2022版新课标下初中物理跨学科小实验教学思考——以沪科版STEAM理念光学实验为例

福建省泉州市鲤城区教师进修学校 吴中荣

物理学的学科特点是利用已有的工具和方法去探究未知的领域，并进行创新。在初中物理小实验教学中渗透STEAM教育理念，能使学生在学完物理知识后，利用简易的材料进行设计并开展实验，体验物理知识在实际生活中应用的快乐，提升学生综合应用各科知识的能力，并为物理教师开启“双减”背景下的实践作业设计思路。小实验教学可以帮助学生进行降阶思考，从简单动手迈向科学探究。教师通过有效的小实验教学，可帮助学生掌握并提高实验技巧，体验撬动物理学科这块“巨石”的快乐。沪科版初中物理教材中的“迷你实验室”里设置的小实验或相关课外实验教学资源的目的恰恰与STEAM教育理念相契合。

一、当前初中物理实验教学存在的问题

（一）讲授式实验教学替代实操

在实际的实验教学中，很多教师还是单纯采取讲授式教学，由于很多学校实验仪器缺失、不能及时更新，很多课标要求的必做实验还是停留在PPT或者动画、视频的演示阶段。使用多媒体技术虽然很多时候可以比较生动地再现实验过程，但是很难模拟出所有的真实情境，少了很多探究环节必备的要素，也少了很多探究过程中的乐趣与学生的亲身体验。

（二）重视刷题而忽视实际实验技能的培养

在传统的实验教学中，教师更加偏重于利用纸质试题的形式进行物理实验知识的复习考查。在反复的高强度刷题训练后，学生对常见类型题的解题能力有所增强，但是在实操过程中，实验技能却没有得到加强，实际问题的解决能力没有得到真正提升。

（三）忽视问题“起点”和实验经历

在很多时候，教师会强调实验结果的应用，而对学生提出问题的起点没有很好的重视，对实验操作过程的引导与观察，缺乏目的性的引导和培养，这就导致学生在实验过程中充满盲目性和偶然性，实验的兴趣和自信、进行实验的驱动力不能得到很好的延续。

二、STEAM教育理念下的实验教学与传统实验教学的不同点

（一）实验方向的不同

传统的初中物理实验多以目的、结论为指向，即实验结论、操作流程清晰，或已经告知学生进行实验的方法，学生只要按照实验内容一步步来做就能完成实验。而基于STEAM教育的中学物理实验则主张以项目学习为手段，让学生通过完成实验去获得实验知识，增进动手能力的提升。此外，不同于传统初中物理实验以结果来判断实验成功与否，STEAM理念下的中学物理小实验，要求学生用跨学科的思维方法，综合应用各种可能的器材，进行设计、改造、制作、并完成喷涂颜色、制作外壳等，丰富了实验过程，也使学生同时得到更多学科从“书面知识”到“实际应用”的锻炼与尝试。

（二）涉及、涵盖的学科不同

传统的初中实验比较单一，而基于STEAM教育的初中物理实验主张跨学科的综合应用，涵盖理工科，跨越连接了艺术学科。基于STEAM教育的实验探究，能够将初中学习的碎片化的各科知识进行系统优化，让学生将已掌握的知识融会贯通，锻炼学生的核心素养。

（三）实验材料和实验场景不同

传统的物理实验大部分都是在实验室或类实验室环境下进行，对实验场所有一定要求，而基于STEAM教育的实验，器材可以是生活中经常用到的废弃物或者生活用品，对实验场所的要求也没有那么高。所以，实验可以随时随地进行，也不用过多顾忌实验过程中的实验器材损坏的问题，比较契合初中生的年龄特点。“物理学与日常生活”中新情境的不断出现，可以为学生综合各种知识“提出解决方案，践行安全与健康生活”。

三、初中物理学科中开展STEAM教育的意义

（一）增进学生的学习热情

1.初中物理课程涉及的基本原理对于许多初次接触物理的学生来说有一定难度。针对这些痛点，教师可以设计出一些“降阶思维”的小实验，使复杂原理背后的概念和原理表述形象化地展示在学生面前。降低学生的思维难度，使其获得更多的上升台阶，有利于他们掌握更复杂的规律。比如，要让学生理解彩虹的产生，可以让学生直接动手用喷壶喷出水雾，然后让投影机的光线穿透水雾产生“彩虹”，这样就降低了学生理解彩虹产生原理的难度。

2.沪科版初中物理教材的“小实验”，具有器材简单、容易操作的特点，能有效促进学生的动手能力，从而让每一个学生都能爱上物理实验。而采用生活中常见的器材，设计趣味化的小实验可以很好地激发学生的学习兴趣，更好地融入课堂。如“光的反射传播”实验，讲授的时候，可用一根透明光滑的塑料软管，用聚光性能较好的LED手电发出光源，模拟光线在光纤中的传播。可首先将水管弄成直线状态，让光从一头进入。然后弯折软管，询问学生另一端能否看到光线，当学生猜测完后，教师再演示这个实验。当学生的认知和实验结果出现冲突时，教师可以有效抓住教育契机，进行知识的铺垫和展开，这样就能很好地激发学生探究的好奇心与求知欲。“核心素养的内涵包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度，在进行严密的科学思维后，学生才能进行正确的科学探究”，“随着教改的推进，物理学科面临着教学目标从三维目标向核心素养进阶的转变”。跨学科科学探究过程中容易让学生感知新的认知盲区，教师要做好“导航员”的工作，使学生能获得足够的驱动力去思考问题，设计方案，解决问题。

（二）提高学生的综合能力

1.STEAM教育理念的各个维度几乎涵盖所有实验。一个物理小实验的进行不只是涉及到物理知识，从找材料、设计到动手完成实验，都会涉及到跨学科知识。完成每一个实验一般都需要各种工具的合理配合使用，熟练使用工具是顺利完成实验的前提。例如，简易天平的制作需要用到钳子、刻度尺、刻刀、螺丝刀等；简易量筒的制作需要用到刻度尺、刻刀等；制作潜望镜需要用到玻璃刀、美工刀、胶布、热熔胶等。这些工具的合理使用可以确保学生实验的顺利进行，同时，学生对实验过程中涉及的方方面面都能有所了解，深入理解每一个实验步骤的内涵和外延，从而促进学生核心素养的提升。实验制品是否真正满足实际的要求，实验作品包括用到的材料及结构是否稳固等，可以让学生在实验过程中进行尝试，从而，促进学生工程素养的提升。例如，要让纸张很好地站立，要考虑到纸张的折叠形状及所用材料。数学知识更是几乎延伸到各个理科类实验。艺术素养要素亦贯穿整个实验过程，活动中学生的交流、对话，都是艺术素养的体现，实验制品的外观颜值，也很好地体现了学生的艺术灵感。学生在实验过程中很好地利用了各科所学的知识并进行整合应用，也发展了学生的综合素养，因此，跨学科的小实验制作对学生具有非常重要的意义。正如皮亚杰的相关理论所指出：因为同伴的认知水平相近，所以同伴协同能增强自主学习能力。

2.STEAM教育以理工科为基础，加入艺术元素，集合了多门学科的特点与优点，符合新课标中核心素养的要求。经过实验操作的磨练，加上跨学科实验的“催化”作用，学生的动手能力，实验探究能力得到较大提升，科学思维能力也会有相应提升。此外，随着艺术元素更多的融入，学生的作品也可以更多地融入人文美学，促进学生多方位的发展。物理学是建筑于实验之上的科学，需要不断地从实验中去获得灵感和动力，而学校的实验课时有限，每个课时的时间也有限，课内的物理实验培养学生的基本能力和技能，因此这些实验更多的是培养学生的严谨性和锻炼学生的逻辑思维方式。而一些课外小实验可以促成学生用身边的简单器材，激发主观能动性进行实验，不仅锻炼了学生面对困难时解决问题的实际能力，而且对学生的终生发展更有借鉴意义。这些实验可以利用学生一瞬间的灵感，使其获得更多的创意空间。

四、开展STEAM理念的小实验教学实例

（一）项目探究实验1——光的直线传播

沪科版八年级物理教材中，用观察光在水中和玻璃中的传播，来展示“光沿直线传播”，这里所谓的“直线”传播，不好进行实验测量，只能通过目测，实验的严谨性有待提升。因此，课后或者上复习课的时候，可以提前布置学生进行实验设计，学生以小组为单位，互相讨论，上网收集资料，进行实验，并拍成视频进行分享，由于实验视频是学生自己动手策划设计拍摄的，并且学生还会根据喜好进行编辑，加入背景音乐，这也是艺术素养的体现，因此，完成的视频作品能促进学生之间的交流和合作，还原学生兴趣的本真，促进学生进一步进行科学实验。

活动主题分析表1

实验器材：A4纸、长尾夹子、刻度尺、圆规、美工刀、LED手电筒。

实验过程：学生通过设计，利用长尾夹尝试让几个纸片立起，并利用圆规及美工刀，将每张纸都钻好孔，通过调整纸片的孔的位置，用刻度尺测量，如图所示，如果让光从左边第一个孔射入，在最后一张纸板的小孔后面的光屏（A4纸对折）上能得到完整的圆形光斑，就可以证明光是沿直线传播的，如果光屏上的光斑不是圆形的，就证明纸板上的圆孔没有在一条直线上。本实验为学生从网上学习模仿的实验，虽然不是原创的，但是学生将材料进行优选，选出最经济实惠的器材，用普通的手电代替激光笔，用纸张代替纸板，用对折的纸张代替光屏，均可显示出学生经过比对、优选、探究、总结、合作，并在展示阶段让学生将实验视频进行优化，同时也提升了学生视频编辑软件的使用水平。由于这也是学生喜欢的形式，因此，会促成更多的学生去模仿，让更多的学生的物理思维得到锻炼。

（二）项目探究实验2——色光的混合

义务教育物理课程标准2022版对色光混合的现象作了明确要求。教材的实例看似简单，但是利用两个三棱镜使色光合成这白光就比较麻烦，而且容易受到天气因素的制约。如果让学生动手设计出这个实验，可以让学生对色光混合的理解更加深入。学生动手实验，自己使用手机等设备拍摄实验短片，并让学生在课堂上进行展示，加入旁白解说，会让学生亲身经历了一场生动有趣的科学之旅，感受自信和分享的乐趣。这不仅可以加深学生对各种色光的理解，还为学生进行高一级的深度学习铺平了道路。

活动主题分析表2

实验器材：圆形纸板、彩色笔、胶布、可调速手持电机、电池。

实验过程：先制作一个圆型纸盘，涂上红绿蓝三颜色，并将电机的转轴插入圆心，将电机和滑动变阻器组成的电路相连，随着转速的不同，就可以看到不同色光的混合。

基于STEAM教育理念的的物理实验，在很大程度上可以弥补教材中许多实验的不足，促进学生发现问题和探究问题能力的提升。而深入挖掘物理实验的跨学科要素，并融入更多的思考，可以让STEAM理念在促进初中物理学科素养的培养中不断提升。跨学科实验探究方式丰富了单调的物理探究实验过程，将人文艺术、工程思维等因素融入物理实验过程，为学生今后的可持续学习提供了可能，并锻炼了学生的物理思维等核心能力。