陈思鑫

摘要：现如今高中生更多关注的是记忆和解题技巧，而不是发现问题和解决问题。在高中物理教学中渗透STEM教育理念是改变这一问题的新思路。从教学实际出发，提出以工程设计为基础，注重知识与真实情境相联系，提出了强化科学探究，重视项目设计的课堂模式。

关键词：高中物理;STEM教育;价值

一、 STEM教育的现状

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写。STEM教育不是四门学科简单的叠加组合，而是以多种多样的学习活动方式支持学生解决实际问题中实现不同学科知识和方法的整合、运用和迁移。近年来，STEM教育受到世界各国的重视，美国、英国、德国等国家都设计了本国STEM教育发展规划。我国也在2018年由中国教育科学研究院提出了“中国STEM教育2029行动计划”，这必将极大推动我国STEM教育真正落地并持续健康发展。在中小学教育阶段，目前STEM教育主要在小学阶段尝试，在高中阶段的STEM教育的研究和实践则相对滞后。

二、 渗透STEM教育理念的价值

（一）有利于学生物理学科核心素养的培养

物理学科核心素养是指学生在物理学习过程中不断形成的适应社会需要和个人发展的必备品格和关键能力。这就要求物理老师不仅仅是课堂上物理知识的传授，不能简单以解题代替能力的培养和科学思维的提升。应该创设条件让学生把物理所学的作为一种工具、一种思维方式去探讨实际问题。STEM教育所倡導的在真实情境中学科融合多学科知识解决问题的理念与物理学科核心素养的培养是一致的。

（二）高考中体现STEM教育理念

物理与数学、科学的其他学科、工程、技术等方面的联系十分紧密，近年来高考中不少题目出现了融合了技术和工程背景的物理试题。2016年出现的利用热敏电阻设计的报警系统，2017年出现的测量稀薄气体压强的仪器，2018年探讨高空坠物的冲击力问题，2019年利用数码相机连拍功能研究自由落体等等。在高考试题中出现物理学科与工程、技术、数学的融合，这要求在平时教学中要重视STEM教育渗透在教学环节中。

（三）有利于学生的生涯规划教育

如今高中生在学校里接受物理教育，却很少能反映从事物理相关职业的人实际的工作。如果学生能在高中阶段体验到像科学家一样探究问题，像工程师一样解决问题，了解相关的职业及其发展前景，能让学生更好地树立人生目标，对其今后的就业选择具有指导意义。更为重要的是在开展STEM教育过程中提高学生的科学探究能力、创新能力和解决复杂问题的能力，为培养国家经济发展所需的复合型、创新型人才奠定了基础。〖HJ0.65mm〗

（四）有利于强化国家经济实力

STEM教育是基于美国所具备的科技人才资源于全世界中比例逐步下降，且在亚洲国家经济飞速增长，使自身科技技术不断提升的背景下被提出的，而在美国一项教育评级及国家评估项目研究显示，中小学测评结果优良，在这样的环境及市场压力下，STEM的积极提出可进行国家竞争力的不断增强，可见，实施STEM教育是社会公认为加强国家经济实力的关键性指标。就目前现状来看，我国科技人资建设处于相对落后的状态，科学及工程教育体系尚未完善健全，立足于高中教学视角下，除科学及数学教育发展局势尚为可观，但在工程及技术教育上，并无一席之地，这一点应引起社会及教育领域高度重视。将STEM教育理念合理引进高中物理教学，引进中国教育，除提升物理成绩外，亦对国家科技人才的培养发挥积极作用，从长远眼光看，该理念可强化中国在全球中的经济实力，而且这一理念会让学生更深刻地了解STEM相关职业，从而产生兴趣，培育更多的科技型人才。

三、 高中物理融合STEM教育的课堂模式

高中物理课堂中融合STEM教育，可以工程设计为主线，结合物理学科的科学探究思维设计项目任务。让学生采用各个领域的知识来解决问题，更为重要的是让学生动手实验。项目任务解决过程本身就是学习的过程。把学生拉回到真实的情境中，通过“科学探究”和“工程设计”等实践活动开展学习，运用跨学科的知识应对和解决挑战性任务，是STEM教育中比较适切的课程设计模式。高中物理关于长度测量的工具游标卡尺是一个重要的考点，其读数问题一直都是一个易错点，重要原因就是学生对这一实用工具原理不清。改变教学模式，以《游标卡尺的设计》作为项目任务，通过引入—探究—解释—工程—深化—评价一系列的课堂环节，融合STEM教育，让学生更好地掌握游标卡尺原理。

（一）引入

在介绍项目之前，必须抓住学生对设计问题的兴趣点。在该环节中要让学生对于项目目标和范围达成共识。可以通过工程人员使用游标卡尺进行工件测量加工的真实场景作为情境导入，联系刻度尺读数和精度问题，提出项目目标是“设计一把高精度尺子”。

（二）探究

在这个环节中，学生需要明确问题，分析需求，并基于已知的内容，结合课堂讨论进行头脑风暴，形成初步的设计方案。教师需要提供探究支架，组织有序的探究活动。引导学生，通过数学推导和讨论，得到游标卡尺的原理，在游标尺刻度讨论环节，可以通过一系列问题，引导学生思考。

（三）解释

学生要整理讨论后的结果，选择最佳方案。通过思维导图等方式向其他同学解释项目方案选择的依据、实施的策略、可能存在的问题。这个环节教师可以进行提问，引导学生更好地解释探究的结果，并把这些结果向其他同学分享。

（四）工程

在该环节，学生需要把前期方案变现，需要在短时间完成项目原型的制作。课堂上可以提供硬纸片或者塑料薄片作为游标卡尺结构材料，提供尺子、剪刀、美工刀等工具。有条件的学校可以采用激光雕刻机等工具。学生在实际动手的过程中，去一步步验证自己的设计，真正实现“做中学”。

（五）深化

该环节学生可以在原有项目原型基础上，进行反思。对工程环节的制作成果进一步优化，进行再思考，进一步知识迁移。项目可以引导思考，如何制作更高精度的游标卡尺，如何设计测量高精度的量角器。教师应该引导学生进一步积极探究思考，把前面几个环节所学的进一步拓展和延伸。

（六）评价

评价环节是帮助学生和老师一起反思、总结。以过程性评价为主、总结性评价为辅，可以设计相关量表让学生进行自评和互评，评价的重点应体现在学生知识技能目標的达成情况，问题的解决能力、协作能力和创新能力等方面。

再比如以“油膜法估测分子直径”为例，分析并总结STEM教育渗透于高中物理教学的具体步骤。

（一）情景导入环节

向学生展示镜下人体手部皮肤图像，将其缓慢放大至10万倍，确保学生科观察到清晰的细胞，借助一个细胞中包含大量分子这一客观事实，将本次课题主题“分子大小的测定”合理引入，随后抛出问题诱饵：分子外观极小，是否可利用实验室一般仪器进行分子的测量呢？

设计目的：立足于常见情景下，向学生介绍微观世界，顺应其认知规律，且对其视觉有一定的刺激效果，有助于调动其兴趣。STEM重在强调学生动手实践力及解决问题能力的培育。对分子大小实施测量，利用现代化科技手段，好比离子显微镜，其能协助学生进行物质表面分子的有效观察，加深学生对微观世界的认知，为宏观及微观世界的统一认识奠定基础。

（二）模型构建

带领学生从宏观角度出发，进行微观物理模型的建立，采取黄豆模拟找寻解决的方法，怎样将黄豆直径测量出来，经学生实践后提出多种方案。由教师对方案评价后进行最佳方案的肯定。

设计目的：分子极小，用我们肉眼是看不到的，学生很难在短时间内构造分子模型，而采取黄豆测量法，无疑是给学生做好铺垫，使其能根据真实的实物进行判断，从而开展模型搭建工作。

（三）引入学习目标

油膜法原理在于借助油酸分子（C17H33COOH）于水面生成油膜层继而对分子实施估测，其包括两部分，前者C17H33不受水分子影响，后者对水有较好的亲和力，通过酒精稀释后可在水面形成油膜，呈圆形状，而酒精易挥发的性质使其在水面上生成纯油酸薄膜，此时C17H33浮现出水面，而COOH留于水中，这时就会生成一个新型的油膜层，若要求油酸分子直径，只需求油膜厚度就可以了。依据公式d=V/S，取一滴油酸且进行其体积的测定，而后测定一滴油酸于此水平面生成油膜面积，就是此次实验的重点所在。可见，本次实验学习目标为获得1滴油酸，并对其体积实施测量，而后测定该滴油酸于水面上生成的油膜面积，最后将油膜厚度进行计算，得出分子直径大小。

四、 几点策略

（一）STEM项目任务选择的原则

由于高中阶段课时安排紧，教学任务重，在融合STEM教育理念时，不宜选择过大，所涉及内容过广的项目任务。任务内容要紧紧围绕高中物理课程知识体系开展，把课程中有意义、有价值的真实问题、案例情境扩展成项目活动，通过项目任务学生解决了问题，能有效促进学生对物理知识的建构。

（二）赋能师生利用工具开展项目活动

在教学中，可以利用工程中常用的工具辅助STEM项目开展。这类工具包含有arduino、3D打印机、激光雕刻机等硬件工具，也包含虚拟仪器、数据可视化，建模仿真软件等软件工具。在STEM项目开展过程中往往要准备诸多的材料，如果利用激光雕刻机或者3D打印机可以自主设计制作。利用arduino可以快速搭建所需的控制电路。利用数据可视化工具，更好展示项目成果。利用建模仿真软件，能让学生对空间结构、数学原理有更直观的认识。用好各类技术手段，更好地服务课堂教学。

（三）STEM项目的进一步延伸

一个项目任务的完成，并不代表这个STEM项目的终结，还可以把课内的学习进一步延伸到课外。在课堂中善于发现有潜质的学生，鼓励他们在课外对项目进一步的深入优化和思考。并在项目研究中给予学生更多支持，包括实验条件的创设、研究方法的指导、数据采集的手段、研究论文的撰写。项目研究成果可以以参加各级青少年科技创新大赛的形式进行交流和展示。

五、 总结

面对高中物理教学目前存在着诸多问题，不少学生对物理的学习感到吃力。需要积极更新教育理念、改变教学方式。融合STEM教育作为物理教学的有效形态，必将能够更好地提升课堂教学效率，为高中生构建科学、高效的高中物理课堂。

参考文献：

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[4]（美）罗伯特·M·卡普拉罗，（美）玛丽·玛格丽特·卡普拉罗，（美）詹姆斯·R·摩根.基于项目的STEM学习：一种整合科学、技术、工程和数学的学习方式[M].王雪华，屈梅，译.上海：上海科技教育出版社，2016.