人教版高中物理教材中的ＳＴＥＡＭ元素分析

摘 要： ＳＴＥＡＭ教育将科学、技术、工程、艺术和数学等学科知识有机融合。实现了知识的获取、方法与工具的利用以及创新生产的过程的统一。这与核心素养在人才观、创新观与知识观等方面具有较高的结合度。通过研究人教版高中物理必修一教材，界定了教材中的ＳＴＥＡＭ相关元素，并对其进行了定性和定量分析。教材中的ＳＴＥＡＭ元素，有利于打破学科界限，立足真实情境，培养学生的创造力。同时，对教师在教材使用过程中运用其中的ＳＴＥＡＭ元素培养学生的能力提出了建议。

关键词：ＳＴＥＡＭ教育理念；高中物理；教材分析

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）11-0021-5

随着科技的高速发展，教育改革的目标已转向培养创新型人才以驱动国家的发展。为满足新时代人才培养的需求，教育除了培养学生的“学科素养”外，还需关注“核心素养”的培养。ＳＴＥＡＭ是一种科学、技术、工程、艺术、数学等多领域相互融合的综合性教育理念和教育模式，与核心素养在人才观、创新观与知识观等方面具有契合点，这为STEAM教育与核心素养的对接提供了可能性［１］。

１ ＳＴＥＡＭ教育理念现状研究

我国在２０１４年首次引入ＳＴＥＡＭ教育理念，自２０１５年起，教育部发布文件提出探索ＳＴＥＡＭ教育和创客教育等新模式。至２０２１年，国务院发布《全民科学素质行动规划纲要（２０２１—２０３５年）》，推进并完善了信息素养建设。据《２０２２年中国青少年ＳＴＥＡＭ教育研究报告》显示，江苏、山东、河南等省份已出台相关政策推进ＳＴＥＡＭ教育的有效实施。

ＳＴＥＡＭ教育的提倡者Ｇ．Ｙａｋｍａｎ［２］提出，ＳＴＥＡＭ教育着重于数学和学科教学，培养在真实情境中解决问题的能力，有利于培养具有综合素质的创新型人才和终身学习能力。范文翔等人［３］总结出美国ＳＴＥＡＭ教育主要聚焦于现实世界的问题与挑战，通过工程设计流程制订解决方案，协作学习进行开放式探索，并鼓励答案多样化。还指出了ＳＴＥＡＭ教育的内涵［４］包括跨学科整合、从做中学、创新意识、基于项目与问题、依托工具与资源、真实情境下的探究、多元主体共同参与的教育。魏晓东等人［５］总结了ＳＴＥＡＭ教育的特点是借助教育信息化手段促进学生的深度学习，在从“我”到“我们”的角色转变中实现团队合作，以及以项目为中心培养学生解决实际问题的能力。

ＳＴＥＡＭ教育是基于项目式的教学模式，其基本特征为跨学科性，通过多门学科融合，创设真实的教育教学情境以培养学生的创新意识与实践能力［６］。新课标中［７］也将跨学科主题具体划分为日常生活类、工程实践类、社会发展类，同时强调要把提高学生的综合素质作为高中阶段教育的培养目标。可以发现，研究者们已经注意到了ＳＴＥＡＭ教育的重要性。

学科教学是ＳＴＥＡＭ教育的主要阵地，教科书是依据课程标准研制的、便于教师教与学生学的基本教学媒介［８］。我国对ＳＴＥＡＭ教育与国内主流教材相融合的研究已有不少，但其主要研究学段多为小学［９］，其次为初中［１０］，目前少有学者对高中物理教材中的ＳＴＥＡＭ元素进行研究。物理学是科学发展的基础，许多科学领域都依赖于物理学的理论和方法，诸如化学、生物学、地球科学等学科都有着密切的联系。新课标提出高中教育应为学生适应社会生活、高等教育和职业发展做准备，注重课程的时代性，关注科技进步和社会发展需求，以现代信息技术的形式引导学生理解物理学的本质，从“知道什么”到“运用知识能做什么”的教育目标与教育理念的转型。因此，本文以２０１９版人教版高中物理必修一教科书（以下简称“必修一”）为研究对象，采用定量与定性分析方法，对其中蕴含的ＳＴＥＡＭ元素进行深入分析，为一线教师提供参考。

２ 基于ＳＴＥＡＭ教育理念对必修一进行分析

２．１ 教材中ＳＴＥＡＭ元素的界定

ＳＴＥＡＭ元素可细分为科学（S）、技术（T）、工程（E）、艺术（A）、数学（M）五大板块。Ｇ．Ｙａｋｍａｎ将ＳＴＥＡＭ各元素界定为：科学（S）是自然存在的东西以及它是如何受到影响的；技术（T）是人为制造的产物；工程（Ｅ）是基于数学和科学的创造力和逻辑，利用技术作为连接剂为世界作出贡献；数学（Ｍ）是数字和运算、代数、几何、测量、数据分析和概率、解决问题、推理和证明、沟通，是解决一切科学问题的基础；艺术（Ａ）是社会如何发展、影响、交流和理解其过去、现在和未来的风俗习惯。

如表１所示，具体到物理教材中，科学（S）对应科学知识，是新课标规定的学生应当掌握的物理观念；技术（T）是在学习物理学相关知识后，可以进行物理学相关仪器的操作；工程（E）是介绍物理实验仪器或者是向学生科普当代高端仪器的原理和使用，是技术的开发与应用；艺术（A）是使用物理学史和名人名言等形式进行课堂导入或者辅助课堂教学，以加强学生的人文底蕴和艺术熏陶；数学（M）则是对实验数据的计算或是通过数学的方式推导物理定理与公式。

２．２ 必修一ＳＴＥＡＭ元素的定量分析

通过对必修一各章节正文部分和各个栏目进行分析研究，必修一全书Ｓ、Ｔ、Ｅ、Ａ、Ｍ各元素总数为９５个，内容丰富。例如，第一章《运动的描述》中学习到打点计时器和图像分析，第三章《相互作用——力》和第四章《运动和力的关系》都是以实验和计算的方式推导物理公式，运用较多的技术与数学元素；第二章《匀变速直线运动的研究》不光通过实验进行理论知识的推导与学习，且有大量的物理学史内容，技术、数学、艺术等元素都较为丰富。

ＳＴＥＡＭ各元素在必修一中的数量与占比如图1、图2所示，科学知识（Ｓ）元素占比达到了４５％，占据了最大的板块；科学知识在情境中的应用技术（Ｔ）和数据分析处理的数学（Ｍ）分别占２３％和１５％；物理相关的工程制品（Ｅ）和艺术（Ａ）分别占９％和８％。由此可见，目前必修一中ＳＴＥＡＭ各元素都占了一定的比重。除科学（S）元素外，应用技术（Ｔ）的占比较大。演示实验和探究实验较为丰富，有利于培养学生的动手能力。必修一中，由于有比较丰富的物理学史内容，如伽利略研究物体在斜面运动和自由落体运动，所以艺术（A）的比重也达到了８％，有益于丰富学生的物理学史知识，形成持之以恒、实事求是的科学态度。

２．３ 必修一各栏目中ＳＴＥＡＭ元素的定性结果分析

必修一除正文部分外还有各个栏目作为拓展，分别为“问题”“实验”“做一做”“演示实验”“插图”“复习与提高”“旁批”“科学方法”“ＳＴＳＥ”“科学漫步”等，这些拓展栏目更多地表现了教材中科学知识（Ｓ）以外的其他元素。

“问题”是在各个章节新课导入中都有设置的栏目，其主要内容有插图和文字描述。通过介绍生活中常见的物理情境进行课堂导入。引导学生思考问题，激发学生的学习兴趣。问题的内容丰富多样，呈现了多种ＳＴＥＡＭ元素，如第二章第四节“问题”的插图展示历史意义浓厚的意大利比萨斜塔为艺术（Ａ），第四章第三节展示了现代工程技术的赛车为工程制品（Ｅ）。

“实验”在新版教材中强调了“探究”的重要性。本教材中的实验目标为培养学生的实验技能和分析实验数据的能力，培养学生的物理综合能力。必修一共８个实验，以探究实验为主。如第三章第一节中“探究弹簧弹力与形变量的关系”，在初中阶段，学生已经知道弹簧在形变时产生的弹力与弹簧的伸长量有关，但却不知道它们之间的定量关系。教师将这一相对独立的项目交给学生进行探究，最后收集所得的数据并对其进行计算得出结论，呈现了ＳＴＥＡＭ教育基于项目和问题的学习特点，有利于引导学生以数学为基础、以实验为方法解决物理学习中遇到的问题，推导得出相应的物理结论。

“做一做”主要是课外小活动，体现了现代工程技术与课堂学习的结合。教材中“做一做”栏目设置的难度不高，农村孩子和城市孩子都可以简单地运用所学物理知识实现。如教材第４７页通过手机APP测量当地自由落体加速度，实验非常简单，但却运用到了ＳＴＥＡＭ教育跨学科的思想，在课外活动中利用计算机信息技术和物理学科的整合，巩固学生课堂所学习的物理概念和物理规律。

“演示实验”是教师利用仪器设备或者多媒体教具进行科学演示，学生观察实验现象并进行思考。本栏目着眼于结合实验，帮助学生理解较为抽象的物理原理，培养学生的逻辑思维能力。但如果条件允许，演示实验最好可以改为探究性实验。如教材第６２页中“静摩擦力的大小随拉力的变化”完全可以由学生进行小组合作探究，培养他们的实践能力和科学思维。

“插图”在必修一教材中大量使用，丰富了教材内容，避免了纯文字可能带来的枯燥。必修一共１７８张插图，包含了物理情境的创设，物理实验仪器的展示，著名物理学家的肖像及其工作场景，实际生活中的工具等。加强了物理学科与生活和其他学科的有机融合，提高教材的可读性、启发性和趣味性，在一定程度上也能弥补部分学校可能存在的硬件设施不足的问题，有利于物理课程跨学科的展开。

“复习与提高”由较为简单的Ａ组题和用于巩固提高的Ｂ组题构成，设于每章的章末。其解题过程涉及到了应用物理规律，建构物理模型，还有科学推理和数学运算等多方面的知识。难度阶梯式分布，适用于不同能力的学生。每一节的“练习与应用”中，题目结合了生活中的真实情境、当今社会科技前沿信息和中华民族优秀传统文化。如教材第１３页，题目要求根据诗句分别分析其中的参考系；第３９页，分析嫦娥三号探测器的速度；第４５页，分析滑跃式起飞时飞机的速度。这些题目中不仅蕴含了跨学科的知识，同时也体现了艺术、工程和物理、数学的结合。

“旁批”的目的在于对正文的内容进行特别强调，有利于培养学生的科学创新思维和物理观念。如教材第４５页的旁批“伽利略通过逻辑推理，首先指出……研究中所体现的批判精神是创新所必要的。”这个旁批要求学生不盲从权威，怀有批判精神，敢于质疑，加强学生创新思维的培养。

“科学方法”在必修一中只有第８６页“控制变量”这一个栏目，这是进行物理规律实验探究中最常用的方法之一，该方法贯穿于整个中学物理学习过程，是学生设计实验时必须掌握的方法。

“科学漫步”主要介绍物理学史和当前的高端科技，“ＳＴＳＥ”是指科学、技术、社会、环境。二者共同的作用是通过展示当代科技的发展丰富学生的知识面，开阔学生的眼界，通过学习物理学史对学生进行艺术熏陶，培养学生的科学素养和人文主义素养。

ＳＴＥＡＭ教育的基本理念是打破学科界限，其广义即为通过科学、技术、工程、数学等学科融合，在日常生活、工程实践、社会发展三个方面培养学生的实践能力和创新能力；而狭义即为将中学物理课程与其他中学课程相结合。从上文的分析中我们可以发现，当前教材采取的是以科学知识为主，通过物理实验和数学推导的方式来辅助学生学习科学知识，进而更好地形成严谨的科学态度，培养学生的科学思维，提升科学探究能力。

教材中涉及到的实验操作、物理知识传授，都以真实情境为基础，立足于真实情境将抽象的物理知识与学生具体的生活相联系，达到知识的迁移与运用。通过项目式学习让学生在教师的引导下以小组的形式进行实验探究以解决问题，有助于培养学生的团队精神，形成责任意识。

教材在最后“课题研究”部分提供了一个研究样例“球形物体空气阻力大小与速率关系的研究”和一个参考选题“橡皮筋弹力与伸长量关系的研究”。研究样例以解决问题为导向，在教师的指导下由学生小组合作进行实验探究，采用高频数码相机和计算机进行数据记录与分析，促进学生深度学习。学生在学习完研究样例之后，需要自己归纳总结，并针对参考选题设计实验，有助于学生创造力与解决问题能力的培养。

３ 结 论

ＳＴＥＡＭ教育理念正逐渐成为当前我国教育界培养学生核心素养的一种新的手段，教材中蕴含着丰富的ＳＴＥＡＭ元素。教师在使用教材进行教学的过程可以与学科核心素养相结合。教师在使用教材时，不仅要注重科学物理观念，也要关注技术和数学的物理建模与数学推理，培养学生的科学思维；基于工程的观察和实验提出物理问题，培养学生的科学探究能力；认识科学本质，在人文艺术和自然科学的相互作用下，逐渐引导学生形成持之以恒、实事求是的科学态度，和推动国家乃至世界进步的责任感。教师在讲解教材内容时，除了教授基础知识之外，还要灵活运用多种教学方法并结合现代信息技术创设符合大多数学生生活经验的真实情境。课后增加实践类型的作业，培养学生运用知识的能力，提高核心素养。

ＳＴＥＡＭ教育理念从ＳＴＥＭ教育发展而来，其内涵不断丰富，未来有发展为ＳＴＲＥＡＭ教育（添加了读写能力“Ｒｅａｄｉｎｇ／ｗＲｉｔｉｎｇ”）的趋势［１1］，面向学生的全面发展。结合我国目前新课标的要求，着眼于培养学生的建模与推理，注重分析与表达，重视技能与方法，培养观念与责任等方面。我国现行主流教材已有ＳＴＥＡＭ元素，教师在授课过程中可以充分利用教材中的这些元素，培养学生的综合能力。此外，教师也应积极将ＳＴＥＡＭ理念与学科核心素养进行有效对接，发挥ＳＴＥＡＭ教育理念的优势，为培养高素质的创新型人才作出贡献。

参考文献：

［１］袁利平，张欣鑫．论ＳＴＥＡＭ教育与核心素养的对接［Ｊ］．陕西师范大学学报（哲学社会科学版），２０１７，４６（５）：１６４－１６９．

［２］Ｙａｋｍａｎ Ｇ，Ｌｅｅ Ｈ． Ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｅｘｅｍｐｌａｒｙ ＳＴＥＡＭ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｕ．Ｓ． ａｓ ａ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｆｏｒ Ｋｏｒｅａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｏｒｅａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，２０１２，32（６）：１０７２－１０８６.

［３］范文翔，赵瑞斌，张一春．美国ＳＴＥＡＭ教育的发展脉络、特点与主要经验［Ｊ］．比较教育研究，２０１８，４０（６）：１７－２６．

［４］范文翔，张一春．ＳＴＥＡＭ教育：发展、内涵与可能路径［Ｊ］．现代教育技术，２０１８，２８（３）：９９－１０５．

［５］魏晓东，于冰，于海波．美国ＳＴＥＡＭ教育的框架、特点及启示［Ｊ］．华东师范大学学报（教育科学版），２０１７，３５（４）：４０－４６.

［６］李治，谢丽．ＳＴＥＭ教育融入我国中学物理教育研究的现状——基于５种中学物理教育专业期刊的分析［Ｊ］．物理教师，２０２３，４４（３）：２－５．

［７］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０.

［８］《教育学原理》编写组．教育学原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０１９：２２８.

［９］宋乃庆，蒋秋，高鑫．ＳＴＥＡＭ教育理念在我国小学数学教科书中的渗透探析［Ｊ］．课程·教材·教法，２０２０，４０（６）：８１－８８．

［１０］杨楠，程琳．ＳＴＥＡＭ教育理念在人教版初中物理教科书中的渗透运用研究——以人教版八年级上册物理教科书为例［Ｊ］．新课程导学，２０２２（１）：９７－９８．

［１1］赵慧臣，陆晓婷．开展ＳＴＥＡＭ教育，提高学生创新能力——访美国ＳＴＥＡＭ教育知名学者格雷特·亚克门教授［Ｊ］．开放教育研究，２０１６，２２（５）：４－１０．

（栏目编辑 刘 荣）