基于STEAM理念的初中物理横向结构规律教学探析

蒋登锋

（遵义师范学院附属实验学校 贵州 遵义 563000）

初中生八年级才开始接触物理，对新的学习领域充满好奇。作为教育工作者需要在初中阶段培养学生对物理学科的学习兴趣，让学生由浅入深、由简到繁的学习过程中保持对物理学科的新鲜感。初中生虽然刚接触物理学科，但通过小学六年和初一的基础学习，已初步建立起对语文、数学、英语、科学等基础学科的知识框架，但学科间横向联系零散，不够深入。同时，生活经验也为学生学习物理建立了一定的感性认识，只是通过生活经验建立起的感性认识不系统，不全面，有的认识甚至和物理本质存在较大偏差。

STEAM 理念是突破学科界限的教育理念，在物理学科教学时，如能基于学生已学学科知识和通过生活经验建立起的感性认识整合认知，不但能深入对已学知识的理解，还能在很大程度上减轻学生面对新学科的心理负担，顺利由已学知识过渡到新的知识领域。但这需要新时代的物理教师能跳出物理学科思考物理问题，要求教师具备更全面、更深入的多学科融合教学能力，这也正好顺应了习近平总书记提倡的“四有好老师”理念。下面我将通过物理教学实例，基于STEAM理念培养初中学生对物理横向结构规律认识的阐述，在学习中找规律，在规律中促进对物理知识结构框架的建立与理解，形成良好的学习思维习惯，为高中的进一步学习奠定良好的基础。

1.通过物理语言教学建立起与英语的学科融合

物理符号与英语学科联系较为紧密，概念和单位的符号是物理语言的重要组成部分，数据必须搭配准确的单位才能表达正确的物理量，这对学习物理过程中培养严谨的逻辑思维至关重要。同时，初中阶段的物理符号多而复杂，这对学习物理增加了一定难度。但分析初中物理符号可发现有很强的规律，具体如下：

（1）物理概念的符号来源

物理概念的教学从物理与英语或其他语言类学科横向联系入手，如八年级重要的物理概念有速度、质量、力、压强、功、功率等，而对应的物理概念的英文单词分别为velocity、mass、force、pressure、work、power，以上物理概念的国际符号均源于其英文单词首字母，分别为v、m、F、w、p。

（2）物理单位的符号来源

单位的命名与概念符号类似，都用对应英文（或其他语言）单词首字母，比如时间单位小时、秒，英文单词分别为hour、second，首字母h、s 作为其国际单位符号，包括长度单位米m（metr）、质量单位克g（gramme）；另一类则是为了纪念对应领域有突出贡献的物理学家，如：力的单位牛顿（Newton）、功的单位焦耳（Joule）、功率的单位瓦特（Watt）国际符号N、J、W 均源于科学家英文名首字母。如果不同物理概念的单位单词首字母相同，则往往顺延至第二个字母加以区别，如压强单位帕斯卡Pa（Pascal），时间单位分钟min（minute）。学生搞清楚了物理定义及单位命名原则后，每学习新的物理量时都可以通过以上规律去自主探索，不但能通过自主学习搞清楚物理定义，更能深层次了解相关物理知识背后的故事及发展史，培养对物理学习的兴趣。

（3）物理前缀组合单位

除了基本单位，复合单位也是物理学中常见的形式。很多复合单位都是通过前缀而来，区别于中国文化的个、十、百、千、万进制，英语则是每3 位数为一个数量级进制，没有“万”这一单独数量级。比如：基本单位往上依次是千（Kilo）、兆（Mega）、吉（Giga）、太（Tera）、拍（Peta）、艾（Exa）、泽（Zetta）、尧（Yotta），每相邻两位之间的进制均为103，既数量级103、106、109、1012、1015、1018、1021、1024。常用对应首字母作为前缀符号。如“千”（kilo）的前缀符号为“K”：长度千米kilometr 缩写为Km、质量千克kilogramme 缩写为Kg，类似的还有Kb、KPa、KJ 等，只要在单位符号加前缀“K”就表示数量级“千”的意思。生活中用得比较多的有数据流量或数据内存单位比特（Binary digit），符号为单词首字母“b”。大家也比较熟悉其前缀，如Kb、Mb、Gb、Tb，而Tb 基本就是目前较大数据储存单位了，既1012比特。

基本单位往下依次是毫（milli）、微（Micro）、纳（Nano）、皮（Pico）、飞（Femto）、阿（Atto）、仄（Zepto）、幺（Yocto），既数量级10-3、10-6、10-9、10-12、10-15、10-18、10-21、10-24，但生活中常用的毫、微、纳级，对应单词Milli、Micro、Nano，首字母或缩写前缀符号分别为m、μ、n，比如长度单位米、毫米、微米、纳米符号分别为m、mm、μm、nm，质量单位克、毫克、微克、纳克，对应符号分别为g、mg、μg、ng，体积的单位升、毫升分别为L、mL。以此类推，我们遇到的基本单位加对应前缀符号即可表达对应的数量级单位，同时明确它们之间的换算关系既相邻两位均为10-3。另外，数量级百（102、Hecto）、分（十分之一、10-1、Deci）、厘（百分之一、10-2、Centi）在生活中也较为常用，如气压百帕（hPa），声音单位分贝（dB），长度单位分米（dm）、厘米（cm）都是在基本单位加前缀d（分）、h（百）、c（厘）。初中学生掌握了单位前缀规律，在后续的单位教学中通过自主探索、推理即可掌握相关知识，学习、理解都非常轻松。为自主探究和学习夯实基础，培养对物理的学习兴趣。

2.夯实数学物理方法，加强与数学的学科融合

小学阶段数学应用题里就需要大量物理模型作为研究基础，比如速度相关计算。而小学阶段数学里涉及到的面积、体积的计算为初中物理压强、密度等知识的理解也起到关键作用。只是数学重在计算，既数字之间的逻辑关系，而物理是一门实验科学，重视理性和逻辑推理学科，如能在已学数学的基础上展开物理教学，则可减小学生面对新学科的心理压力，同时物理的学习也可发挥数学知识的应用，只是要厘清数学与物理的学科语言区别，教学中需要注重以下方面的指导：

（1）灵活运用公式与单位的组合关系

复合单位除了前缀组合，另一种方式就是根据公式推导组合，常见的有乘积关系和比例关系。通常用“/”表示比例关系，用“·”表示乘积关系。比如速度的定义公式，根据公式用路程的单位（m、Km）与时间的单位（s、h）比值表达即可，既m/s 或Km/h，类似的单位还有密度单位Kg/m3、热值单位J/Kg（J/m3）等。此外，乘积关系容易和比值关系混淆，比如功的推导单位N·m 源于其公式W=FS,同时也可以通过W=Pt 推导出另一个单位W·s 或Kw·h（度），从物理学角度1N·m=1W·s=1J，理解这种复合单位组合方式后也可以根据单位反过来推导其计算公式。比如根据电功的单位V2s/Ω 可以反过来推导计算公式为=。学生真正理解这一规律后，教学中就无需再花过多进行复习，同时对知识可以达到更深层次的理解。

（2）注意解答过程中区别与数学的表达方式

数学与物理的解题过程侧重点是有区别的，数学注重数字逻辑关系，解答题具体表达过程中需将具体计算过程表示出来，而物理则注重理性和逻辑推理，解题时必须注明依据（公式），带入数据时顺序必须按照公式中符号对应顺序，不需要呈现具体计算过程，既格式三部曲：公式（表达式）→带入数据→得出结果。另外，物理表达式对标量和矢量乘积符号也有严格要求，初一数学已经学过乘积符号有“·”“×”或省略三种形式，但解答过程中常出现格式书写不规范现象。物理公式中乘积关系往往习惯省略乘积符号，如：W=FS、S=vt 等。而带入具体数据的过程就只能使用“×”符号，例：W=I2Rt=（0.1A）2×5Ω×10s=0.5J， 若书写为（0.1A）2·5Ω·10s=0.5J 则不正确。物理学中“·”号一般使用在单位符号中，比如：电功的单位有V·A·s。

（3）注意涉及指数幂计算时正确书写方式

物理数据处理时要注意单位的指数幂表达，数据和单位是一个整体。比如边长为0.2m 物体的面积、体积计算时，应在边长数据基础上对包括数据和单位进行完全平方、完全立方，例：S=a2=（0.2m）2=0.04m2，V=a3=（0.2m）3=8×10-3m3。再比如电功的计算，牵涉指数幂公式有W=I2Rt 在代入数据时也要注意电流数据代入时需括号平方。例：W=I2Rt=（0.1A）2×5Ω×10s=0.5J。物理应用较多的则是根据用电器名牌计算有关数据，例：计算规格为“PZ220-1000”用电器的电阻，书写为48.4Ω。

（4）注重数学基础方法在物理学中的应用

STEAM 教育更多强调互动与实践，为学生提供探索学习的路径，这样学生的思维才能充满活力，也能基于自身的创造去完成物理的学习，而不是单纯的学习理论概念。本身初中物理课程中横向结构率就是学习较为困难的部分，如若学生无法将所学的物理知识串联在一起，运用到实际的生活之中，学生的思维能力与物理素养都无法得到有效培养，这就失去了开展STEAM 教育的实际意义。很多学生对物理公式变形、坐标理解、推理逻辑上理解困难，而这些都是建立在数学化简、函数、坐标、指数幂、解方程等数学方法上。一些学生能熟练掌握数学里的移项、化简，却对物理中公式变形、单位推导犯难，物理解题时又经常使用x、y。这些都说明学生不能把数学与物理很好地融合。解决这一问题需要物理与数学教师加强联合教研，深入学科融合教学，在数学学科教学时多把对应物理模型导入课例，物理课堂也多把对应数学方法进行教学，让学生充分感受数学物理方法，理解数学的方法就是用来解决物理问题的，这样既减轻了对物理的抽象压力，同时也通过解决物理问题促进了对数学的理解。

3.通过规范物理语言建立起与语文的学科融合

在过去得物理教学中过度重视对数据的分析、处理，往往忽视了学生的表达能力。而初中阶段应更多放在定性原则上，在建立了基本的物理模型后，将数据处理重心应放到高中阶段进行定量分析。STEAM 教育不同于以往的任何一种教育理念，这是一种以学生的主体，让学生通过知识迁移和应用占比，形成高阶思维能力与创新能力的教学理念。教师一定要注重教学模式的创新，改变以往的教学理念，注重以学生为主体展开物理课堂的教学构建，以学生的学习需求为教学主体：让学生获得更多学习的方式，这样学生的实践能力与学科素养才能得到锻炼。将语文学科的知识与初中物理STEAM 教育结合在一起，不仅能够发挥出学生学习与发展的主体作用，使学生亲身经历物理知识的形成过程，还能使学生将课本中的知识与语文学科的知识结合在一起，简单与具象化地学习物理知识，全面提高学生的物理学习效果与能力，通过改善学生的学习体验和学习氛围来提升学生自主探析能力，锻炼综合性的学习思维，并实现创新能力的发展。现阶段语言表达能力在各学科教学中都越来越受到重视，简答题在中考试题中出现的频率越来越高，学生在面对简答题时能大体知道其蕴含的物理知识却很难组织语言准确描述其中的物理原理，导致简答题的得分率不高。所以简答题也被学生及教师定义为中考较难的题型之一。解决上述问题一般按以下步骤分部着手：

（1）回归定义

例一：物体所受摩擦力的分析

物体所受摩擦力的分析往往基于两个物体是否存在相对运动，而有关物体运动的判断则是一个非常基础的知识点，大家都觉得非常简单而容易被忽略。但在遇到物体所受摩擦力的分析时又陷入了困惑，特别是“传送带”类问题总是描述不清楚，这是初中甚至高中阶段的难点之一，原因就在于脱离了对两个物体运动情况的精准分析。要解释清楚相关问题就需要回到对“机械运动”的物理定义，既一个物体相对另一个物体是否发生位置变化或变化趋势。组织语言描述清楚两个物体之间的位置变化情况，摩擦力的分析及语言描述即可迎刃而解。

例二：惯性有关现象的解释

本知识点也是教学中锻炼学生语言表达能力常涉及到的简答类题目。比如解释毛巾上的粉笔灰为什么通过快速抖动就可以摆脱掉。解答这类题目往往需先回到“惯性”的定义，描述两个物体发生运动状态变化前后的区别对比即可，先明确动词为“抖动”，毛巾上的粉笔灰需要“抖动”才可以分离，组织语言时围绕动词说明粉笔灰和毛巾两个物体在“抖动”前后的状态：抖动前粉笔灰随毛巾一起运动，抖动后毛巾快速停止运动，而粉笔灰由于惯性将保持原来的运动状态继续运动，从而粉笔灰和毛巾就分离了。再如：解释公交车刹车时人会前倾还是后仰及其原因，组织语言时先明确动词“刹车”，描述“刹车”前后车与人的运动情况即可。组织语言：“刹车”前，人和车一起向前运动，“刹车”后，车子快速停下来，而人由于惯性会保持原来的运动状态继续向前运动，所以人就会向前倾倒。为什么锤头松了通过在石头上“磕”几下就紧了？为什么跳远运动员先“助跑”一段后跳得更远？总之，解决此类问题的规律就是先明确动词，再结合惯性的定义描述清楚两个物体动词前后的运动情况即可。

（2）培养检索有效信息的能力

很多教师对物理计算题的格式要求需要书写“已知、求、解、答”存在争议，认为此类固定套路会把学生解决问题的思维僵化。我认为对于刚刚接触物理的初中学生来说是很有必要的。学习任何一门新的学科都需要熟悉该门学科对应的学科语言，而学生受长期生活经验获取的感性认识影响，导致在组织语言描述、解释物理有关现象时语言不规范。物理是一门自然科学，要求学生必须通过学习培养严谨的思维习惯和熟悉物理语言。而“已知”就是训练在众多数据中快速提取有效信息并通过特殊符号、数据翻译为物理语言的过程，“求”则是用符号将题目要求或目的翻译为物理语言的过程，“解”是通过物理符号、数据等语言解答相关问题的过程。真正规范、完整的“已知、求、解、答”是国际通用语言，也就是说不管你是汉语、英语或其它任何语言背景都能看懂有关数据及解答过程。

目前，各地中考、高考对阅读和理解能力都提高了要求，不论试卷字数还是对文字含义的理解难度都大幅增加，题型也变得更加灵活，题量不变的情况下试卷页数增加。多地还将涉及有关物理知识的诗句、文言语句设计到中、高考题目中，如果学生题目都没有搞清楚就更不用说解题了。这给学生在阅读、文字理解和提取有效信息都提出了更高的要求。因此，在平时教学过程中教师要加强阅读训练，强化与语文学科的融合教学。

STEAM 教育理念就是这样，在具体场景中通过培养学生解决实际问题来提升综合解决问题能力，着重培养对知识的应用，增强创新意识。而且对于学生来说，物理知识有趣但是又复杂，但是融入STEAM 教育理念后的物理课程，学生的学习兴趣能够被激发出来，而且复杂的学习内容也变得更加简单直接，可以使学生积极地学习物理知识，可以实现对学生物理学习兴趣与效果的有效保证，自然就能使学生获得良好的物理学习效果。所以，初中物理教师应真正认识到STEAM 教育的教育价值，以这种新型且高效的教育理念开展物理教学，使学生能够真正融入到物理课程之中，真正学会与学好物理学科中的知识。

就像学生理解了物理概念以及单位符号的来源后，一定程度上加深了对英语学科的认识、促进了对数学学科的理解，推动了对语文学科的应用，同时培养了对物理学科的学习兴趣。以此为出发点，物理学科与各学科之间都有着很强的关联，物理教师应在教学中增强各学科之间的融合教研。同时授之以渔，引导学生归纳总结出各学科与各知识点之间的关联与规律，渗透横向联系思想，学习上就可以达到事半功倍的效果，走出过去机械记忆、刻板理解的学习方式，促进各学科协同进步，符合当下的新课程改革、大单元教学设计、双减政策等，掌握好学习方法后为高中物理进一步学习奠定良好的学习基础，也为新时代综合性创新人才的培养奠定基础。