基于STEM教育理念的高中物理电学演示实验教学改进模式探究

岑燕君

【摘要】STEM教育已经成为全球教育专家学者关注的热点话题，其核心是以培养具有质疑精神、独立思考和能运用综合知识设计方案、动手制作解决问题的能力为目标的一种教育模式。本文分析当前高中物理演示实验教学中存在的几个问题，总结出基于STEM教育理念的高中物理电学演示实验改进的三种模式——验证型、探究型和创新型，并针对这些模式设计教学案例进行分析和实施。

【关键词】高中物理;STEM教育理念;电学演示实验;教学改进

物理学是建立在实验基础上的自然科学，以演示实验为基础帮助学生形成相关的物理观念。在实际物理演示实验教学中，由于教师的教育理念、教学硬件、评价体系等因素的影响，教学的实际效果达不到预期的教学目标。针对该问题，《普通高中物理课程标准（2020年修订版）》提出，学生在物理学习过程中，要掌握科学研究方法和体验科学探索过程，并培养实践探究、科学创新和问题解决能力等综合素养。因此，在高中物理实验演示教学中，需要采用科学的教学方法，让学生积极参与并乐于实验探究和勇于科学创新。

一、演示实验教学设计活动引入STEM教育的意义

（一）演示实验教学中存在的问题

1.教师的教育理念仍受传统教学理念支配，重视知识的传授，缺乏能力培养。传统演示实验教学一般流程：介绍仪器——教师演示实验——学生观察现象——教师得出结论——直接讲授知识，虽然能快速让学生知道更多的知识，却无助于提升学生的相关素养。

2.在经济欠发达地区，学校对物理实验不够重视，实验器材陈旧，或者提供一些型号、质量不太好的器材，实验现象不明显。

3.大部分电学演示实验都脱离了学生熟悉的生活情景，提供的实验难以激发学生的兴趣，学生容易养成只看不思考、不动手、不参与的习惯。

4.在演示实验教学设计中，设计目标以知识为主，没有针对学生能力培养的设计，学生仅停留在表面的现象总结，无交流协作能力、探究能力、推导能力、动手能力、创新能力等方面的培养。

（二）STEM教育的核心素养及理念

STEM教育即科学、技术、工程和数学等教育的简写，提倡跨学科教育，使用多学科的思维和知识解决实际问题。它以真实的问题情境为引导，以思维为中心，以工程设计、制作为支点，在实践中应用知识、构建观念，培养学生运用综合知识、技能和方法解决问题的能力;以真实的情境教学为背景，吸引学生注意，激发学习动机，让STEM教育具有趣味性;把学科知识和实际生活联系起来，提出问题、分组合作解决问题，让教学具有实践性、探究性和协作性;制订教学目标，结合新课标核心素养（物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任）进行详细阐述，最后，在核心素养培养要求下再根据实际目标划分为培养学生能力的子目标，形成STEM教育的多层次目标体系等设计理念。

二、电学演示实验的教学模式分类及改进实践

结合STEM教育的教学理念，根据教学目标、实验内容、学习者特点、学习环境等因素，重新设计教学实验，将STEM教育的多种特性融合到电学实验中。本文将物理电学演示实验分为验证型、探究型和创新型三种模式，通过实验构建概念和规律、体验物理研究方法及培养研究思维，实现教学目标。

1.验证型演示实验模式

验证型演示实验的教学目标是学生对已知结果的验证，但结论并不是教学的重点，怎样通过所学知识、技能、方法来设计实验，动手制作验证结论的过程才是关键。该模式适用于原理简单、器材易获取、在教师指导下大部分学生都可以自主完成的演示实验，该类实验的基本思路如下，以验证带电物体可以吸引轻小物体为例：

（1）情境引入——带电的毛衣靠近纸屑，纸屑飞到毛衣上，引起学生的兴趣，引出学习的主题。

（2）教学子目标制订——教师在STEM理念的指导下从教学目的、学生已有知识储备、可以提供的实验物品，设计一个个子目标分小组完成：①生活中摩擦起电明显的现象有哪些？（通过生活观察、查找资料收集）②提供这些摩擦起电现象明显的物体及类似的材料，让学生动手设计多种方案使这些物体（如，羊毛衫、胶袋、气球等）带上电。③收集轻小物体（如，纸屑、头发）。④设计方案验证这些带电的物体是否可以吸引轻小物体。让学生自主学习，积极参与到教学中。

（3）学生查找资料、设计、试验、实施方案并从物理视角解析现象。通过收集信息、设计、实施方案、解析等培养了学生工程设计的思维能力、探究能力、团队协作能力等。

（4）分享反思——小组对所完成的实验现象从效果明显性、趣味性、创新性等方面进行讨论，评出最优实验方案。教师做好指导和点评，并且还可以在学生所实施的方案中进行设疑，培养学生质疑的思维能力。

2.探究型演示实验模式

探究型演示实验的目标是去发现并解析学生未知的现象，通過探究形成新的物理观念。教师根据生活现象，设计情境，引出学生的疑问。在教师的引导下，学生分组讨论、提出方案、实验探究、得出结论并解释现象。通过让学生身心都参与到教学当中，完成知识的建构和深化，以达到培养学生的探究精神，以及协作学习、独立思考的能力。该模式适用于需要通过实验探究才能理解的抽象概念和规律。其基本思路如下，以探究感应电流的方向为例：

（1）生活现象引入——引入的现象来源于生活中让学生觉得有趣的情景。让学生体会到物理来源于生活，又高于生活，激发学习的热情。如，提供两根形状、长度和大小都相同的铝管和塑料管，让两名学生分别竖直举起两管在同一高度，教师分别在两管上端同时静止释放同样型号的条形磁铁，穿过两个管，且与管壁不接触，结果两磁铁从管中离开的时间并不相同。

（2）提出问题——教师结合引入的生活现象，根据教学目标提出疑问，引导学生回归课堂。如，“为何同样型号的条形磁铁，从不同管中静止释放下降相同高度，时间会不同呢？”

（3）教师设计情境，分步落实教学子目标——教师考虑到学生在学习过程中可能出现的问题，根据教学目标能力要求精心设计紧贴学习内容的工具和资源，帮助学生完成知识的迁移和深化理解。如：

目标1：掌握磁体与导体间相互作用的原因是感应电流的生产。各小组学生根据设计的问题，动手操作，组内分析讨论，得出结论。情境装置如下：

图1  条形磁铁穿过闭合铝环

目标2：探究感应电流产生的效果？让学生根据教师设计问题深入现象分析，得出感应电流的效果是阻碍磁体与导体间的相对运动。

目标3：探究感应电流方向遵循的规律。教师设计一系列的问题串，引导学生从感应电流流向的判断到环内磁通量的变化及感应电流产生的磁场与原磁场间方向关系，得出结论。具体情景如下：

图2  感应电流方向的规律

（4）设计方案，动手操作验证结论。引導学生根据提供的实验器材设计合理的方案，并实施方案从理论分析和实验操作中检验结论，培养学生质疑精神、工程设计和制作的能力及实事求是的科学态度。

（5）解释现象，学以致用。通过学生运用所学解决问题，既检验学生学习掌握情况，同时培养学生学以致用的思维。如，“相同的磁铁从同样大小的铝管和塑料管静止下落，经过哪个管的时间慢？”用所学的知识分析原因，并从能量转换的角度说明。

3.创新型演示实验模式

创新型演示实验适用于实验原理方法不严谨、器材型号不符、实验现象难以突破教学难点等情况，通过已有工具、资源对其器材或者方法进行改进，以增强现象的准确性、明显性、实现难点的攻克等，其核心是实验的创新性，其基本思路如下，以远距离输电演示实验为例：

（1）现象呈现原实验的问题，激发学生的求知欲。远距离高压输电原因是输电线有电阻，根据焦耳定律输电线耗损受电流影响较大，通过高压输电降低输电线中的电流，教师根据课本提供实验装置图（如图3所示）连接电路，进行实验验证，让学生眼见为实。

图3  远距离输电实验演示

当远距离输电线的电阻小时，对电能的损耗远小于变压器本身的能量损失，可能得出完全相反的结论，干扰学生对高压输电过程中导线电阻导致电压损失和电能损失的理解。因此，教师通过设计一系列的子目标引导学生一起改进实验装置。

（2）提出问题，引导创新，培养科学思维、解决问题的能力。导线电阻的阻值均为2Ω，可以明显看到经过变压器高压输电后的灯泡的亮度更暗。由此现象展开一系列问题引导学生完成：①高压输电导线的电流更小，为何灯泡反而更暗？让学生展开思考、讨论，找出原因②若想实现高压输电优于低压输电的实验效果，输电线的电阻有何要求，用什么器材代替导线的电阻，既可以改变导线的电阻，又可以准确获得其阻值。③回路中如何准确观察输电导线两端的电压、流过的电流的变化情况？学生分组讨论，教师适当指导和点拨，经教师启发学生交流讨论后，师生一起完成新电路图的改进。把要实现的子目标通过问题形式一一呈现，培养学生工程设计、创新思维和解决问题的能力。

（3）应用改进，培养动手操作和相互协作的能力。经过师生共同努力改进电路图（如图4所示），电阻箱代替电阻丝，电阻阻值大小可以随意调节，且准确读出阻值。电路中接入电压表和电流表，准确读出输电线两端的电压和流过导线的电流，能准确观察接入变压器对输电线路的电压和电流的影响，加深学生的理解。

图4  远距离输电改进图

根据改进电路图，学生分组连接电路，按照表格要求，改变电阻箱的电阻完成以下问题：导线电阻越大，灯泡亮暗比较有何特点？升压变压器对哪种阻值的导线的能损减少有明显效果。导线电阻的电压与电压表测量结果是否相同，原因是？通过学生的动手操作，收集数据，分析数据培养学生运用数学分析、解决问题的能力。

（4）分享反思。原教材中设计不严谨的演示实验，通过问题的呈现，引起认知的冲突，设计一系列子目标，引导学生创新和改进，运用所学，改进方案及实施，分享和交流，激发学习和探索的热情。

三、结语

根据物理电学演示实验的特点和教学目标在STEM设计理念的指导下，本研究总结了三种电学演示实验模式，这三种模式都基于真实问题情境设计教学，再根据实际教学设计一系列让学生自主学习思考、身心参与到活动中的探索式学习子目标，形成多层次的目标体系，以达到教学目的，让学生从被动接受者转变为主动的探索者，教师从灌输者转变为学生学习的引导者和帮助者。

参考文献：

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