STEM理念下单摆运动的教学项目设计

徐冯娟 张棉好 刘华北 金海榕 陈俊元

（浙江师范大学 浙江金华 321004）

物理学是人类最基本的工具之一，作为人类探索大自然规律和奥秘的手段，对人类社会发展起到了重要作用。在高中阶段，物理是一门对学生的实践能力和创造思维要求较高的学科。同时，高中时期也是培养学生实践能力和创新习惯的最好时期。当前物理教学中，以教师为主导、学生为主体进行教学活动。为改善传统的教学现状，增强学生对物理学科的兴趣，提高学生动手实践能力，培养学生积极独立思考的习惯，训练学生自主创新的思维，课题组提出在物理课堂上运用STEM教学模式进行教学探索与实践。

一、STEM教育及STEM理念

（一）STEM教育及应用现状

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合，在科学、技术、工程、数学之间存在着一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系[1]。

我国的STEM教育发展尚处于起步阶段，国内STEM教育尚未形成完整的理论体系和操作性强的课内外结合模式。在实践层面，其又受到科学教育基础薄弱，区域间发展不平衡，课内教育与课外教育未能协调发展，课内科学教育和课外科技活动脱节；科学教育资源不足，分布不均，利用不充分；科学教师专业能力亟需提升，科学教师兼职比例大，非理科专业居多，科技辅导员和科技教师在学校被边缘化等因素的影响。这些现状都制约或误导了我国的STEM教育的发展[2]。

（二）STEM的核心理念

STEM这门跨领域的学科将原本分散的四门学科集合成一个整体，分别代表着科学素养、技术素养、工程素养以及数学素养四门素养。这不是简单的学科之间的叠加，而是要将四门学科内容组合成有机整体，以便更好地培养学生的创新精神与实践能力。STEM教育模式可以培养学生的知识和技能，并且灵活迁移应用，解决现实世界的问题，以融合跨学科、趣味性、协作性、设计性、艺术性、实证性、增强性等[3]。

二、基于STEM理念得单摆运动教学项目设计

（一）单摆运动在课程中的地位及教学的基本内容

本次课以“验证周期T公式”为主线，采用小组交流合作的学法，在学生设计实验进行实验探究的同时，将STEM的四个方面渗透到教学的整个过程：

1.在科学层面上，学生能够自主设计方案，并且掌握牛顿第二定律、转动定理、能量守恒定律、简谐运动的知识等，达到学以致用、活学活用的教学效果；

2.在技术层面上，如何让摆锤摆动时的阻力最小、摆动时间更长、摆动系统更加稳定？这些问题都需要在设计实验、制作大摆锤时注意，并得到解决；

3.在工程层面上，从学习原理到提出质疑，再到设计实验，最后得出结论，需要完整的工程设计流程。学生需要将每个环节紧密连接，反复实验，不断地实践检验。

4.在数学层面上，需要运用计时器、尺子、量角器、磅秤等度量工具，用来计算大摆锤的具体参数。

（二）基于STEM理念的教学项目设计

基于STEM理念实施教学，能融合科学、技术、工程、数学四个方面的内容于一体，可以培养学生的知识运用及创新能力。基于STEM理念，课题组针对物理课的“单摆运动”进行相应的教学设计，具体如表1所示。

表1 基于STEM理念的“单摆运动”教学设计

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三、教学设计反思

在STEM理念下的物理课堂教学设计中，课题组发现，与传统教学不同的是，STEM教学打破了固有的单一学科模式，实现多学科融合，将科学、技术、工程以及数学融入课堂中。我们引导学生从制作大摆锤中探索科学原理（牛顿第二定律、能量守恒、简谐运动、空气阻力等）；通过小组讨论思考：大摆锤的本体材质? 本体与放置架应该怎样固定? 摆锤的安装位置应该注意什么? 摆动的幅度多大合适？ 绳长选取的范围多少合适? 摆动过程中如何使其稳定? 制作的过程中用到哪些工具？等技术问题；从实验原理到技术思考，设计实验的工程流程，再通过实际操作和实验发现记录问题，及时调整；最后，引导学生运用数学思维和数据，通过摆动周期计算出理论值，做实验得出实际值，并通过不断地选取不同物理量，反复实验，绘制误差曲线，反应出制作大摆锤的质量。整堂课从解决学科本身出发，迁移解决实际问题。

整个过程，循序渐进，环环相扣，给予了学生充分的自我创造空间和发挥空间。这不仅激发学生对探索的欲望，还培养了学生创新能力和实践能力，给枯燥难懂的物理学科增添了许多乐趣，提高了学生对物理学科的热爱。在完成上述的教学设计的同时，我们还潜移默化地锻炼了学生的科学素养、技术素养、工程素养以及数学素养，从而为培养综合性人才奠定了基础。