基于初中物理自制学具的 STEM 教育实践研究

黄海勇

本文所指的学具是学生在自主学习时所使用的工具，它是帮助学生进行学科学习的脚手架。学生制作学具作为探究活动的支撑，其过程是让学生取材于生活，突破课本实验器材的界限，内化课本知识的过程。学生需要主动收集信息和材料，根据已有知识对信息与材料进行分析加工，锻炼学生创新创造能力及动手实践能力，激发物理学习兴趣。

基于此，笔者实践摸索出基于初中物理自制学具的STEM教育实践的基本实施策略框架，以“凸透镜成像的规律”一课为例展开介绍（如下图）。

一、聚焦课本，布置学具前置作业

1. 教材、考点、学情分析

凸透镜成像规律是中考常考点，着重考查学生收集和整理数据、分析和总结归纳的能力，体验物理现象与结论。但该课题较复杂，涉及的成像性质有倒立、正立、放大、缩小、实像、虚像等多种组合，学生缺乏相关理论经验，容易产生畏难情绪。实际教学有两种处理办法：一是验证课本实验，直接提出凸透镜成像规律，然后实验验证，此方法学生实验目的明确，按部就班操作即可，但容易导致学生机械学习，会做例题但不理解现象。二是教师指导下学生合作探究，教师提前指导学生相关技能学习，在探究过程中设置问题一步步引导学生猜想验证，分散学生的实验难点，带领学生分组逐步实验，此方法会造成学生思维僵化，对于解决与生活相结合的灵活问题时，可能无从下手。

物理源于生活而高于生活，因此解决的路径是让学生经历、体验、升华，从制作照相机学具开始，让学生观看照相机成像，由现象引发思考，才能更好地理解凸透镜成像的原理。

2. 布置学具前置作业

教师根据学生性格、兴趣、爱好以及学具本身制作的难易程度提前分组，每组4人，男女学生搭配。各小组按教师指引分工，包括组长（领导和协调团队）、操作员（把控制作环节、控制成本）、技术员（收集相关材料）、报告员（文字编辑、美工、记录团队想法并向全班展示最终成果），确保小组中事事有人做，人人有事做。

其次，教师根据学生能力层次指导各小组参考并尝试网上四种自制照相机方案（具体方案略）。各小组也可根据其他参考资料进行创作。

3. 完成学具研学策划书

①课前准备。学生对所学知识产生感性认识，并列出项目名称、学习模式、组内分工与所选方案及选择理由等基础信息，为下阶段学习做好准备。

②融合学习。引导学生践行STEM理念，列出工具、材料与价格，是培养学生自学能力的重要手段。

③研学过程与记录，包括“模型制作”与“反思增效”两阶段。第一阶段是对操作过程的记录，画出照相机设计图、列出制作步骤，由小组长协调制作一个照相机模型，然后测试作品效果。第二阶段引导学生反思制作过程中的问题与解决方案，回顾模型制作所包含的各学科知识点，并提出改进方法。

④收获体验。复盘照相机模型制作的全过程，反思总结形成经验。

二、展示分享，达成目标

1. 展示学具，分享成功

小組分享各自的照相机模型，组长重点讲解制作学具过程，其他组员补充。教师从照相机模型的结构、成像效果、材料、外观，实用性、性价比等方面进行点评，找出各小组制作的亮点。

2. 学具外延，设计实验

学生在进行科学探究实验时，感受不同学科与物理知识间的联系与区别，对问题从感性认知上升到理性认识，体验物理科学探究的本质。在凸透镜成像规律中教师抓住学具共同点，即照相机成倒立、缩小的实像的特点，进一步提出凸透镜还可以成什么像，与什么因素有关等问题。学生参考学具研学策划书，设计实验报告，报告应包含实验目的、实验器材、实验步骤（过程）、实验数据（记录）、实验结论等内容。

3. 自主实验提升学生自我效能感

本课中，笔者首先播放《物距（u）、像距（v）、焦距（f）等概念的介绍》和《探究凸透镜成像规律》微课。接着布置各小组自行设计实验报告做实验，过程中遇到困难则回看微课、交流讨论克服阻碍。同时，小组可以把自己精彩的实验现象通过图片或视频等方式，发送至网络平台展示。课堂上采取边做边学、及时回放、观摩他人视频等多种方式，学生互相借鉴参考并展开针对性讨论，为顺利完成实验与构建知识网络打下坚实基础。

三、学具拓展，学以致用

科学探究时，教师的作用不是掌控而是引导，在拓展性知识上帮助学生创设知识情境，让学生在情境下更好地理解所学知识，提升实验操作能力。本节课结束前，教师可布置两个拓展情景：①凸透镜用白纸挡住一半时还能成完整的像吗？会有怎样的变化？②在白纸上竖直写上“凸透镜成像”五字，找一个透明的空矿泉水瓶，逐渐加入半瓶水，待水静止后让学生观察瓶后白纸上的字。

综上所述，教学设计引入制作学具的前置作业，有效地激发了学生学习兴趣和探究欲望，训练学生的思维迁移和创新能力；也帮助学生建构了凸透镜成像特点的几何光学模型，以“做”为出发点，让学生参与科学探究活动，锻炼科学思维能力，为学生的终身发展奠定基础。

注：本文系中国教育科学研究院中国STEM教育2029行动计划立项课题“基于初中物理自制学具的STEM教育实践研究”（课题编号：2020STEM042）研究成果。