STEM理念下高中物理教学培养核心素养的策略

【摘要】  在STEM理念下高中物理教学通过设计有逻辑的学生自主探究过程，将新知识纳入旧知识结构，以小组合作学习等形式，进行一些工程设计与开发，解决实际问题，达到学以致用，使学科核心素养的培养贯穿在在高中物理教学过程中，落到实处，要处。从生活走向物理，从物理走向社会，关注学生社会情绪的培养。

【关键词】  核心素养 STEM 汽车安全行驶 小组合作学习

【中图分类号】  G633.7                  【文献标识码】  A 【文章编号】  1992-7711（2020）19-163-02

2018年1月，教育部发布了《普通高中课程方案和全部学科课程标准（2017年版）》，这是物理学科核心素养下的课程标准。物理课程作为一门自然科学领域的重要基础课程，要从四个方面（科学知识、科学方法、科学精神与态度、科学应用）为学生今后的生活和工作作准备，使学生养成终身发展所需的必备品格以及关键能力，培养学生的物理学科核心素养。重新调动学生的学习积极性，使学生能够对事物和所遇到的问题进行理智的独立分析、判断，并能创造性地解决问题，这是具有实际意义的。

STEM教育是在单一学科的理论基础上，进行跨学科学习，通过团队合作，解决实际问题，将学科知识与生活实际相结合的学习过程。STEM课程理念，最早由美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）提出。主要包括4部分内容，分别是科学SCIENCE，技术TECHNOLOGY，工程ENGINEERING，数学MATHEMATICS，这四个相互独立又相互关联的学科是科技的基础，是高素质创新性人才所必备的核心学科。培养高素质创新性人才被认为是增强国家竞争力的重要手段，是社会和经济发展的根本动力。

目前，被大多数人普遍接受的，Rider-Bertrand教授在2007年对STEM教育的定义： STEM教育是有目的地整合科学、技术、工程和数学四大学科的内容和学习方法，通过跨学科融合教学，学生将从中发现并获得能在学术和现实生活背景中可以运用的知识、能力以及科学、技术、工程和数学思维等，以提高学生核心竞争力。因此，可以看到，STEM课程理念更注重整合，课程的整合，不同学科、不同能力的整合。教学则应该在整合的过程中，形成具有凝聚力的教学策略和教学方案。而我国关于STEM课程的研究起步较晚，直到2016年6月7日，我国国家教育部颁布了《教育信息化“十三五”规划》的文件中明确指出“积极探索信息技术在创客教育、跨学科学习（STEAM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”。这作为纲领性的文件，标志着我国正式踏入STEM教育改革的行列中。

现有研究主要还是集中在对国外STEM理论发展的理论研究方面以及对国外各部门在推行和落实STEM课程理念的过程介绍等。而关于从幼儿园、小学、初中以及高中阶段（相当于美国K-12阶段）的STEM课程的研究不够具体，缺乏实践探索的真实案例，特别是在高中物理课堂中，具体把STEM课程理念，落实到教育教学实践中的还很少。因此，在以分科教学为主的高中教学背景下，开展有关STEM课程理念下的高中物理教学模式的研究，是符合新课程标准的要求，也具有重要的现实意义。

STEM课程理念具有跨学科，跨领域的特点，它涉及到科学、技术、工程和数学等学科。科学（S），是人类探索、研究、感悟宇宙万物变化规律的知识体系的总称，是人类对世界的认识以及自然现象和客观规律的解释。工程（E）和技术（T），应该说是人们在尊重自然规律的基础上，改造自然，以达到预定目标来满足社会发展需要的方法和手段。 数学（M）则是科学、工程和技术发展的基础，是人类在探索世界中不可缺少的科学工具。

以学生参与为主体，基于项目的学习，基于科学探究过程和工程设计过程的“STEM”教育，其探究式思维以及工程技术實践引导理念，与物理新课标是非常吻合的，同时为高中物理教学设计提供了指引，也明确了方向，为实现高中物理高效课堂提供了可能。

一、 解读教材，落实核心素养培养

“汽车安全行驶”安排在学习匀变速直线运动规律后，目的是要学生能够进行匀变速直线运动规律的应用和迁移，因此本节是本章的一个比较重要的、典型的应用型知识点。普通高中《物理课程标准》（2017年版）（以下简称“新课标”）要求是：“通过实验认识汽车安全行驶问题”，要求学生能通过一些科学探究或具体的活动来了解和体验汽车安全行驶。理解汽车安全行驶的实质，理解物理观念。具体分析为其一： 应用匀变速直线运动规律分析汽车安全行驶距离，不仅有利于学生巩固对规律内容理解，也有助于培养学生分析问题的能力，提升科学思维.其二，这是一个贴近日常生活的实际问题，学会应用物理知识解决实际问题的方法和思路，学会理想化处理实际问题，能激发学生的学习兴趣和体会见物说理的奥妙。其三，将德育教育渗透在日常物理教学中：遵守交通法规，安全出行;珍爱生命，人人有责，从而激发学生社会情感价值，培养科学态度和责任。

二、 基于核心素养导向及融合STEM理念来处理教材

（一）创设生活情境，激发学习兴趣

生活情境1：播放学生课前完成的“生活中的交通意外现场”的视频，提供素材。

创设生活情境，从生活走向物理。激发学生的求知欲望，培养学生观察能力，为课堂教学埋下伏笔。

课前布置和指导学生分学习小组合作完成“汽车行驶事故调查报告”，创设真实的问题情境。这其中包含了前期准备工作和后期的汇报处理，通过该活动，培养了学生精益求精、务实的科学态度和严谨合作的科学精神。

（二）观察视频，提出研究问题

提问与小组讨论一：为什么要保持一定的行车距离？讨论二：我们为什么不可酒后驾车？

通过对视频观察及老师提出问题引导思考，引导学生理解安全距离，运用学习的知识分析物理现象。

（三）实验探究、体会研究方法

情境2：有一辆汽车以108km/h的速度在泊油高速公路上行驶，突然驾驶员发现一辆大卡车横向停在其前方70m处，于是他马上以10m/s2的加速度进行紧急刹车。请问：是否会发生撞车事故？

变式情境3：刚才问题的解决是建立在驾驶员发现情况与采取刹车动作是同时进行的假设为前提的。但实际生活情境中，两者能否做到同时进行？

实验探究：人的反应时间是指从你的眼睛看到信号，到你开始做出相应的反应之间的一段短暂时间间隔。请用你身边的器材设计一个实验，粗略测量人的反应时间。

物理学科核心素养中对科学探究素养的具体要求：提出问题，进行猜想或假设，设计实验，进行实验，获取和处理数据，基于数据得出结论并作出解释，最后还需要对实验探究过程和结果进行相互交流、评估和反思。学生必须亲自经历探究过程，细致观察，善于分析，发现问题，提出问题，尝试用科学探究的方法研究物理问题。通过学习小组组内组间的交流，可以提高学生间的协作意识，体会合作的重要性，同时提升学生团队沟通能力。在实验操作过程和生生交流过程中，教师要做适当的评价与激励，将有效的教学资源加以利用，最终才能使教育不仅是让学生记忆百科全书式的知识，更是让学生经历一种过程和领悟一些方法，提升一些能力，授人以鱼不如授人以渔。

（四）学以致用，变式情境

变式情景4：在情境2中考虑驾驶员需要经过0.5s的反应时间才开始剎车，问：是否会发生撞车事故？

重新回味在考虑反应时间下，反思情景2，再次升华理解反应时间内汽车进行匀速直线运动，同时学会应用物理知识解决实际问题的方法和思路，达到学以致用目的。

在论证这些法规合理性的过程中，运用了运动学的公式原理，明确了一般的解题程序。学生不仅了解到行车安全的部分法规，而且还知道了这些法规完全来自于物理学中的运动学原理。用学过的知识，解决生活中的问题，培养学生的核心素养。将德育教育渗透在日常物理教学中：遵守交通法规，安全出行;珍爱生命，人人有责，从而激发学生社会情感价值，培养科学态度和责任。

（五）丰富现象，拓展提升

变式情境5：在平直公路上甲车以20m/s的速度行驶，突然发现乙车以10m/s的速度在其前方20m处同方向匀速行驶，于是甲车司机立即以加速度大小为2m/s2刹车（不考虑人的反应时间），问：两车是否相撞？

变式情境6：停在路口的值班警车发现有一辆红色出租车正在以10m/s速度闯红灯，警车马上以5m/s2的加速度进行追赶拦截，（1）警车和出租车何时相距最远？最远距离是多少？（2）警车追上出租车需要多长时间，成功完成追赶拦截任务的警车此时速度是多少？

学生应用能力的提升，一定是对科学方法的掌握和灵活运用。很多学生遇到新的问题就无法解决，最主要的原因，就是学生只是把握住物理知识的表层意义，却没有理解和掌握其中的物理方法。教育教学贵在创新，学生学习也贵在创新。教育教学的创新可以表现为思维的创新，变式教学实践就是一种思维创新。在物理教学中通过变式教学，应用规律寻找物理量之间关系，通过情境变式，不断地变更所提供材料或事物的呈现形式，使本质属性保持稳定更突出核心，而非本质属性不断变化，从而拓宽学生的思路，提升学生的思维敏捷度，灵活度和创造性。以变养智，以变养德。

结束语

从物理观念、科学思维、研究方法、培养科学态度和责任等维度归纳本节课。融合STEM的理念，打破学科的界限，整合科学、技术、工程、数学，设计有效的探究实验，创造机会让学生经历科学研究的全过程。STEM理念下的高中物理教学，以体验为主线，改变了传统物理教学中“填鸭式”讲授模式和学生被动接受的教学模式，引导学生进行自主探究式的学习。通过情景创设引入，激发学生学习兴趣，使老师的“讲授”转化为学生的“自主体验”，从思考，猜想，理解，设计，表达，到实践并最终完成，学生逐步建立自身的知识框架平台，体验科学发现和创造的思维模式，形成一定的物理建模能力，并能解决社会实践中的相关实际问题。从而有效地提高学生学习能力和科学素养，提升创新能力，拓展学生思维，拓宽学生知识面，激励学生学习兴趣和表现欲，培养了学生科学方法、科学应用方面的素养，不仅达到了“教是为了不教”的目的，还落实教育立德树人的育人功能，从而激发学生社会情感价值，培养科学态度和责任。

[ 参  考  文  献 ]

[1]傅骞，刘鹏飞.从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J].中国电化教育，2016，（04）：71-78+105.

[2]张军朋.高中物理课程实验设计（上）[M].广州：广东教育出版社，2011.

[3]陈允怡.高中物理教学中培养学生核心素养的策略——以“超重和失重”教学为例[J].中学物理教学参考2019（9）.