基于STEAM教育理念的5E教学模式在大学物理教学中的应用探究

周玉修 程 融 周学懋 韦荣昌 蓝海江

广西科技师范学院机械与电气工程学院 广西来宾 545600

1 研究背景

教育是一个民族可持续发展的基石,促进高等教育不断提升发展一直是我国教育强国的重要目标,而教育更本质的目的是提升学生的素质,培养学生的能力。物理学在自然科学的发展史中一直占据着重要的地位,从看不见的微观物质到平常所见的宏观物体,再到宇宙中的星系星团都是物理学的研究范围。大学物理作为理工科的一门专业必修的公共基础课,承担着学科知识的传授、科学素养的提升、创新能力的培养等诸多任务。但是由于物理概念相对抽象复杂,物理公式相对繁复,很多学生在学习物理时容易存在畏难情绪,缺乏学习的自信心,对物理学习的兴趣自然也就不高。这样就导致学生上课前不主动预习课本;课堂上缺乏学习的积极性,被动学习,听课效率低;再加上课后复习也不到位,授课效果就差。如何把枯燥的课堂教学趣味化,唤起学生学习的兴趣是高校大学物理教育急需解决的问题。

STEAM教育是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Arts)和数学(Mathematics)等学科英文首字母的简写[1],强调多学科的融合,注重创新思维、实践能力和科学素质的培养。STEAM教育理念最早是美国政府提出的教育倡议,在我国2015年9月教育部《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见〈征求意见稿〉》首次明确提出STEAM教育,而《中国STEM教育2029创新行动计划》的启动,则标志着我国对STEM人才培养提出了新的要求,这也是国际教育改革发展的趋势。将STEAM教育理念在物理课堂上实践[2],以跨学科复合型人才培养为目标,改变传统的教师围绕教科书讲授的教学模式,从实际问题出发,充分调动学生学习物理的兴趣,引导学生参与到课堂中,积极思考,主动探究,合作交流,打造以学生为中心的高效课堂。

2 基于STEAM教育理念,构建5E教学模式下的高效课堂

本文以STEAM教育理念为指导,采用5E教学模式[3],通过吸引(Engage)、探究(Explore)、解释(Explain)、拓展(Extend)、评价(Evaluate)五个环节[4]进行物理教学,整合线上教学资源,融入思政元素[5],有效提高学生的创新意识、发散思维以及综合素养,为复合型人才培养奠定基础。

2.1 从生活出发,创设问题情境

STEAM教育理念旨在培养具有创新思维、实践能力、科学素养的综合型人才。通过跨学科的融合,从真实生活中的实例出发,提出问题,激发学生兴趣,引发学生思考,提升学生自主学习的积极性。在对问题的探究中,完成知识的学习,提高学习效率的同时也加强了学生对知识的理解和掌握,同时也培养了学生分析和解决实际问题的能力。

2.1.1 情境1:马吕斯定律的教学引入

教师首先询问学生有没有在电影院观看立体电影,立体电影给人以身临其境、栩栩如生的奥秘在哪?并引导学生回想戴立体电影眼镜,戴普通的近视镜、老花镜以及不戴眼镜观看立体电影的感受异同。学生思考分析:立体电影眼镜有着与普通眼镜不同的地方。教师继而提出问题:立体电影眼镜蕴含了什么物理原理?和光的偏振有关吗?进而引发学生兴趣,激发他们的学习热情。

设计意图:创设生活化情境,通过问题驱动,激发学生的学习兴趣。

2.1.2 情境2:电磁感应的教学引入

因为学生在高中阶段对电磁感应现象已经有了一定的了解,在课堂教学中教师首先询问学生在日常生活中电磁感应现象应用的实例有哪些?学生列举出日常生活中的应用实例:电磁炉、变压器、发电机等。教师以动圈式话筒为例介绍电磁感应现象在生活中的应用,由生活的实例激发学生的学习兴趣。

设计意图:创设生活化情境,通过问题驱动,激发学生的学习兴趣。

2.2 合作交流,分组探究

STEAM教育理念提倡协作学习,采用小组的模式进行合作探究,通过交流讨论,碰撞出思维的火花,学生发挥各自优势,互相吸取经验,共同探寻问题的答案。分组讨论的方式既可以加深学生对知识的理解,同时可以培养学生的语言表达能力,又可以增强学生团结协作的精神。

2.2.1 探究1:偏振片的起偏与检偏

教学内容:光源发出的光是自然光,通过偏振片以后变为线偏振光,这一过程称为起偏。利用偏振片还可以检验入射光是自然光还是偏振光,这一过程称为检偏。

教师给每个小组提供实验器材:光源、偏振片,引导学生观察实验现象,探究物理规律,从而加深对物理概念的理解。

学生在教师引导下,分组进行实验探究。学生观察实验现象,讨论交流,总结物理规律,并选派小组代表,阐述小组讨论结果。

教师对小组讨论的结果进行评价总结。

设计意图:通过学生动手实验,激发学习兴趣,加深学生对起偏和检偏的理解。

2.2.2 探究2:电磁感应现象产生的条件

教学内容:当穿过回路所包围面积的磁通量发生变化时,回路中产生感应电流,这一现象称为电磁感应现象。

教师通过动画展示三种电磁感应现象产生的情形,磁场发生变化、回路包围的面积发生变化,以及磁感应强度和面积的夹角发生变化。请学生分组探究电磁感应现象产生的条件。

学生在教师的引导下,分组讨论,思考三种情况的共通之处,总结电磁感应现象产生的条件,并选派小组代表,阐述小组讨论结果。

教师对小组讨论的结果进行评价总结。

设计意图:通过学生分组讨论,调动学生学习积极性,加深学生对电磁感应现象的理解。

2.3 深入浅出,阐明物理原理

由于物理知识相对抽象,所以在讲授过程中应当结合多媒体辅助教学,结合动画和视频的方式使物理概念直观易懂。同时物理概念的学习过程不能仅仅通过教师的讲解来完成,还要鼓励学生提出自己的见解,教师在学生认识的基础之上再补充完善,构建一个牢固的知识架构。

概念1:马吕斯定律I=I0cos2θ

教师给每个小组提供实验器材:光源、偏振片,引导学生分组实验,通过实验现象探究偏振光经过偏振片后的光强与θ角有怎样的关系?

学生分组实验,观察实验现象,讨论交流,总结物理规律,选派代表阐述小组结论结果。

教师对小组讨论结果进行总结评价,并由实验结果引入物理概念:马吕斯定律,给出光强随角度变化的规律。

设计意图:通过实验探究、小组讨论的模式,培养合作精神,锻炼动手及表达能力,提升综合素养。

概念2:感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。

教师现场演示实验,长条形磁铁穿入穿出导体圆环,引导学生观察实验现象,并分组讨论,分析实验现象产生的原因。

学生小组讨论交流,分析原因,总结物理规律,选派代表阐述小组讨论结果。

教师对小组讨论结果进行总结评价,并进一步引导学生思考,如果导体圆环是断开的,实验现象又会出现怎么变化?

学生小组讨论交流,推测实现现象并解释原因,选派代表阐述小组讨论结果。

教师改变实验条件重复实验,引导学生们观察实验现象是否和推测的结果吻合,并进行归纳总结。

设计意图:通过小组讨论的模式,培养合作精神,锻炼学生的观察、表达能力以及分析解决实际问题的能力,提升综合素养。

2.4 动手实验,学以致用

STEAM教育理念倡导基于真实问题情境的物理教学,物理学又是一门以实验为基础的课程,在物理课堂教学中可以引导学生自己亲自动手通过实验探究物理规律,提高学生学习物理的兴趣,激发学生自主学习的积极性,同时锻炼学生的动手实践能力。在教学中注意将理论知识和生活中的实际问题相结合,达到学以致用、举一反三的目的。

案例1:马吕斯定律的应用拓展

教师提问如何根据马吕斯定律的知识选择偏光太阳镜?引导学生分组讨论,设计实验。

学生小组讨论交流,思考问题,利用物理知识设计实验过程,小组现场演示实验,验证太阳镜是否为偏光太阳镜。

教师对小组设计实验进行评价总结。

设计意图:利用理论知识解决实际问题,学以致用,培养学生动手实践以及分析解决实际问题的能力。

案例2:电磁感应的应用拓展

教师现场展示小型发电机模型,讲解电磁感应现象的应用实例:发电机。

学生通过现场操作发电机,观察发电机的工作过程,直观感受电磁感应现象在生活中的应用。

设计意图:激发学生学习兴趣,调动学生学习积极性,加深学生对电磁感应现象的理解。

2.5 双线融合,多元评价

基于STEAM教育理念的评价具有多样性的特点,教学评价可以贯穿整个课堂,将课堂观察、学生自评、小组互评、教师评价相结合。同时结合线上教学资源,实现课前预习以及课后拓展的线上学习评价。

以马吕斯定律这一节的教学为例,预习阶段教师自建线上微课与练习资料,布置课前学习任务;学生根据在线资源,学习和巩固知识点。利用网络学习平台完成该阶段的评价,为课堂深度学习做准备。在课堂学习中引入环节,教师通过生活中的实例:立体电影引入课堂教学,抛出问题,引发学生思考,教师根据学生课堂表现完成评价;探究环节,教师就偏振光的起偏和检偏现象,引导学生分组实验,观察实验现象,探寻物理规律,这一阶段可以结合小组自评、小组互评、教师评价等方式进行合理性评价;在解释环节,针对马吕斯定律这一知识点,教师引导学生分组实验,探究物理规律,通过小组自评、小组互评、教师评价等方式对该阶段进行合理性评价;在拓展环节,教师结合生活中的实例偏光太阳镜的选购,引导学生分组讨论,设计实验,并现场实验验证,这一阶段同样可以结合小组自评、小组互评、教师评价等方式进行合理性评价。在课后拓展阶段,教师提出课后思考题:液晶屏的工作原理,并结合线上学习平台对拓展学习进行评价。

采用多元化的评价方式,将过程评价和结果评价相结合,注重评价的导向和激励作用,让学生及时了解自己的学习情况,发现问题,解决问题,帮助师生反思总结,进一步提升。

2.6 课程思政,科学育人

习近平总书记强调,“要坚持把立德树人作为中心环节,把思想政治工作贯穿教育教学全过程,实现全程育人、全方位育人”[6]。在这一指导思想下,教师在授课计划中应积极融入课程思政,结合思政育人的目标要求,加强课程思政的教育渗透。比如以马吕斯定律的教学为例,在介绍偏振应用的实例时,教师由液晶屏的偏振原理出发,介绍中国在液晶屏的发展,激发学生科技强国的信心、爱国情怀和民族自豪感。在电磁感应的教学中,通过介绍法拉第发现电磁感应现象的奋斗历程,给学生启示:科学的大道不是一帆风顺,只有坚韧不拔,勇于探索、勇于钻研,才能取得成功。引导学生学习科学家的科学精神,要有探索未知、追求真理的使命感和责任感。而在学习电磁感应现象的应用实例交流发电机时,教师以三峡大坝为例,介绍交流发电的基本原理。学生通过实例,体会科学就是生产力,增强学生们学好专业基础课、投身科技报国的自信心。通过介绍我国在电力事业的成就,加强爱国主义教育,增进民族自豪感。

将思政元素融入大学物理的课堂,在教学实践中,深度挖掘思政育人价值和精神内涵,在教学环节潜移默化地提升对学生的引导价值,向高校大学生传播正确的价值观,提升学生的人文精神、科学精神、学习习惯、责任担当、实践创新等核心素养,达到科学育人的目标。

3 总结与展望

本文以STEAM教育理念为指导,将5E教学模式融入大学物理教学中,通过吸引、探究、解释、拓展、评价五个环节,激发学生的创新思维,培养他们的实践能力,实现教师主导下,以学生为主体的课堂教学[7]。从生活的实例出发,创设问题情境,激发学生学习兴趣;采用分组讨论和实验探究的方法,提高学生学习的参与度、积极性和主动性;利用理论知识解决实际问题,培养学生的创新思维以及分析解决实际问题的能力;充分利用网络资源平台,采用多元化的评价体系,过程评价和结果评价相结合;深度挖掘思政元素,科学育人。在未来的教学实践中,还需结合实际情况,积极探索,不断完善,努力构建以学生为中心的高效课堂,为跨学科复合型人才培养奠定良好的基础。