力？”“依据浮力的定义，可以判断浮力的方向是怎样？”“物体在水中浮沉的受力情况一样吗？”让学生观察实验现象，将木块和铁钉分别浸在水中，提出“为什么铁钉会下沉？木头会上浮”的问题让学生依据现象产生疑问，结合自身的经验尝试总结。“什么样的物体会在水中下沉、上浮？物体在下沉过程中，所受重力、浮力大小改变了吗？”使学生在动手制作潜艇前，理解物体的浮沉条件，同时结合阿基米德原理，得出浮力的表达。为下一步“自制简易潜水艇”项目实践活动，做好铺垫。

考虑到学生的认知经验，这里采取玻璃瓶和水槽演示实验，让学生观察分析，理解物体的浮沉条件。演示实验开始前让学生回忆物理科学知识，“为什么有的鱼可以悬浮在水中，有的鱼可以浮在水的表面？”让学生知道鱼由体内的鱼鳔变大减小，改变了自身的体积，使浮力跟着发生了变化。再次引导学生思考“世界上有一种海，由于盐含量高，导致海水的密度高于一般海水，可以使人实现漂浮，请问影响浮力的因素是什么？”通过与学生之间的对话交流，引导出浮力与排开液体体积和液体的密度之间的关系，从而让学生更加深入了解影响浮力的相关因素。学生结合理论知识继续观察理解物体浮沉的原理。演示实验器材为水槽、玻璃瓶，将盖上盖子的空瓶浸没于水中，让学生观察瓶子的运动情况，通过观察现象理解漂浮的状态;然后用足够重的铅块放在瓶子里，盖上盖子再次没于水中，观察后思考此时的瓶子为何又沉入水底。让学生在观察和思考中能综合科学物理知识，探究物体的浮沉条件。最后让学生通过小组探讨找出让瓶子呈悬浮状态的方法，从而让学生在充分掌握和理解物理知识理论的基础上，探索潜水艇的浮沉的原理，详细了解“潜水艇为什么可以在大海中自由上升、下潜、悬浮、漂浮？”这一问题，引导学生结合浮力的计算公式区别沉浮，激发学生的应用意识，体会科学知识与数学之间的联系。

STEM突破了学科之间的界限，教师要在项目活动情境中，持续引导学生探索、解释问题，使学生能在积极、乐观、活跃的学习氛围中，主动设计规划构想，通过多元的思考、敏锐的观察、积极的创作参与，依据教学活动设计，自主完成项目学习目标。教师要适当合理地对学生进行点拨，激活学生的思维潜能，通过开放性的问题，丰富学生的思维视野，拓展学生对项目制作的探究兴趣，让学生在设计构想中，掌握更多相关的科学概念，不断提高自身的知识技能。

3   协作探究实践，创新设计方案

STEM科学课程教学中，教师指导学生通过亲身实践操作解决问题，依据学生的个体差异进行合理分组，让各小组成员相互协作，在实际制作中进行工科技能的训练，“同学们已经充分了解了物体浮沉原理，你们可以自己运用材料完成制作吗？”指导学生亲自动手制作，让学生充分考虑制作技术的精确性，以及整体的结构设计，综合利用多学科知识，进行分析、创作、设计、建构，创新设计方案，培养学生的工程技术能力。使学生在完成实际操作的过程中，能以严谨的科学精神态度规范实践操作过程，能用科学思维、数学思维、技术思维看待问题[2]。

如在《水的浮力》教学过程中，教师提出“自制潜水艇”的设计要求，要求学生探究怎样控制潜水艇的沉与浮，让学生通过亲自动手调节瓶中的水量，实现“潜水艇”在水中的浮沉。经过以上知识的学习和分析，学生已经掌握通过改变物体的浮力或重力，实现物体的沉浮。制作过程中，要求学生依据潜水艇吸气、吹气的方式，“自主设计方案自制潜水艇”，培养学生的观察、探究和创新能力，首先学生要自主构建潜艇的形状，寻找所需要的制作材料，让学生充分利用身边的物品，对潜水艇进行细微的改变和创新。“了解了潜水艇浮、沉的原理后，你需要利用怎样的方法来控制浮、沉？”制作过程中各小组学生，拿出课前准备好的实验材料，如铁钉、橡皮塞儿、彩带、防水黏土、吸管、胶管、自行车气门芯、气球、钢尺等。有的小组利用易拉罐作为潜艇的艇身，有的小组利用玻璃瓶或木块、硬塑料瓶等作为潜艇的艇身。制作过程中，学生充分发挥想象力和创造力，通过相互协作完成螺旋桨、潜望镜的制作。本次制作不仅要考虑潜水艇的灵敏性，还要考虑潜水艇的外观设计。教师在学生实践创作过程中，要进行合理的指导，让学生结合阿基米德原理和数学知识进行推导计算，综合运用多学科知识，规范潜水艇的尺寸、比例等相关数据。在本次实践活动中，有些学生利用气球完成沉与浮的实验，有些学生通过胶管向潜水艇里压入空气，使“潜水艇”保持悬浮。通过潜水艇的设计制作，让学生深刻了解掌握科學探究的过程、方法和能力，并使学生在“做中学技术”，增进学生对科学探究的理解。

教师在STEM视野下，要依据学生的个体差异和学习特点合理分组，并指导学生进行职能分工，让学生以小组为单位开展实践活动，制作出新颖、富有设计感的外观造型。学生制作完成后，教师组织学生测试、展示作品，让学生像工程师一样，懂得运用技术思维分析问题、解决问题，同时教师要注重对学生创新能力的培养，强调设计、测试和改进的重要性，指导学生在实践过程中，灵活运用多学科知识，持续改进完善作品，使学生在分析数据、解决问题的过程中，逐渐形成敏锐的观察能力和严谨的逻辑思维能力。

4   展示交流构想，评价反思问题

教师在STEM视野下要将评价贯穿于课程始终，针对学生的实践学习成果进行合理的总结、点评，加深学生对问题的认知理解，同时教师在学生实践过程中，要给予学生充足的探究空间和思考时间，鼓励学生之间相互评价、总结经验，深化学生对科学知识的理解内化，促进科学思维和创新能力的形成发展，教师在学生完成作品的设计制作后，要组织学生对任务成果、设计构想、制作过程进行汇报，使学生在评价交流中能认识到自身缺点和不足，并以严谨的科学精神和实事求是的科学态度，做出相应的完善和改进[3]。

如在《水的浮力》教学过程中，在学生制作“潜水艇”完成后，笔者要求各小组学生到台上进行实际操作，让学生演示潜水艇的浮、沉性能，“你可以让潜艇呈懸浮状态吗？”让学生精确的调节控制潜艇的沉、浮状态，实现潜艇模型的上浮、下沉，同时要求学生对潜水艇的原理现象进行解释，对潜艇的结构和外形进行评价。让学生通过观察、探究了解选择材料、控制数据、尺寸的重要性，让学生在学习成果的评价反思交流中，促进对科学知识的理解与应用。学生之间相互评价反馈时，教师要引导学生的思维走向，让学生综合科学、数学、工程、技术等多学科知识经验，详细说明遇到的问题以及问题的解决过程，使学生能从美观程度、作品性能等角度进行分析评价，让学生在肯定与否定的思维碰撞中，实现综合素质与实践创新能力的全面、持续发展。

STEM理念具有实践性、综合性、创新性的核心特征，实践过程中强调多学科知识的融合运用，相对传统教学，STEM更注重对学生创新思维和问题解决能力综合培养，使学生能在趣味性、挑战性的活动实践中，灵活进行设计、探究、调整、反思和改进，倡导学生在动手动脑的过程中，自我管理、自主完成对实践过程的设计规划。同时教师要结合学生的认知程度，进行适当合理的引领指导，促进学生科学思维发展，使学生在相互辅助、相互激励、相互分享的学习过程中，逐步形成良好的工程技术应用意识和严谨的科学态度。

5   结语

总之，教师在STEM视野下开发初中科学课堂，要融入技术与工程领域等学科知识内容，综合培养学生的技术设计和科学思想，让学生在实践操作中，自觉从多角度、多方位展开探索分析，通过亲身经历和体验，发现客观事物之间的相互关联和本质规律。同时为了进一步提高课程活动的教学质量，教师要为学生设计真实性、生活性和趣味性的问题情境，引领学生探索、发展思维，让学生在科学任务的驱动下，积极展开合作交流、共享设计经验，指导学生在动脑与动手的学习实践中，运用科学技术思维和思想方法，解决实际问题，让学生从“做”中学。通过持续的设计、思考、构想、制作、改进，完成自主构建，使学生在解决实际问题的过程中，积累丰富的综合科学经验，有效实现创新思维与科学素养的发展和提升。

【参考文献】

[1]葛颖倩.融合STEM理念的初中科学教学实践探索[J].上海课程教学研究，2019（Z1）.

[2]谢杰妹，黄静.基于STEM理念的初中科学概念教学设计——以杠杆教学为例[J].物理教学探讨，2019（7）.

[3]黄爱弟.STEM教育理念下初中科学拓展性课程的实践研究[J].中学教学参考，2019（17）.