中学物理STEM教育实践

中、美课程标准中STEM教育的体现

在NGSS中有大量篇幅体现了STEM教育，如专门对科学、技术和工程的概念进行了辨析；将工程设计、相关数学、STSE（科学、技术、社会、环境）分别作为独立的章节，与学科核心知识等内容并列陈述；对不同学段（幼儿园至2年级、3～5年级、6～8年级、9～12年级）的学生提出不同水平的具体目标。以工程设计为例，NGSS对6～8年级和9～12年级学生的要求如表1所示。我国在初中阶段设有科学综合课程，但大部分地区实施的是分科物理课程，高中阶段科学领域的课程标准则都是分学科制定的，可以说，我国的物理课程以分科课程为主。初、高中的物理课程标准尽管没有明确提出对工程的要求，但都从STS的角度对“关心科学技术”给予了重视。在高中物理课程模块中，选修二系列侧重于从技术应用的角度展示物理学，强调物理学与技术的结合，着重体现物理学的应用性和实践性。

物理教材中STEM教育的体现

下面以在美国较为流行的初中科学教材《科学探索者》为例，分析其中STEM教育的元素。《科学探索者》重视科学领域内部学科的综合、重视科学与相关数学知识的整合、重视知识应用和技术、重视学生的工程设计活动。例如，在“运动、力与能量”分册中，就有以下内容体现出STEM教育整合思想（见表2）。《科学探索者》中安排了很多学生的设计制作活动，以渗透工程方面的教育。例如，“功与机械”这一章的学生活动“制作起重机模型”，要求“把至少两种以上的简单机械组合成一辆能把质量600克的罐头举高5cm的起重机模型”，同时要求“和同学集体讨论起重机模型的各种不同的设计方案，看哪些材料可以用来制造起重机模型”。通过应用已学物理知识制作起重机模型，学生初步经历了界定工程问题、设计解决方案、优化解决方案的工程设计过程。在我国的物理教材中，注重介绍物理知识的技术应用，渗透STS教育。以侧重于物理学技术应用的选修二系列的人教版高中教材为例，该教材一些章节的内容完全是技术应用，如选修2-2第二章“材料与结构”、第三章“机械与传动装置”等。但是，该教材中对技术的介绍是从理论应用的角度出发的，而几乎没有让学生亲自体验实践、完成工程或技术项目的活动。相比而言，我国的物理教材更重视学科内部逻辑体系和从理论的角度谈技术应用。在技术和工程方面，让学生亲自制作、自主设计的活动很少。这样的设置仍然使学生从理论知识的角度来看待技术和工程，而难以自觉主动地应用技术和从工程的角度思考并解决问题。

物理教学中的STEM教育

1.在物理教学中应用技术

现代信息技术在物理教育中已经得到广泛应用。例如，使用计算机及相关软件、传感器、移动设备、网络等辅助物理教学。使用计算机和传感器进行物理实验，既能够提高实验精度，又可给学生以实时反馈，提高教学效率，在日常教学中已经大大普及。比起教师在讲台上通过技术设备进行演示，学生亲自使用技术设备学习物理（包括进行实验）的过程更有助于他们体会物理和技术的关系和培养他们自觉应用技术的意识。例如：在物理探究活动中通过网络搜集信息、展开自学；在处理实验数据时利用Excel软件；等等。又例如：一些智能手机和平板电脑只要安装相应软件，就可以测量加速度、磁感应强度；使用手机或平板电脑上的摄像头录像，再通过软件分析录像中物体的运动规律[3]……这样的例子还有很多。随着智能手机和平板电脑等便携式移动设备越来越普及，学生可以利用这些技术随时随地展开物理实验和探究。

2.在物理教学中有意识地渗透工程和技术教育

比较NGSS和我国物理课程标准，NGSS不仅要求学生了解技术、利用技术学习物理，还要求学生亲自参与工程设计和应用技术，并在实践、体验的过程中对工程和技术形成一定水平的认识；我国目前仍主要是从知识应用的角度了解技术和利用技术为物理教学服务，重点放在理论知识的学习上，而忽视对技术应用和工程设计本身的体验和深入学习。物理和技术、工程有密不可分的联系。在物理教学中，只要潜心挖掘，利用现有的教学资源，就可以开发出让学生既能体验工程设计和技术应用的过程，又能加深对物理内容理解的学生活动，体现STEM教育的整合思想。举一个简单的例子：在初中学完温度相关内容后，布置作业给学生，让他们在几周内完成课题“自制液体温度计”。如果想在较长时间内比较准确地测量出温度高低，学生需要克服各种困难，解决实际遇到的问题，如“使用哪些身边容易获得的物品进行制作”、“如何使玻璃泡和细管的连接处不漏气”、“如何避免温度计中液体蒸发”、“怎样给温度计标上刻度”等。最后比较不同学生制作的温度计，讨论谁的温度计材料易得、成本较低且测量较准确。经历了自制温度计的过程，学生不仅对工程设计和技术应用有了初步的实际体验，对温度计的原理、摄氏温标，甚至气压等相关物理知识的理解也会更加深刻。中学生毕业后无论进入大学深造还是步入社会就职，都应该不仅仅能够进行理论方面的推演和探究，还有能力实际动手操作、发现并主动应用知识和技术解决遇到的现实问题。在国际科学教育领域，重视学科间的联系与整合、培养学生的科学技术素养也是主流观点。由此看来，在物理教育中体现STEM教育是未来的发展方向，值得认真思考和研究。在我国主要为分科物理课程的大背景下，如何借鉴国际上已有的资源，开发适合我国的教育资源，在物理教育中有意识地渗透STEM教育，需要同仁们的努力探索。

作者：范佳午樊方园工作单位：北京海淀区教师进修学校北京三帆中学