周波 李晨曦

摘  要 阐述STEM教育与科学探究的内涵，提出高中物理推进STEM教育的措施，设计STEM教育理念下科学探究的一般过程，并以“真空度与温度关系的研究”为例进行阐述分析，以期为一线教学提供参考和借鉴。

关键词 高中物理;STEM教育;科学探究;社团活动;创意写作;创新型人才;核心素养

中图分类号：G633.7    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）13-0080-03

1 前言

高考压力下，教师在教学工作中只注重教学内容的重要性、理论性、练习性，而忽视了对学生创新能力、动手实践能力、合作交流能力的培养。STEM教育具有多学科交叉融合性，是在真实问题情境中解决问题，有利于培养学生的综合实践能力和创造力。近年来，STEM教育引起我国越来越多研究者的注意，他们试图探索STEM教育的教学模式、教学设计方法，创建符合我国国情和教育现状的STEM教育。迫于学业压力，如果学校利用教学时间开展STEM教育，必定会影响学科的教学进度和教学任务，结果将得不偿失。但作为人民教师，必须不断尝试，为培养新时代国家社会需要的人才而努力。

2 STEM教育与科学探究

STEM教育  STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科的英文字母缩写。它是一个偏重理工科的领域，强调多学科的交叉融合，这四门学科要以科学或工程作为整合的核心。

STEM教育是建构主义学习理论的产物。建构主义认为，知识并非是通过教师传授获得的，而是学习者在一定的情境及社会文化背景下，借助其他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的。在STEM教育中，学生获得知识的多少取决于其在头脑中建构知识的能力，而不取决于记忆教师教授内容的能力。教师在学生自我构建过程中起到主导作用，通过提问加深学生思考，引导学生完成知识建构。这就表明，STEM教育与传统教学形式是大相径庭的。

科学探究  科学探究是高中理化生学科核心素养的重要组成部分，是指基于观察和实验提出问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。[1]

基于STEM教育理念的科学探究领域可以是多样性的、可选择性的，可根据实际探究问题进行确定，但必须以科学或工程作为整合的核心。探究领域不仅包括物理，还包括化学、生物、地理、工程、材料，甚至包括艺术。

3 高中物理STEM教育推进措施探析

建立STEM科学探究社团  借助学校社团活动时间开展科学探究实践活动，其意义在于：不耽搁学科正常教学进度;探究活动时间充裕，保证活动高质量完成;可以整合多个学科综合运用，打破传统独立学科之间的隔阂;能够培养具有创新能力、动手实践能力、合作交流能力、发现问题与解决问题能力以及科研能力的学生。

基于物理学科核心素养和STEM理念的探究活动过程  经历科学探究过程，学生能够建构探索世界的认知，学习探索世界的方法，扩大认知的领域。STEM过程借助真实问题为学生创造模拟科学探究和认知的过程，教给学生科学的思维方法和科學探究方式，而不是单纯的接受式科学学习[2]。STEM理念下的科学探究过程如图1所示。

1）确定探究问题：是学生面临的挑战，是活动的主题。

2）文献研究问题：学生针对提出的问题查阅相关文献，确定问题的价值和意义，了解该问题相关研究结果。

3）制定探究方案：以小组为单位制定符合活动主题的方案。

4）综合择优方案：各小组述说本组方案，最后全体交流评估，制定最优方案。

5）制作选择器具：根据最优方案选择材料、制作器具、处理（比如抛光、打磨、3D打印）相应器材用品。

6）开展探究活动：器材准备好后，根据方案进行探究活动，若在实践中有不足之处，需重新回归探究主题进行优化改进。

7）获取处理信息：记录探究过程中的定量数据和定性特征，并利用相关软件（如Excel、Origin等办公软件）进行信息的分析统计。

8）结论与解释：根据信息处理的结果得出结论并加以解释。

9）交流评价反思：最后，学生之间进行交流反思，教师进行评价总结，让学生习得科学探究方法。

艺术的融入——创意写作  14—16世纪的文艺复兴时期，画家、物理学家和药剂师属于同一行业协会，这一时期见证了艺术与科学最伟大的成就。近年来，STEM教育的大家庭中逐步加入艺术（Arts），将STEM教育扩展为STEAM

教育。这里的艺术不只包括美术、音乐、舞蹈等狭义的艺术，还包括语言艺术在内的广义的艺术。在STEM教育中融入创意写作是一条崭新的途径，能够为STEAM教育的实施提供有效模式，帮助学生建立艺术与科学的联系。STEM学科与创意写作的融合，能够培养有创造力的思考者、问题解决者和表达创意想法的发明者，真正实现创新人才的缔造。学生完成科学探究活动后进行创意写作，既可巩固探究过程和科学方法，亦能锻炼写作交流能力。

4 活动案例展示：真空度与温度关系的研究

主题：真空度与温度关系的研究。课时：社团活动90分钟。写作活动：创意写作。STEM说明：物理、科学方法、沟通交流、工程、技术、数学。分组：6组。活动过程如下。

1）确定研究问题（5 min）。教师提问：“在高中物理必修一课堂中做过牛顿管演示实验，观察真空状态下的物体下落的快慢。在选修3-3热学部分学过分子无规则的热运动，知道温度是与分子的热运动相关的。那么，随着真空度的变化，容器内分子数减少，容器内空气或容器内放置物体的温度会有什么样的变化呢？”

2）文献研究问题（10 min）。学生查阅文献资料，了解真空技術相关内容：真空技术是建立低于大气压力的物理环境，以及在此环境中进行工艺制作、物理测量和科学实验等所需的技术。如今真空技术已经渗透到科研和生产领域，已经成为许多尖端技术、经济建设和人民生活等方面不可或缺的技术基础。真空技术中，了解真空度与温度的关系，对该项技术的应用有很大帮助。

3）制定探究方案，综合择优方案（15 min）。学生分组讨论再制定探究方案。讨论：有的学生认为，真空度越低，分子个数越少，温度会随着降低;有的学生认为，真空度越低，分子数减少，但分子运动阻碍减少，分子运动会变剧烈，温度会升高;还有学生认为，温度的变化可能跟容器中所放物品有关，比如容器中放入水杯，随着真空度降低，水沸点降低，水分子会进入气体中影响温度变化;等等。根据各小组的讨论猜想，制定各自的研究方案。在教师的引导下制定出最佳方案：实验一，密闭容器中不放入除测量工具以外的任何物体，测量空气温度;实验二，密闭容器中放入一杯常温水，测量水温度;实验三，密闭容器中放入合适大小的铁块，测量铁块温度。

4）制作选择器具（20 min）。确定研究方案后，按照方案制作或选择仪器。学校提供的器材：电子温度计、电子气压计、铁块、计算机、烧杯、抽气机等。选择电子温度计和电子气压计的原因是气压连续变化，温度连续变化，记录气压和温度必须快速而准确。学生制作器材：装空气和物体的容器，需要考虑容器的密闭性，以免外界空气进入;需要考虑容器的坚韧性，以免内部压强过小，外界大气压压坏容器;还需要考虑容器的体积大小，以便放入测量仪器等。

5）开展探究活动、获取处理信息（30 min）。按照制定的方案，安装好实验器材，依次以空气、水、铁块为实验对象进行实验探究，小组内合作观察并记录气压和温度的数据，所有数据记录完毕后再进行处理。为了研究真空度与温度的关系，在物理课堂中通常采用图像法分析，所以引导学生利用Excel或Origin等软件处理数据，得出温度随真空度变化的关系。

6）结论与解释、交流评价反思（10 min）。根据数据的处理结果得出结论，并根据所学分子热运动知识解释结论。学生之间相互交流探究过程存在的问题和需要注意或改进的地方，比如电子气压计只能测量10-1～10-2 Pa范围内的真空度，导致测量不准确;温度计测量范围有限;抽气机功率有限，容器的密闭性不良等。最后，教师做评价并总结，布置创意写作任务。

5 活动体会与反思

注重科学探究与工程技术的结合  STEM教育虽是多学科的交叉融合，但它以科学或工程作为整合的核心。所以，基于STEM教育的科学探究活动要注重把活动重点放在科学、工程技术与生活实际应用的联系上来。学生通过运用所学的知识、技能、方法，通过观察、思考、探究实际问题、解决实际问题，建立起科学与工程技术的联系，遇到生活实际问题能进行正确解释。

注重培养学生的综合实践能力  科学探究中融合工程技术，更能起到培养学生综合能力的作用。学生自行制作器具过程中，需要考虑器具是否实用，价格是否合理，是否容易取材;器具在实用时出现问题，又必须加以改进;探究过程记录下的数据和一些定性的描述的处理和结果分析。在这些过程中培养学生的动手实践能力，增强感知认识，培养学生发现问题、解决问题能力和交流与书面表达能力，培养数据记录和处理能力以及分析能力，突出科研精神。学生在获得综合实践能力的同时，树立了正确的世界观、价值观。

师资要求  STEM教育具有融合性、合作性、情境性[3]，所以对教师能力要求很高。基于STEM的科学探究要求教师综合知识广博、实践能力突出、组织管理能力强。科学探究基于物理知识，但并非物理课程，而是以科技与工程技术为专题展开的。这就需要教师加强活动的设计，了解学生的认知结构和生活经验，使专题既能够适合学生的知识背景和已有基础，又尽可能与生活环境及科技前沿联系起来[4]。教师应积极研究校本课程的设计与编写，形成系统的有框架的活动课程，以便于本校学生和教师使用。

6 结语

在高中物理中开展STEM教育，既体现了高中物理学科的核心素养，又积极响应了国家发展STEM教育的号召。以科学探究社团活动的形式开展STEM教育虽有待进一步完善、改进，但定能为培养新时代所需要的创新型人才提供助力，这样的尝试也是具有一定的价值和意义的。在未来探索的道路上，希望能够探索出符合国情、校情的STEM教育课程和教学模式，为国家培养更多的创新型人才。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]张海银，林建芬，朱立伟.科学探究过程、工程设计过程和STEM过程的比较分析[J].教育信息技术，2019（6）：54-57.

[3]周波.刍议基于STEM教育的高中物理教学[J].科学咨询：教育科研，2020（2）：253.

[4]徐阳，籍金艳，卢慕稚.汽车里的物理：中学物理科技活动课程的案例[J].中国教育技术装备，2011（9）：41-42，45.