物理实验教学STEM要素整合策略*

陈宗成 肖永琴

摘   要   实验教学是用实证的手法来建构物理意义。实验教学由于较少地或不合理运用STEM要素而难以完成高水平的物理认知。通过科学地整合STEM各要素，即通过提炼突显教学主旨（S）、强化建模（M）论证意义内涵、巧妙设计（T）破除认知盲区及合理控制培养工程意识（E），便能使STEM各要素形成有机整体，创设出富有挑战性项目实现深度学习，真正揭示出事物间因果关系，发挥物理实验以“物”成“理”的实证价值。

关键词  STEM要素整合  物理实验教学  整合策略

众所周知，实验教学的目的在以“物”成“理”，即通过实验进行充分论证，建构物理概念规律。其本质是通过建构富有挑战的任务，重新经历科学家的探究之旅，推动个体深度学习的产生，进而建构出新的物理意义。实践证明，STEM是一条行之有效的策略。通过合理地整合STEM各要素，创设学习项目，实验便能成为“学生学习的促进者和引导者”[1]，充分发挥实验的教学价值。

很显然，对于物理实验教学而言，概念规律意义的建构（S）是教学的根本目的，始终处于核心的位置，需要加以提炼突显;概念规律的建模过程（M）直接关系到物理意义（S）论证的成败，是教学重点，必须夯实强化;技术（T）则提供必要的支持，通过巧妙的设计，能够有效地突破教学的难点;同时，实验教学又要求个体具备一定的工程意识，能充分考虑到工程要素（E），才能将实验放在节能环保的真实情境中，来进行方案甄选和资源优化配置，最终解决问题。下面以沪科版《滑轮》这一节进行说明。

一、提炼主旨（S），形成明确教学指向

既然实验教学的宗旨是通过实验来建构物理意义（S），教学宗旨提炼得越明确，STEM各要素才能统整得越有效。

1.提炼意义，突显统一教学主旨（S）

实验教学，以“物”成“理”。提炼出意义，才能得出一节课的“理”（物理意义），“物”才有了明确的教学指向，实验课有了明确的主旨，才会发挥实验教学的实证价值，不会沦为为实验而实验。

就“滑轮”这节课而言，必须提炼出来的主旨是：滑轮与滑轮组是特殊的机械。这主旨包含两方面意义：表层意义：定滑轮不能省力但能改变方向，动滑轮能省一半的力，但不能改变方向，滑轮组既能改变方向又能省力;深层意义：为什么定滑轮不能省力但能改变方向？为什么动滑轮能省一半的力，但不能改变方向;为什么滑轮组能既改变方向又能省力？

2.整合要素，形成统一教学整体

提炼出教学主旨，教学就有了目的指向。STEM其余要素便有了一个凝聚的教学核心，有了一个明确串联的教学主线，紧扣此核心与主线展开TEM要素整合，教学设计就不会偏离应有的主旨，建模（M）就能推动意义建构，技术（T）就不会偏离主线，而这样的工程素养才是在解决真实问题（本教学主旨）中自然培养的。一句话，TEM都围绕着主旨（S）形成了统一的教学整体。

对于本节课，T、E、M等要素都要紧扣上面所提炼两层含义展开整合。

那些由于分门别类建立起来的“高度分化”而“彼此孤立”的学科割裂便被有效破除了，这对跨学科间的“能力、知识技能、态度和价值观”[2]的融合有推动作用。同時也使得个体更加深刻地理解“滑轮是特殊的杠杆”，树立起“机械的选择必须与解决的问题密切相关”，让实验和“真实世界”“有机”地联系起来[3]。

二、强化建模（M），充分论证物理意义

强化建模，就是充分探究“物”与“理”之间的本质关联，进而确认物理概念规律的内涵外延，以实现因果逻辑关系的明确揭示和充分论证。

一般说来，通过实验来完成一个物理量的建构，需要强化建模的过程，通过实验来观察现象获取足够的数据。充足数据有三方面的重要性：一是便于寻找相同点，产生指向性的联系，引导个体进行归纳建模，以发现本质内涵;二是确认条件，揭示规律成立条件，确定外延;三是降低偶然性，进行普遍意义上的论证，完成内涵的确证。

1.产生特定指向，归纳本质内涵

定滑轮不省力，但能改变方向。书本的处理方式是：提1个物体，沿不同的方向拉动。但这样不够充分，因为还没有涉及到被提物体的物重及滑轮本身的材质。因此还可用以下的方法充实建模过程：沿某一方向方向拉动，提升不同重力的物体。

对动滑轮规律内涵的建模，同样可以如此处理，用动滑轮提高不同的物体，以帮助个体找到共同点，产生特定的指向性，精确地揭示出其满足的数学模型——T1=G1/2、T2=G2/2、T3=G3/2……即总有T=G/2关系。

这样，充实了课本的建模过程，获得了充足的数据。通过分析，学生能够发现如下的共同特点：无论沿什么方向拉动，无论所提升物体的重力是多大，定滑轮可以改变方向，但不能省力（拉力T=G）;而动滑轮则可以省一半的力。这就很好地产生特定的指向性，帮助个体归纳出物理规律。

2.揭示适用条件，界定确切外延

一般说来，物理概念规律都有其特定的适用范围，都要满足一定的前提条件。而一旦偏离了此前提条件，其物理意义规律都不再满足。实验教学，就是要通过实验来确定此前提条件，揭示其适用范围，以确定其外延。对于动滑轮“可省力一半”更是如此。

动滑轮能省力一半，除了忽略绳子重力及系统的摩擦力外，还必须满足两个条件。一是必须满足特定的连接方式：将重物挂在滑轮的轴上（如图1），而提升的力作用在自由端上;二是必须满足所提升的物重必须远远大于滑轮自重。

在这里充分建模，就要沿此两方面展开。①用两种不同的方式组装动滑轮（图1、图2），让个体体验到只有特定的连接方式动滑轮（图1）才能省力;②让个体提不同重力的物体，让个体发现只有满足G物远大于G动，才有T=G/2成立。这样，通过对书本上建模的充实，精确地揭示了规律的前提条件，准确地界定了外延，深刻地揭示了物理意义（S）。

3.发现必然联系，论证普遍意义

进行普遍性的论证，需要考虑到相关的各个方面。对于定滑轮，除了考虑到提升的方式、被提升的物体，很显然还要考虑到定滑轮本身质的要素，如材质、质量、制造工艺等。因此，还必须进行如下充实：使用不同的材质滑轮，沿不同的方向提升不同的物体。教师拿出各种材质的定滑轮，让个体探究，发现定滑轮提升物体，跟滑轮本身无关。

这样结合上面的论证，个体会发现，使用定滑轮提升物体跟提升的方式（沿什么方向用力）、被提升的物体（无论性质状态也无论轻重），也跟定滑轮（材质等）无关，也就是说用“定滑轮”提升物体”与“可改变方向却不能省力”有着必然的联系，是具有普遍意义的。同样，只要在其外延内（即满足前提条件），用“动滑轮”提升物体与“T=G/2”有着必然的联系，而跟被提升的物体及其滑轮的材质无关，是具有普遍意义的。这样，无论是定滑轮还是动滑轮，其普遍意义就得到了充分论证。

三、妙用技术（T），精准破除认知盲区

物理概念规律往往比较抽象，建构时需要较强的思维能力。有些概念规律特别抽象难以理解，以至于超过个体的认知水平，加上定势的影响，便容易形成认知盲区，给教学带来极大挑战。实验教学就是要通过运用技术，巧妙设计实验装置，帮助个体有针对性地破除认知盲区。

在本节课中，个体最难理解就是为什么动滑轮是种省力的杠杆，哪怕是获得了充分的数据。突破此认知障碍真正的困难在于学生无法清楚判定动滑轮这种特殊杠杆的支点位于何处。这是一个极其不易为个体接受的认知盲区。如何通过巧妙地设计针对性地破除此认知盲区成为本节课成败的关键。

1.妙用技术（T），精心设计实验装置

这个认知盲区的形成是因为在滑轮转动的时候，个体难以看到瞬时不动的那一点。因此，本节课的关键，就是通过一定的技术手段，让个体明显地“看到”不动的这一点。于是，我们引进了微元技术来设计装置。即将圆形微分成多边形，使它既突出了接触的不动的点，又保持了滑轮圆形的形状（图3）。

顺着此思路，逐步减少多边形的边数，由多边形逐步减少到六边形、五边形，直至正方形（图4），显然，每减小一条边，与非自由端接触的那一点就被突显一次，而当出现正方形的时候，提升物体时，个体的目标必然锁定在正方形的四个顶点上，这个接触点便完成暴露出来了！在这里我们妙用了微元技术来设计实验装置。

2.妙用装置，逐步破除认知盲区

有了这些装置，任务就转化为如何巧妙运用这些装置来突出支点的确定。在这里，先从正方形木板引入，遵循正方形→正五边形→正六边形→……正多边形→圆形的顺序运用转动板，通过逆向微元法逐渐过渡到圆形，让个体看到无论是多边形还是圆形，只要用此种方式提升重物，其不动点都是转动板与非自由端接触的那一点，这样就完全突破了动滑轮的认知盲区。

（1）正方形不动点确定。如图5甲用绳子、正方形木板吊起重物。拉动绳子，引导发现：正方形木板围绕A点转动。教师要引导细致的观察，在此过程中，除了顶点A点不动外（可在对应处做上记号），可以明显看出被提重物、绳子自由端，整个正方形木板包括中心O点、顶点B、C、D等所有的部分全都被提高了！而这正是通过木板围绕A点转动的过程实现的！——使木板上升的不动点是顶点A而非中心O，A点才是木板转动支点！

（2）正方形支点的确认。继续缓慢拉动绳子，木板将继续围绕A点转动，同时将物体向上提起。引导学生发现，这是B点逐渐靠近并接触绳子的过程。而当B点接触绳子后，拉动绳子，便会以B为支点转动并将物体进一步向上提高（图5乙）;继续拉动，个体会发现方形木板是依次围绕顶点C、D转动，直到回到A点时完成一个周期！在这一周期里，木板总围绕着的正方形某一个顶点而非其中心转动。进一步确定了木板上升时的支点位置。最后，通过反证法引导孩子发现，当正方形不是以其中心旋转时，木板只会在原处打转，根本无法将物体向上提升——此时，木板成为一个定滑轮！这就从正反两方面来证明了木板的支点位置。

（3）多边形支点的确认。沿着上面的思路，将正方形改为正五边形、正六边形……如图6所示，容易发现，无论是什么多边形，向上提升物体时其支点都是顶点非其中心。

（4）动滑轮支点的确认。当多边形有无数个边，无数个顶点时，多边形就变成了圆形！木板成了动滑轮！这样，个体就自然而准确地把握动滑轮支点的位置，有效地突破思维定势带来的认知盲区。

四、合理取材（E），有效建立工程意识

滑轮这节课还能很好地帮助孩子理解项目学习里的工程意识。一般说来，工程意识可立足于解决问题从工具制造与选择、方案的选取与确定及成本的测算与控制等几方面加以追问，而这些工程问题也涉及到STEM的核心理念。

1.工具使用，是基于问题解决的必需

解决问题，需要工具。需要什么工具，取决于要解决的问题。这意味着实验教学需要引导两种翻转——即既会要引导从解决问题满足什么原理到用什么原理来解决问题的一种翻转，而且还要引导从典型实验情境到实际问题情境的一种项目翻转。只有这样，实验教学才完成了“从生活到物理，从物理到社会”的基本理念。

（1）从解决问题满足什么原理到用什么原理解决问题

追问1：提高物体，为什么要制造出滑轮？

追问2：滑轮为什么有两种不同的连接方法？（实际上有三種）

这两次追问完成了一次翻转，即提问者不是追问解决问题的方案满足什么原理，而是追问根据什么原理来解决问题，哪怕这原理是什么还无法明确——有时，项目学习就是在解决问题中建构相关原理。但这种追问很难达到目的，因此要借助项目，通过解决问题来进行追问。

（2）实验室典型情境到真实性问题情境

【项目】将1大桶水从1楼提到2楼

追问3：站在1楼如何把水提到2楼，用撬棒还是用滑轮？（用滑轮）

追问4：站在2楼，如何连接滑轮才能把水从1楼提到2楼？（连成动滑轮：图7）

为了解决具体问题，撬棒等不好用时，滑轮就应运而生;当连成定滑轮不能解决问题时，就必须连成动滑轮。这样，推而广之，个体就会清楚地明白，工具的使用是问题解决的必需，并非随心所欲，当原有的工具不能满足要求时，新的工具就会被制造出来，而背后的深层含义则是物理的基本原理。

2.方案甄选，是基于问题解决的优化

节能环保是人类社会发展的需要，培养工程意识，不仅要培养个体解决问题的意识，更要培养个体优化解决问题的意识。因此，可以继续追问：

追问5：为了更便利地把水从1楼提到2楼，还需要什么器材？（再取一个滑轮）

还需要一个滑轮，这是学生的第一反应。这样才能既省力，又方便。这说明孩子有了问题优化解决的意识。但思路比较单一。教师可以继续追问：

追问6：如果给你一个助手，你要站在哪一楼拉，效率最高？（力足者：站一楼拉如图8，助手在二楼帮忙;力怯者，站在二楼拉如图9，助手在一楼帮忙）

这追问，进一步开拓了个体解决问题的思路，并要求个体进行优化选择。个体的思路由一而二，站在一楼滑轮组怎么接，站在二楼要怎么接;前者的好处是什么，短处是什么？后者的好处是什么？短处是什么？个体必须对方案进行可行性和优劣性的双重评估，并选择最适合本身的方案。如果是力气较大的组，可能选择站在1楼，因为这样更便利（虽只省一半力，但改变方向）;如果是力气不足的组，可能会选择站在二楼，这样可省更多的力（虽不能改变方向，但可省2/3力），才能确保把物体拉上去。

可以看出，在实验教学中，只有通过合理的整合，在知识建构中，个体的建模能力、技术水平和工程素养才能得到较全面的培养，才能更好地发挥S、M、T、E、这些学科要素独立的价值[4]，进一步促进了各要素、各学科知识的连接与融合，才能真正把握STEM的本质[5]。这样，个体的视域才不会仅囿于单纯知识的接受，而是进入概念规律深度的建构中，进入到真实的问题情境中，去迎接种种问题的挑战，才能把“体力、智力、情绪、伦理各方面的因素综合起来”[6]。学习的过程，不仅是个体的知识跨界整合、知能素养合一的过程，也是个“从内部把握生命的本质和内在的意识世界”[7]的过程。学科专业学习与个体的生活世界更亲密无间地融合起来了，完成了从教学向教育的飞跃，个体也就成了“情意知融生”的“完整的人”。或许这就是stem的教育意蕴所在[8]。

参考文献

[1] Owens，D.B.Elementary teachersperceptions of science，technology，engineering，and mathematics education in K-5 schools[D].Phenix：University of Phoenix，2014.

[2] 辛涛，姜宇，刘霞.我国义务教育阶段学生核心素养模型的构建[J].北京师范大学学报：社会科学版，2013（01）：5-11.

[3] 秦瑾若，傅钢善.STEM教育：基于真实问题情景的跨学科式教育[J].中国电化教育，2017（04）：67-74.

[4] 郭华.项目学习的教育学意义[J].教育科学研究，2018（01）：25-31.

[5] 李雁冰“.科学、技术、工程与数学”教育运动的本质反思与实践问题——对话加拿大英属哥伦比亚大学Nashon教授[J].全球教育展望，2014（11）.

[6] 联合国教科文组织国际21世纪教育委员会.教育——财富蕴藏其中[M].北京：教育科学出版社，1996：195.

[7] 婁立志，张基惠.生命与实践：柏格森生命哲学及其教育启示[J].鲁东大学学报：哲学社会科学版，2020，37（02）：80-85.

[8] 李润洲.完整的人及其教育意蕴[J].教育研究，2020，41（04）：26-37.

【责任编辑  孙晓雯】