STEAM 教育理念融入高中物理课堂教学的实践研究

文| 鄢易行

在学科融合的教育背景下，传统“灌输式”的教学模式已经无法满足学生的发展需要，这是学生对物理知识不感兴趣的主要原因之一。STEAM 模式通过将科学、技术、工程、数学、艺术相结合，让教师产生新的教学思路，让教学方法更科学、更合理。基于此，文章以高中物理为研究对象，简述了STEAM 模式，分析了利用STEAM 开展物理教学的意义，最后以案例的方式对STEAM 理念融入物理教学进行了深入的研究，期望文章的讨论与研究能够给有关工作者提供借鉴和参考。

一、STEAM 概述

STEAM 是科学、技术、工程、艺术、数学的英文首字母。实际上，STEAM 教育就是跨知识融合的一种教学理念，从融合视角对知识展开分析，可以提升学生的认知，再借助合理的教学手段深化学生对物理知识的理解，实现对学生物理品质的培养。STEAM教育理念还强调以学生的认知为基础，帮助学生优化知识结构，在整合新旧知识的过程中对知识产生更深层次的认识。所以，在保证物理课程正常教学的前提下，如何将STEAM 教育理念融入物理课堂教学，是摆在教师面前的重要问题。教师只有立足整体视角，积极创新教学模式，才能让学生在学习的道路上走得更远。

二、STEAM 教育理念的内容

（一）科技融合化

在全新的理念背景下，STEAM 强调淡化学科界限，融合各学科知识解决现实问题。物理教学要以知识为背景，适当地融入科学技术，如万有引力定律与航天技术、机器人与虚拟现实技术和物理传感器的关系。另外，物理学习可引入与学生生活相近的科技产品，如智能扫地机器人、智能灯等，让学生体会到物理知识给生活带来的便利，为学生科学素养的提升奠定坚实的基础。[1]

（二）工程技术应用化

在众多的工程领域，物理学起着先导的作用。以物理原理为基础，分析其在工程技术中的应用可以不断丰富课程资源，同时提升学生的工程意识，如力学原理与工程技术、机械波与声学技术、电磁理论与电磁技术等。以物理原理分析工程技术案例，可以强化学生的工程意识。

（三）物理人文化

物理学家霍金曾说：“物理是一门最基础的关于自然的学问，是最具诗意的科学。”现行的物理教材中有着丰富的人文素养内容，如牛顿三大定律反映了一种自然之美；“温度、压强、速度与能量”是自然语言的再现；物理学家为了追求真理，不畏权势、刻苦钻研的高贵品质等。教师将其渗透于物理教学中，不仅滋润着学生的心灵，还提升了学生的文化品位。

（四）物理与数学融合化

数学是一切自然学科的基础，在物理学习中主要表现为概念、规律、问题解决等。如研究牛顿经典力学就会遇到矢量分析；运动学中加速度的计算就会用到导数知识；行星运动规律的研究中可能涉及圆的基本几何性质；光的传播、机械波、交流电部分又会涉及函数增减性的知识等。在物理教学中，指导学生利用数学解答问题，不仅强化了学生的数学思维，还为学生解决问题提供了有力的工具。[2]

三、STEAM 教育理念融入高中物理课堂教学的实践研究

STEAM 是多门学科融合的教育，通过学科知识的整合，可以为学生创设一个真实、富有画面感的物理情境，在学生的生活经历、问题分析中提升自身的能力。在教学改革的持续发展下，学生物理核心素养提升受到了关注。要想达成这一目标，教师就要加大教学研究的力度，以STEAM 教育理念的融入为契机，有意识地将其融入高中物理课堂教学的各环节中，一是可以改变传统的教学模式，提高课堂的有效性；二是可以将学生内在的能动性激发出来，以促进物理教学质量与效率的稳步提升。

（一）科学在高中物理教学中的渗透

1.让学生经历科学知识形成的过程

在学科知识学习中，只有让学生经历人类思想发展的过程，才能实现他们的再创造。学生应主动探索物理的发生原因、发展过程，进而明确物理的发展方向。[3]比如，在鲁科版“库仑定律、安培力及其应用、法拉第电磁感应定律”的学习中，教师可以带领学生重走科学家的研究之路，在真实问题中产生更深的分析与思考，在实验探究中探寻规律，掌握知识。

2.物理学史在教学中的渗透

任何一个物理概念的提出，任何一个物理规律的发现都是一段物理发展的过程，这一过程蕴含着丰富的物理思想。因此，在某个物理概念的教学中，教师要事先准备好资料，带领学生一起了解物理科学家的故事。教师加强物理学史在物理课堂的渗透，不仅可以丰富学生的物理知识，还有效提升了学生的科学素养。

（二）技术在高中物理教学中的渗透

1.开发技术课程内容

教师指导学生利用物理原理分析工程技术，开发和应用与课程内容有关的技术问题，有助于学生综合能力的提升。如在鲁科版“大显身手的传感器”的学习中，教师播放“网红楼道灯”的视频，学生惊奇于此灯不需要开关，听到脚步声就能亮起，但白天光线充足时，即使有脚步声灯也不亮。教师指导学生以小组为单位对“楼梯灯声控系统”进行设计，首先，教师引导学生分析楼道声控灯的基本原理，对用到的各个元器件进行介绍，如光敏电阻的阻值变化规律、驻极体话筒的电声性能等，然后要求学生根据掌握的知识，在小组内合作设计简易版的“楼梯灯声控系统”，最后以报告的方式提交上来。在这一过程中，技术设计、制作、探究、合作融合在了一起，有效提升了学生解决实际问题的能力。

2.巧用实验室技术资源

现如今，众多的高中物理实验室已经配备了与力、热、光、电、磁等有关的设备，这些设备本身就蕴含着丰富的现代技术因素，如传感技术、通信技术、网络技术等。教师只要合理运用这些资源，就可以让学生体会到现代信息技术在学生物理学习中的价值，同时推动着学生知识向自身能力的转化，并为学生物理核心素养的形成奠定了坚实的基础。比如，在“磁场”的学习中，磁感应强度是一种看不到、摸不着的东西，学生理解起来很困难。为此，教师就要事先准备好磁感应传感器、计算机和配套软件，在课堂通过移动线圈内的传感器测量头，借助计算机将不同位置下的磁感应强度记录下来，就可以形成磁感应强度的图像了，方便学生观察与分析，由此深化对本节难点知识的理解。

（三）工程在物理教学中的渗透

当今的工程技术中涉及很多物理学原理，如浮力定律与混凝土浇筑、毛细现象与新型建筑材料、电子信息技术与通信工程等。同样，工程技术也能促进物理学的发展，让物理学从理论走向现实应用，促进学生对物理的认识更加深入，它必然会反映到物理教学的优化与创新中来。教师依照物理内容与学生的现实情况，可以选择典型的案例。比如，在鲁科版“力的分解”一课中，教师视频引入古代智慧的结晶“赵州桥”，引起学生困惑：赵州桥历经1400 多年风雨，为何仍然屹立不倒？引导学生选取“第一块石头”为研究对象，进行受力分析，通过小组讨论得出结论，既复习了石头受到的重力、弹力等旧知识，又构建了通往新知识的台阶。

（四）数学在物理教学中的渗透

1.用数学比值定义物理量

用数学比值定义物理量形式简单，计算方便。在当下的物理学习中，反映物质本质的物理量常常可以用比值的方式来定义，如电磁强度为E、电容为C。而且对物体运动进行描述的物理量也常可以采用数学比值的方式定义，如加速度a、角速度ω。教师可以创设真实情境，让学生在真实问题下自主摸索和思考，教师再进行引导、归纳与总结。

2.用数学方程表达物理定律

数学方程是助力学生解决物理问题的一种有效手段。因此，在实验教学中，教师要指导学生以实验数据为基础，运用数学工具进行分析。例如，在“牛顿第二定律”的教学中，教师组织学生利用气垫导轨开展实验，运用控制变量法，在保持小车质量一定的情况下，通过增减悬挂重物的质量改变绳子拉力，利用打点计时器纸带进行处理，得到多组力和加速度的数据，运用数学列表法和图象法分析，得到加速度与合力大小成正比；而后保持拉力不变，用同样的方法分析加速度与质量的数据，得到加速度大小与物体质量成反比，最后推导出牛顿第二定律的数学表达式。

3.利用数学解决物理问题

数学的分析法、函数法和图象法在物理习题中都有重要应用，如追及相遇问题中，分析两车恰好不相撞的条件，教师要引导学生画图分析：（1）追上时,位置相同，推导位移关系，列出含有时间的公式。（2）“恰好”表明速度要相同，列出速度—时间公式。教师引导学生用数学分析法联立公式求解，也可以利用函数法中的求根判别式求解,还可以用v-t 图象分析求解。本题解答，整体采用的是数学思路。可见，数学知识在学生解答物理题目时发挥着重要的作用。

（五）艺术在物理教学中的渗透

1.物理中的艺术之美

物理教材内的艺术美比比皆是，如磁生电、电生磁的对称美；能量守恒中体现的和谐之美；原子内电子壳层分布的有序美；牛顿定律将天上、地下物体统一起来的统一之美。

2.物理中的自然之美

物理是一门自然学科，自然界中的很多现象都渗透着自然之美，如光学衍射实验形成的彩色条纹、不均匀空气在光的折射下形成的海市蜃楼。这都是物理自然之美的真实再现，可以激发学生探究物理的热情。

四、STEAM 理念在高中物理活动融入中存在的问题以及优化建议

因STEAM 理念在我国的应用还处于发展阶段，在落实中还存在一些问题，首先是教师本身的专业问题。在知识储备上，教师只对物理知识有一定的积累，对其他几门学科知识只是简单的了解，在跨学科整合中难度很大。其次，STEAM 理念是一种融合教育，甚至一些知识是全新的领域，所以需要学生花费一定的时间研究。要在规定的时间内完成既定的教学规划，这对教师提出了一定的要求。最后，教师要注意并非所有的物理知识都适用于STEAM 模式，若为了应用而应用，势必会出现相反的效果。

根据上述存在的问题，文章提出了几点优化的建议：首先，建立一支综合型、专业性强的师资队伍。比如在高校师范生的培育中加入STEAM 理念，以不断拓宽教师的视野。另外，要注重任职教师的可持续发展，让教师时刻掌握前沿知识。其次，教师必须合理规划教学时间，如实验器材环节要提前准备好，让学生在课前预习，这样不仅可以解决课堂时间不足的问题，还能引导学生在好奇心的推动下进行探究。最后，可以建立物理兴趣小组，在STEAM 理念的引领下，综合课程的专业性、趣味性和实践性，可以将育人的效果发挥到最大。

综上所述，STEAM 作为一种跨学科教学理念，其在物理课堂的融入必须讲究方式方法，切不可生搬硬套，这样才能将其培养人才的价值发挥出来。对高中生来讲，物理是他们学习的一门基础课程，教师应以先进理念为支撑，积极优化教学方法，不仅可以调动起学生的学习积极性，还能让学生在自主参与中得到手、脑的锻炼，为学生物理综合能力的提升奠定坚实的基础。在高中物理教学中，教师践行STEAM理念，可以展现出形式多样的物理活动，可以推动物理教学的有序开展，可以让学生在夯实基础的同时提升自身的创新能力。因此，在今后的物理教学中，教师要树立起融合的理念，加强物理知识与其他学科的融合，为学生跨学科学习奠定坚实的基础。