STEAM教育理念下初中物理教学设计研究

刘霞 杨成 王越

摘   要：智能时代的到来，传统分科教学中单一的教学内容已不能满足未来人才培养的需求，而跨学科融合、注重培养学生问题解决能力的STEAM教育理念的综合性课程被认为是培养未来复合型创新人才的有效途径。文章对初中物理教学现状进行了分析，针对STEAM教育与学科融合的落地实施方式，根据人教版八年级物理“透镜及其应用”单元中的内容，以“自制照相机”活动设计了一堂融合STEAM教育理念的案例课程，希望能为促进STEAM教育融入初中物理教学的研究提供一些启发。

关键词：STEAM教育;初中物理教学;教学设计

中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2021）22-0078-06

一、问题的提出

随着人工智能、5G技术、物联网、大数据以及云计算等新兴技术为代表的智能时代的来临，人类积累的知识越来越多且日益精深，有限的课程容量和“无限”的知识这一矛盾越发凸显，传统的分科教学培养人才的理念已经无法适应智能时代对多元复合型创新人才的需求，课程的整合即是解决这一矛盾的尝试[1]。

《国际教育信息化发展2015 地平线报告（基础教育版）》指出：在未来一到两年内，STEAM教育将在全球兴起，并且将对学校教育特别是基础教育产生重要影响[2]。此后，国际教育学者的关注点迅速转移到了STEAM教育上。《教育信息化“十三五”规划》指出：要积极探索STEAM教育、创客教育、项目式学习、课程整合等新教育模式，着力提升学生的创新意识、思维能力[3]。不难看出，我国在探索教育信息化的道路上，也同样强调基于STEAM的跨学科教育对培养具备21世纪核心素养能力的创新型人才的重要影响。

与传统单科课程中的内容构成不同，科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）、数学（Mathematics）五部分构成了STEAM。它强调跨学科教学的教学模式，重视对现有课程和教学体系的重塑，通常借助项目设计的形式来培养学习者的创新能力与实践能力，是一種面向未来的教育理念。

物理学科范畴中，STEAM教育并非是史无前例的概念创新，而是中学物理课程标准中STS（科学、技术与社会）理念随时代发展的智能化演变。STS教育一直倡导物理教育要适应环境的变化，但是却没有提出具体的实施途径建议与多变的环境进行相应的匹配。而STEAM教育在指出了科学教育改革方向的基础上，还提供了基于问题或者项目驱动的PBL（Problem Based Learning或者Project Based Learning）的具体学习模式[4]。

综上所述，STEAM课程应用于初中物理教学是具备一定融合基础的，二者在目标以及教学方式上并不矛盾，且存在紧密联系，有利于帮助学生打破单一学科知识体系的束缚，在做中学，培养他们跨学科问题解决能力以及整体思维[5]。与此同时，在课程的实施过程中也对教师的教学研究胜任力提出了较高的要求。但通过文献研究法发现，中学物理教师对新课改理念的理解存在差异，采取探究式教学方式的教师不多。教师过分注重学生的知识学习和积累，轻视知识的建构活动。本研究针对初中物理教学现状进行了分析，并结合STEAM教育与物理学科融合的理论基础，设计了一堂案例课程。

二、STEAM教育理念

STEAM教育是一种通过整合科学、技术、工程、艺术和数学领域内容，指引STEAM学习的途径和方法[6]，强调跨学科间的有机融合，以此来促进学生创新和实践能力的提升。STEAM教育认为这五个学科在人们认识与改造世界的过程中扮演着各自重要的角色：人们借助科学认识世界的规律;利用工程与技术来根据社会需求改造世界;通过艺术将世界以美好的形式呈现;利用数学为发展与应用科学、工程、艺术和技术提供思维方法和分析工具[7]。

与传统的注重单一学科的教育理念不同，STEAM教育更加强调跨学科融合的多维性，坚持以学生为中心，以真实的问题项目实践为导向，注重教师作为引导者去引导学生站在跨学科思维的角度，尝试解决现实情境中真实问题的重要作用。在这一教育理念下，学生可以试着突破传统教育中死记硬背的桎梏，并且在团队合作解决问题的过程中，不断提高问题解决和逻辑思维的创新能力以及团队协作的集体意识。

STEAM教育理念具有情境性、真实性、协作性、体验性等方面的特点，能够为课程设计与教学提供更多的优势，并且STEAM教育理念所强调的跨学科间的融合对学生的综合素质发展，以及学科的理解和应用有着更深刻的认识。该理念强调知识与能力并重，不同学科间的知识迁移能力，倡导问题解决和项目式驱动，以解决实际情境问题培养学生的综合能力[8]，充分体现做中学的特点，实现“要我学”到“我要学”的转变。

三、初中物理教学现状

1.讲授式课堂成为课堂教学的常态

目前在初中物理教学过程中，以教师为主体的讲授式教学模式依然是现实教学过程中的常用模式。在这种传统教学模式下，知识只是一味地灌输给学生，被看成是固定的、教条性的理论，而教师的主控权占有很大比例。在教学过程中，教师更关注知识本身，而将物理知识与实际生活进行相互联系的模块还不完善，使得具有贴近生活情境天然优势的物理学科存在与生活脱节的现象。由于教师的教学理念与教学方式和时代潮流不符，注重填鸭式教学，学生对知识的理解还是处于浅层，未能达到深度学习的目标，无法做到将所学知识进行深度自我建构，长此以往容易引发学生对待学科学习的消极情绪。

2.实验设备和教学意识的差异性

实验是物理学科中的重要组成部分，通过参与实验的过程，学生能够在一定情境中体验知识的建构，体会科学的严谨性以及逻辑性，并不断提高科学探究能力，进而激发求知欲望。但是在基础教育阶段的实验设备条件整体较差，导致学生能够接触到的设备有限，参与的实验次数偏少，大多以教师演示型为主。此外，教师对待做实验的态度也存在一定的偏差，主观能动性不够。大部分教师认为实验过程会耽误上课进度，会浪费宝贵的课堂时间，在做实验期间教学控制力约束较弱，容易造成教学场面的失控，导致部分教师上课过程中，对培养学生的动手实践能力方面有一定程度的忽视。

3.重视做题能力而忽视问题解决能力

在传统教学中，教师更加偏重于利用试卷的形式进行物理知识的考查。在反复的高强度训练下，学生的做题能力很强，但是在运用所学物理知识融入到生活情境解决实际问题的能力却处于比较弱的状态。在强调核心素养的教育时代，单纯只会做题的能力并不符合时代要求，核心素养中提出的要求是：要激起学生解决问题的兴趣，引导他们有意识地提出并且发现问题，且能依据特定的情境和实际的条件来选择并制定合理的解决方案。在实际教学过程中，应试教育思维比较严重，学生熟记物理规律和物理概念，但是面对实际问题时往往束手无策，不知该如何下手。

四、STEAM教育理念下初中物理教学路径

文献研究发现，STEAM教育在与其他学科的融合过程中缺乏专职的STEAM教师，大部分学校的STEAM课程都是由其他科目的教师进行临时替岗。教师对STEAM教育理念的理解还处于浅表层，大多以为STEAM教育所提倡的跨学科知识教学只是对各个学科的简单堆砌，由此引发STEAM教育的课程开发和教材设计存在着理念上的偏差。虽然部分拥有创客空间的学校教师已经在STEAM教育方面取得了比较好的效果，但是由于不同区域学校间设备的差异性问题，无法形成可供推广、进行广泛复制的STEAM教育经验。

1.开发STEAM教育的校本教材

教材是广大一线教师进行STEAM教育课程实施的重要资源，所以学校应从各个学科中挑选出骨干教师成立STEAM教育教材开发团队，集体探讨各科内容编排的顺序和逻辑条理性，确保学生在进行某个项目实践的过程中，不会因为其他学科知识技能的缺失而对物理学科知识的学习形成阻碍，即确保学生在学习的过程中基础知识结构不会出现缺失的现象。在开发教材的过程中，开发团队应结合学校自身的硬件设施状况和师资水平，选取适合的项目主题内容编入校本教材，并且教材还需在不断的实践过程中进行修正和完善。

2.肯定有效失败的教学意义

受應试教育思维的影响，学生在学习的过程中一直被所谓的标准答案限制，但其实答案应该是多样性的，在STEAM教育理念下鼓励营造开放的课堂氛围，鼓励学生迎接挑战、勇于尝试、不惧失败，让学生有种“放松的警觉”去探索新的思想和联系，提倡答案的多样性[9]。学生只要积极参与实践探究的过程，积极地与团队成员进行交流互动，在主题学习的过程中使自己各方面的综合素质和技能得到有效锻炼，最终得出的学习成果即使并不是那么的尽善尽美，也可看作是有效学习的发生。初中物理作为一门探究性的学科，同样也应倡导答案的多样性，肯定学生在实践过程中失败经验的积极教学意义。

3.平衡学生主体与教师主导的课堂关系

在传统的教学方式下，教师对知识的讲授占据了整堂课的主要部分，学生全程只是充当着被动倾听者的角色，而在STEAM教育理念下，教师的讲授时长大大缩短，教师充当着引导者和组织者的角色，学生可以在小组探究的过程中，借助自主查阅资料的方式来获得知识的建构。借助这种方式，学生掌握知识、得出相关结论的周期会比单纯以教师讲授的方式要长，但在知识理解的效果方面却更加深刻。所以在物理教学中，急需转变教学理念，落实以学生为主体的教学方式。开展教师对STEAM教育理念认识的相关培训，同时也要在培训过程中引导教师进行STEAM教育融入初中物理教学的相关研究，以便能更好地促进物理教学改革，提高物理教学质量与效率。

4.基于跨学科理念重塑初中物理教学内容

综合性、跨学科融合是STEAM教育的重要特征，基于这一特征，在整合课程开发和实施方面，要求教师采用一体化的教学和学习方法。智能时代，STEAM教育强调淡化学科之间的界限，融合多学科的知识与技能解决问题。物理教学可以适度穿插科学技术内容，以物理知识为背景，适当地提及背后与之相关的科学技术。例如，在人教版八年级物理“声现象”这一单元中，可以通过学生动手制作乐器的方式，来了解声音的三要素：响度、音调、音色三者的含义与作用，同时在制作乐器的过程中能够提升学生的音乐素养，学习到一些相关的乐理知识，这样有助于学生艺术素养的培养。

在工程设计中也涉及到了一些物理学原理，教师可以借助一些比较典型的工程案例让学生进行分析，比如，在学习圆周运动的知识时，可以先让学生亲身体验一下坐过山车的感受，然后将过山车的工程模型转化为竖直平面内的变速圆周运动物理模型，分析过山车过程中的力、能量、运动多个方面的知识并进行融合贯通，借助团体协作的方式完成过山车项目的设计，从而培养学生综合运用物理知识解决工程实际问题的能力和工程设计能力[10]。

在学习浮力相关的知识时，为了加强学生对浮力现象的直观感受，教师可以引导学生对孔明灯和热气球能够升空的原理进行分析，然后让学生使用相关材料进行创意孔明灯的制作;而针对平面镜方面的知识，可以利用学生喜欢魔术的好奇心理，让学生分析平面镜成像原理，先让学生模仿制作，然后再进行自我创新。

5.制定科学全面的评价指标体系

STEAM教育与物理学科的融合仍处于初期的发展阶段，针对融合后的课程效果评价与传统物理教学过程中的教学评价有所不同，借助形成性评价的持续性开展教学效果更好。相对以往的纸笔测试而言，STEAM教学的关注点聚焦于学生实际的学习能力，借助更加多元化的形式来增强学生的问题解决能力。学生综合能力的提升，也反映在学习兴趣、情感、意志等非智力因素向积极的方向转变[11]。

融入STEAM教育理念的评价方式应该是多元、持续性、个性化的。评价主体包括教师、学生甚至是家长，评价的内容不仅仅局限于物理学科的相关知识，还应包括实际问题的解决和迁移能力以及小组间的协作能力等全方位的内容。在针对学生个体方面，还应设置针对学生个体的评价指标，以便学生了解自己的表现情况，为后期课程的开发和完善，提供更加具备可操作性的指标。

五、STEAM教育理念下的初中物理教学设计

融入了STEAM教育理念的教学设计与传统教学设计的不同之处在于：从教学目标的设定来看，注重学生跨学科的综合能力培养，给予学生更多的学习主动权以及动手实践的机会;从教学过程的设计来看，将所学的物理知识贯穿于整个项目实践过程，培养学生运用所学知识解决真实情境问题的能力以及组间协作交流能力;从教学评价的设计来看，多元主体的参与使得评价更加全面、评价内容更加广泛，不仅仅包括理论知识的掌握情况，还包括项目实践成果的完成度以及组间交流的合作情况等。

本研究针对人教版八年级物理“透镜及其应用”单元中的“自制照相机”内容进行教学设计，以学生生活中的拍照经历作为切入点，引导学生思考透镜在照相机中扮演的角色，并激励他们利用所学透镜知识自制简易版的照相机，在最后的规律总结阶段提倡多样的总结形式，比如作图法、游戏法、口诀记忆法等。在评价阶段采用教师学生共同参与的形式，评价内容包括：相关概念思维导图绘制的完整度以及照相机图纸的设计感、最终成品的美观度以及材料的易获性等。

1.教学对象分析

八年级的学生理性思维较弱，对概念的理解有所欠缺，但是学生动手实践的欲望强烈，对新生事物有浓厚的探究兴趣，渴望掌握知识。他们刚刚学习了透镜的内容，对凸透镜、凹透镜和透镜的焦点焦距等基本概念有了一定的认识，有进一步探知透镜成像原理的需求，可以实现这个活动的学习目标。其次，处于八年级的学生具备一定的信息收集查找应用的能力，能够借助网络搜寻信息解决问题。

2.教学内容与教学目标分析

（1）教學内容的分析

案例内容选自人教版八年级物理“透镜及其应用”单元，该部分是初中光学部分的重点内容，涉及的规律繁多，变化相对复杂，既是前面所学的光的折射内容的进一步延伸与细化，也是“折射”现象到应用的转变。如何将透镜成像的规律进行清晰有条理的呈现，是这部分的重点和难点内容。

（2）教学目标分析

STEAM教育理念提倡整合式的教学方式，重视培养学生在掌握基础知识技能的同时，能进行灵活迁移解决真实问题的能力。以项目化的形式融入到问题当中，在解决问题的同时也将学习任务完成，从日常的学习过程中为发展科学、技术、数学、工程等方面的能力夯实基础。可以项目式学习“自制简易照相机”为例，在物理学科教学中融入STEAM教育理念，将物理学科中的知识与科学、技术、数学、工程、艺术等知识进行有机融合，使学生在学习物理知识的同时，培养系统思维，提高艺术审美等方面的能力，充分利用物理学科实践性强的特点，做到使物理生活化，让有意义的学习真正发生。本研究从融合STEAM教育理念的角度，对该学习活动的教学目标进行了分析。完成这一学习活动中涉及的STEAM知识能力结构部分如图1所示。

3.教学过程设计

（1）创设情境，导入项目主题

教师在课堂上播放用放大镜、照相机、投影仪成像的动画，请学生仔细观察看到物品的形状特点。提问学生这些物品同样带有凸透镜，但为什么我们看到的效果会有差别呢？教师提示学生结合自己拍照时的经历进行思考。

学生仔细观察动画，并各自提出自己的猜想，结合自己在生活中的拍照经历，会很容易想到与焦距有关。

设计意图：引入学生的生活经验进行猜想，激发学生的学习兴趣，引起他们对问题的思考，从而引导学生通过自制照相机的过程来探究规律。

（2）提出任务，分析项目问题

教师提出任务：以小组合作的方式制作一个能看清楚图像的照相机;给出任务的一些具体要求，比如材料选取的容易度;照相机模型的外观设计、图纸设计的尺寸大小等，并尝试用不同的方式呈现成像规律。

学生自由分组，讨论制作选用的材料以及如何设计外观等问题。

设计意图：教师给出制作的具体内容和要求，能够让学生有目的地制订接下来的项目计划。

（3）执行任务，开展项目

学生在实际操作中尽量实现独立制作任务，同时教师也要适时提供指导，事先可以提供给学生一些辅助性材料作为参考模板，其次是注意进行阶段性评价，不断对实际操作过程中出现的问题进行解决与修正。

①完成导学清单

教师提供导学清单、照相机、凸透镜、毛玻璃、课本、可以上网的电脑等材料，学生借助相关资料以小组合作的方式按时完成任务，并在组内进行交流，分享各自收集到的信息并进行汇总，教师进行补充纠正，如表1所示。

②思维导图的制作

教师先示范如何用Xmind绘制有关照相机组成部分的思维导图，照相机构造如图2所示，借此引导学生学习思维导图的用途与制作方法。接着以“透镜及其应用”这一单元的知识点为主题，学生自由绘制思维导图，如图3所示。绘制完成后小组间相互沟通，对思维导图进行完善。教师进行巡视观察学生的完成情况，并适时给予指导。

③制作照相机的设计图

教师展示一些制作好的样本、相关的制作材料（如米尺、小刀、胶水、胶布、铅笔、剪刀、凸透镜、毛玻璃等材料），为学生搭建好相关的脚手架，培养他们的创新能力。

学生依据绘制好的照相机结构思维导图对其结构有一定了解，开始进行组内讨论绘制草图的任务，确定设计图纸的尺寸。然后以小组为单位将设计图在全班进行展示，共同对方案进行可行性分析，不断对方案进行完善。

④制作项目进度表

教师引导学生思考制作步骤，组间相互讨论制定出进度表，然后开始进入制作阶段。教师进行巡视指导，仔细观察发现学习能力强的学生，并鼓励他去帮助解决其他组遇到的问题，充分发挥学生的自主学习能力;学生对实践过程中遇到的问题进行记录，然后汇报各个阶段的进程，如表2所示。

⑤凸透镜成像规律的总结

教师引导学生根据制作过程的收获，按照方便理解记忆的原则对成像规律进行总结展示，形式不限。比较常规的方式是作图法，如图4所示。其次是口诀记忆法，学生进行一些简单口诀的编制，如凸透镜成像，远缩小近放大;物近像远大，物远像近小;物远成实像，倒立缩小放大，物近成虚像，正立虚像放大。也可利用学生对游戏的痴迷程度，通过游戏的方式进行规律的总结。比如让学生在黑板上画出凸透镜、主光轴、焦点、二倍焦距的位置，一个学生拿着卡片1站在凸透镜一边的任意位置，另外一名学生找出相应的卡片站在另一边，完成一次成像。其他学生根据他们的位置关系说出成像规律。

设计意图：通过小组合作的方式，借助“自制照相机”的实践活动，将透镜单元的知识融入项目活动中，实现知识的灵活应用。

（4）成果展示

学生对自己的成品进行展示并分享在学习过程中的收获，内容包含图纸的设计、最终的成品、制作过程中小组人员的任务分工以及如何协调组间关系等。

设计意图：通过分享培养学生的语言表达能力。

（5）评价与改进

多元全方位立体化的评价有利于学生及时发现问题，在成品改进的过程中，引导学生从艺术和实用层面着手，通过艺术与工程方面的改进，最终的成品更加有益于培育具有创新思想的人才，如表3所示。

（6）项目反思体会

在制作照相机的过程中，应突出对学生技术意识和工程思维的强化。项目实施过程中教师要观察学生在技术方面的掌握情况和存在的问题，给予他们更多的动手实践机会，关注学生在数学、技术、工程、艺术等方面的表现[14]，而不仅仅是停留在表层的知识理解层面。

六、结语

物理学科是一门注重实践性的学科，强调学生探究性思维能力的培养。但是在应试教育的思想禁锢下，教师过度讲解的现象普遍存在，学生大都处于被动接受的消极状态，虽然学生的做题能力被训练得很好，但是在运用物理知识进行创新性、批判性思考问题的能力方面却处于弱势地位。STEAM教育理念加入到初中物理教学过程，给予了学生更多的动手实践机会，能够培养学生运用多学科知识综合分析，从系统的全局角度审视方案，并且用严谨的科学态度对方案的可行性进行验证，用精细的技术操作完成方案制作的能力，以及强化学生主动学习的意识和与人沟通交流的能力。

以透镜成像的知识学习为例，在传统的教学模式下，大都是教师利用器材进行演示，学生在一旁进行观看，学生的参与性并不高。而在STEAM教育理念下，可以引导学生在学习知识点的同时完成一个作品的制作，将作品制作与学习积极性进行结合，提升自我效能感。同时，学生也在不断探究的过程中对相关知识点掌握得更牢固。为了使STEAM教育能够更好地与物理学科进行融合，教师还需更新教育理念，组建STEAM课程资源的开发团队。总而言之，STEAM教育融入物理教学是智能时代的必然产物，也是未来物理教育发展的美好前景。

参考文献：

[1]李春密，趙芸赫.STEM相关学科课程整合模式国际比较研究[J].比较教育研究，2017，39（5）：11-18.

[2]范文翔，赵瑞斌，张一春.美国STEAM教育的发展脉络、特点与主要经验[J].比较教育研究，2018，40（6）：17-26.

[3]张纲，王珠珠.发挥信息技术支撑引领作用服务教育现代化发展大局——学习领会《教育信息化“十三五”规划》[J].中国电化教育，2017（2）：140-144.

[4]项华，毛澄洁，熊晓燕.从物理学科教育走向STEAM融合教育——中学物理教学创新之道[J].中小学数字化教学，2017（3）：4-7.

[5]刘健智，高岩，曾红凤.STEM教育融入物理教学的研究现状与路径探讨[J].天津师范大学学报（基础教育版），2020，21（1）：56-60.

[6]崔鸿，朱家华，张秀红.基于项目的STEAM学习探析：核心素养的视角[J].华东师范大学学报（教育科学版），2017，35（4）：54-61+135-136.

[7]赵慧臣，陆晓婷.开展STEAM教育，提高学生创新能力——访美国STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授[J].开放教育研究，2016，22（5）：4-10.

[8]白凌燕，王星华，董黎明，等.基于STEAM教育理念的课程设计研究——以《仿生设计》课程为例[J].中国教育信息化，2020（16）：55-58.

[9]刘徽，杨佳欣，徐玲玲，等.什么样的失败才是成功之母？——有效失败视角下的STEM教学设计研究[J].华东师范大学学报（教育科学版），2020，38（6）：43-69.

[10]赵赫，梁林艳，李雪，等.基于STEAM教育的中学物理教学[J].中学物理教学参考，2019，48（16）：2-3.

[11]何鹏.STEAM课程作为传统初中物理教学有益补充的实践与思考[J].物理教学，2019，41（1）：51-54+65.

[12]单反相机的构图[DB/OL].https：//pic.sogou.com/pics？st=255&from=vr&query=单反相机的构图&rawQuery=单反相机的构图.

[13]透镜及其应用思维导图[DB/OL].https：//pic.sogou.com/pics？st=255&from=vr&query=透镜及其应用思维导图&rawQuery=透镜及其应用思维导图.

[14]张孟影，甘晓雯，袁海泉. STEAM教育理念下的项目教学设计——以“自制吉他”为例[J].中小学数字化教学，2019（5）：63-66.

（编辑：李晓萍）