基于STEM教育理念的高中物理教学内容设计研究.pdf

第2 0 卷总第1 1 5 期中学理科园地科学素养基于STEM教育理念的高中物理教学内容设计研究关聪,崔雪梅（延边大学师范学院）S摘要：研究基于申在韩（Jae-Han Shin）的融合因子局部设计法,建构高中物理教学内容的STEM模型,将该模型应用于分析高中数学、物理、化学、生物、地理、信息技术、通用技术等课程的交叉内容，并以“验证机械能守恒定律”为例设计了基于STEM教育理念的高中物理教学内容，为一线教师落实STEM教育理念提供借鉴。关键词：STEM模型；高中物理；教学内容设计1问题的提出2014年教育部印发了关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见，意见要求将“核心素养”渗透到各学科的具体教学任务中，明确学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。普通高中物理课程标准（2 0 1 7 年版2 0 2 0 年修订）中重点提出了“增强科学探究能力和解决实际问题能力”的基本理念，整合高中物理学习阶段课程内容的必要性不言而喻。因此，在国外已具有较长发展历史的 STEM 理念映人眼帘。STEM 是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)以及数学(Mathematics)四门学科英文首字母的缩写。五年来，教育部针对跨学科教育的发展举措共8 7 条，如教育部召开的“学习贯彻党的二十大精神统筹推进教育、科技、人才工作 座谈会中指出，当前教育要构建全学段STEM人才培养体系!。因此，本文基于STEM理念对高中物理课程内容进行整合与设计，以提升学生物理核心素养为中心选定课程框架，从而将高中阶段各学科的学习内容进行交融与整合。2模型的设计2.1高中物理教学内容的STEM模型设计申在韩(Jae-Han Shin)针对 STEAM教育的融合因子设计主要有两种融合方法 2 。一种是整体型，一种为部分型,这两种模型的选用要根据学生的学习发展水平而定。由于高中的学生仅在初中进行两年的物理学习，所以学生处于低发展阶段。因此，本文采用申在韩(Jae-Han Shin)的融合因子局部设计法（图1）,并针对高中阶段物理学习内容进行深度分析，建立合理的STEM模型。如图2 所示该模型是以S(科学)为中心，S(科学)中融合地理、化学、生物这三门学科的内容,在此融合的基础上,更好地去服务物理内容的建构。此外,M数学）T(技术)E(工程)以辅助形式出现 3 。其中,M(数学)作为物理的学习工具，它是学生学习物理必不可少的基础之一。T(技术)元素包含了信息技术课程的教学内容,同时，学生必做实验课程在T（技术）元素中充当工具，辅助T（技术）的呈现。E(工程)元素包含了通用技术课程的教学内容。其中不同的是，通用技术教学作为实现E(工程)元素的桥梁借以呈现。实验T图1 高中物理教学内容的STEM模型2.2高中物理教学内容的STEM模型内S(科学)的结构申在韩(Jae-Han Shin)的融合方法概念中心型设计方法是一种以结合形式进行融合的方法，它将STEM整体分为各个元素，通过各个元素相互融合来组合内容，以此达到整体内容融合的效果。依据融合方法概念中心型模型，将S(科学）中的各个元素进行整合，其中涉及到物理、化学、生物、地理等学科内容。因此,基于该模型，对各学科交叉部分的知识内容进行具体模型建构。生物生物技术实践微生物工程现代生物科技技术一基因工程与细胞工程分子与细胞一结构生物】自然地理学地形地理图2 STEM模型内S(科学）的设计物理生物地理用技术E物理化学水溶液物理电化学M化学化学动力学化学热力学吉林省教育科学“十四五 规划2 0 2 1 年度课题：基于STEM教育理念的中学物理教学研究（GH21032)研究成果*通讯作者19第2 0 卷总第1 1 5 期根据融合方法概念中心型设计方法，将物理学科作为模型中心，设计交叉模型（图2）。该模型中的交叉内容包括高中物理学科和高中生物学科的交叉部分、物理学科与化学学科的交叉部分、物理学科与地理学科的交叉部分。物理学科与生物学科的内容交叉部分主要包括三个部分,分别是微生物工程,基因工程与细胞工程以及结构生物学。其中,在微生物工程大类中,交叉知识点主要是生物技术实践；在结构生物学大类中，交叉知识点主要是分子与细胞；在基因工程与细胞工程大类中，交叉知识点主要是现代生物科技技术4 。STEM学科理想气体状态气体摩尔体积1方程铁、钻、镍等物铁的重要化合2质具有磁性；磁物铁机械能守恒定化学能与热能3律4速率、曲线运动化学反应速率显微镜的结构、使用高倍显微透镜成像原理、镜观察几种细5放大原理及放丁达尔效应大倍数的计算、光的散射6万有引力定律由表中数据可得,将化学、生物、地理等学科与物理学科分别在S科学中做交叉整合分析，可以发现交叉内容呈现出交叉方面各有不同的特点。当物理学科与化学学科有交叉内容的知识点时，如1.2、3、4 号，呈现出在T技术)和E(工程）方面有较多内容体现。当物理学科与生物学科有交叉知识点时，如3、5 号，呈现出在T(技术)和E工程)方面有较少内容体现。当物理学科与地理学科有交叉知识点时，如3、4、6 号，呈现出在E(工程)方面有内容体现。M(数学)则在出现物理中学理科园地物理学科与地理学科的交叉主要是自然地理学，交叉知识点主要是气候、水文以及地形 5 。物理学科与化学学科的交叉主要是物理化学。交叉知识点主要是化学动力学、化学热力学、水溶液以及电化学1 6 。3STEM模型下基于科学的技术、工程、数学的教学内容分析本文选取各学科人教版高中教材内容作为主要分析主体，将S(科学)中涉及的学科交叉内容进行整理与分析，鉴于研究的针对性,因此仅将交叉内容中学科种类三种以上(含三种)的内容进行分析,将分析结果汇总于表1。表1 STEM教育理念下基于S(科学)内四门学科交叉内容汇总表S(科学)物理化学的概念量流动的相互转化细胞的能量通能转化）货一ATP地球自转的角计算机辅助学速度和线速度、动物体的瞬时习(CAL)周期胞、观察DNA和RNA在细胞中的分布等行星的运动规律实验的知识处集中体现。只有3 号内容在S(科学)T(技术)E(工程)M(数学)这些方面均有侧重，因此针对3 号知识点进行教学内容举例设计。4STEM模型下教学内容的设计一一以“验证机械能守恒定律”为例根据以上教学内容设计的原则，以及表1 中呈现的交叉内容呈现情况，以3 号知识点为例进行STEM模型下教学内容的设计见表2。20科学素养T(技术)E(工程)生物地理生态系统的能海水运动的形计算机辅助学验证机械能守式（潮汐能、电失以及防止能数据计算习(CAL)恒定律测量做直线运速度神舟号载人飞船飞行控制从升空到人轨、定数据计算向、变轨等的全过程M(数学)信息技术必做实验探究等温情况计算机辅助学下一定质量气习(CAL)体压强与体积的关系磁的应用一磁悬浮列车介绍能量的散量散失的方法数据计算通用技术数据计算数学第2 0 卷总第1 1 5 期学科交叉内容物理验证机械能守恒定律地理海水的运动化学化学能与热能的相互转化信息技术计算机辅助学习(CAL)通用技术介绍能量的散失以及防止能量散失的方法“验证机械能守恒定律”教学内容的设计物理教科书中教学内容的设计一、教学目标（1)熟悉“验证机械能守恒定律 的基本实验原理及注意事项(2)会验证创新实验的机械能守恒（3)能利用机械能守恒定律制作工程产品二、物理实验【T（技术)S（科学）】1.预习与导人（1)学生观看模拟实验平台的实验基本操作，并进行试操作(2)由“化学键”中化学能与热能转化，“海水的运动 中潮汐能与电能的转化引人能量守恒，从而引人本节核心内容2.实验原理（如图3 所示）通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和对应过程动能的增加量，在实验误差允许范围内，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律3.实验器材打点计时器、交变电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(带铁夹）导线4.实验过程1)安装器材：将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与电源相连(2)打纸带用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打出一系列的点，取下纸带，换上新的纸带重打几条(3 5 条)纸带（3)选纸带：从打出的几条纸带中选出一条点迹清晰的纸带（4)进行数据处理并验证三、数据处理【M（数学）】1.求瞬时速度由公式=_-h可以计算出重物下落 h ha ha的高度时对应的瞬时速度 2T2.验证守恒方案一：利用起始点和第n点计算代人mgh.和一mis,moi,如果在实验误差允许的范围内，mgh.和一m)222注意：应选取最初第1、2 两点间距离接近2 mm的纸带(电源频率为5 0 Hz)方案二：任取两点计算任取两点A、B,测出hAB,算出mghABmWB22在实验误差允许的范围内，若mghA2mB2m，则验证了机械能守恒定律方案三：图像法测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算对应速度，然后以2 为纵轴，以h为横轴，根据实验数据在实验模拟平台上作出-h图像。若在误差允许的范围内图像是一条过原点且斜率为g的直线,则验证了机械能守恒定律2中学理科园地表2 STEM模型下教学内容的设计学时分析必修一第八章第五节必修一第三章第三节必修二第二章第三节去技术与设计2m,相等，则验证了机械能守恒定律121科学素养设计思路物理与化学、地理、生物等学科的知识点可整合在此部分主要交叉于能量转化部分 6 ,信可整合息技术学科的计算机辅助教学的应用可作为工具，在实验中进行线上模拟实验，可使用通用技术内容则可以设计相关实验使学可整合生了解工程技术的应用打点计纸带时器接电源-夹子重物图3 机械能守恒定律实验示意图221第2 0 卷总第1 1 5 期四、创新实验1.速度测量方法的创新从测量纸带上各点速度由频闪照片测速度由平抛运动测速度2.研究对象的创新从单个物体创新为两个物体组成的系统，验证系统在某一过程机械能守恒3.实验目的的创新由验证机械能守恒定律创新为测量弹簧的弹性势能，测重力加速度五、工程实验设设计【E（工程）】1.实验介绍自制水火箭小实验基于通用技术学科和物理学科交叉内容而设计，学生可利用本节学习到的机械能守恒定律相关知识进行原理理解和制作创造。自制水火箭小实验作为单独板块插人章节的最后拓展延伸部分，从而提高学生利用知识与技能制作工程产品的能力2.实验项目：自制水火箭小实验3.实验目标：制作水火箭4.实验材料：塑料矿泉水瓶一个、打气筒一个、塑胶塞一个、5 0 2 胶水一瓶、吸管一个、水、圆锥体形塑料制品（火箭头）5.实验过程（1)在塞子上打两个洞，然后把硬吸管和筷子穿进塞子中（建议筷子尖头朝外）(2)把软管穿到硬吸管上(3)把加工好的塞子插人瓶口，塞子进人瓶口一半即可（4)用打气筒给瓶子打气，如果瓶子在足够的压力下可以顺利地被发射出去则制作成功。如果不行，请检查衔接处是否漏气（5)将橡胶火箭头套到瓶子尾部，如果不牢固可用透明胶带或电工胶带加固制作完成（如图4)中学理科园地表2(续）由光电门测速度科学素养图4 水火箭成品图5总结5.1STEM理念下的教学内容构建模型可以有效整合高中物理教学内容本文主要运用融合因子局部设计法设计了高中物理教学内容的STEM模型，模型中涉及了生物、地理、化学、信息技术以及通用技术等五个学科的高中阶段教学内容，,将各个学科的交叉内容按模块整合分析，并选取涉及交叉学科最多的知识点进行教学内容的设计1 7 1。STEM教育注重打破学科壁垒，使学生体验真实的科学过程，借此培养学生对科学和技术的兴趣，培养创造力、批判性思维、沟通和协作能力以及科学知识。因此，针对设计教学内容的研究，可以运用设计STEM模型的方法。此外,本文只是选择物理学科的教学内容作为主要研究对象，其他学科的相关研究也可以采取类似的研究方法，实现教学内容的整合与设计。5.2信息技术与数学是实现STEM教育理念的有效手段数学是呈现STEM教育理念的坚实基础，在进行物理教育的过程中常常会提及数学与实验的重要性,STEM理念恰恰可以使物理教育工作者更加注重对数学基础的强调与教学。信息技术更是实现STEM教育的一把利器，“科学”背后无法缺少“技术 8 。同时，在课程标准中提到要加强信息技术条件下的教学资源有效组织和应用，因此教育工作者要合理运用信息技术，使其有效呈现STEM教育理念。5.3通用技术为实现STEM教育理念发挥重要作用高中物理与通用技术融合的STEM教育模式能提升学生的综合学习能力与创新实践能力，也能够促进教师的教学研究能力的提高。例如，让学生运用流线型的相关知识对水火箭的外形进行设计；用力的合成与分解的知识分析得出设计尾翼的原因；让学生运用动量守恒定律计算水量的多少对火箭动力的影响。这样的教学内容设计还能在学习的过程中发展工程技术的素养，拓宽学生的眼界，让学生逐步形成解决实际问题的能力。（下转第3 2 页）22第2 0 卷总第1 1 5 期活动编码为了更直观的观察当开关分别掷1、2 端时电流和电压的变化，将电流表和电压表分别换做电流传感器和电压传感器，设计电路图（见图7）。教师演示利用传感器测量这两个过程中电流、电压的变化情况，通过引导学生观察电流传感器和电压传感器在电脑上显示的数据变化情况，再结合电脑绘制出的图像，让学生自主总结出实验现象，让学生体会起电容器的充电过程和电容器的放电R.E2过程。中学理科园地表3(续)电容器的电容学习体验与教学片段教学活动与学习体验教学活动拨计算机1SO传感器E2R科学素养核心素养学习体验学生绘制表格，填电流写演示实验数据C变化情况，描述总科学态度电压接计算机传感器结演示实验现象与责任图7 利用传感器观察电容器充放电的电路图实验结束后，教师结合多媒体，为学生播放电容器充放电过程视频动画，深人分析到电容器在充电和放电两个过程中电荷量、板间电场强度以及能量的变化情况，引导学生总结出电容器充放电两个过程的特点归纳小结，升华素养：小组交流讨论总结所学内容，教师补充完善。R.H学生运用所学内容，解释引入新课环节教师提出的问题，加深学生对所学内容的理解，培养其迁他评移应用能力，强化学生的科学探究意识课后作业，巩固提升：查阅资料，拓展学习，了解通过利用传感器来观察电容器的放电过程现象，解释此过程中得到的查阅资料，完成课科学态度T.H图像面积的物理意义，并设计出充电过程的电路图。课后制作简易电容器“莱顿瓶”；查阅资料，了解电容器及电容发展的物理学史，并撰写小报告3结语UbD理论指导下的逆向教学设计，要首先弄清楚“理解”和“逆向设计”两个基本概念，在此基础上，重视课程对内容大概念的理解。逆向教学设计的三个阶段形成教学目标决定教学评价，教学评价引导教学活动的因果回归关联。由此，新课标下的物理教学要转向“为理解而教”,而采用以UbD理论为指导的逆向教学设计是促进学生实现真正理解和迁移的有效途径。只有学生对所学内容达到真正的理解，并且能够将其运用到相关的真实情境当中，才能实现学习上的迁移。参考文献：252585252828525252525252585252552552525252525525525252525255255285252285252528525285(上接第2 2 页）参考文献：1 赵慧臣,周昱希，李彦奇，等.跨学科视野下“工匠型”创新人才的培养策略：基于美国STEAM教育活动设计的启示 J远程教育杂志,2 0 1 7,35(1).2申在韩.STEAM融合教育的理论与实践 M.首尔：教育科学社,2 0 1 3.3金镇秀.探索技术教育新的综合教育方法STEAM教育J,韩国技术教育学会杂志,2 0 0 7,1 1(2).4李文智.高中化学、物理、生物跨学科知识整合与实践研学生进行自评与科学思维后学习任务与责任1董明明，曾早早.UbD理论指导下的高中地理逆向教学设计：以“中国的能源安全”为例 J.地理教学,2 0 2 2(1):38-4 1.2威金斯,麦克泰格.追求理解的教学设计（第二版)M.闫寒冰，宋雪莲，赖平，译.上海：华东师范大学出版社,2 0 1 7.3威金斯,麦克泰格.理解为先模式单元教学指南(一)M.沈祖芸，陈全慧，张强，译.福州：福建教育出版社,2 0 1 8.4 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2 0 1 7 年版2 0 2 0 年修订)S.北京：人民教育出版社,2 0 2 0:5.5逢型玉，王义梁.高中物理单元逆向教学设计探讨：以“静电场中的能量”教学为例 J.物理之友,2 0 2 1,37(5):2 7-30.究 D.银川：宁夏大学,2 0 2 2.5王永红.物理与地理学科融合教学策略探讨 J.中学地理教学参考,2 0 2 3(2 1):8 4.6胡双.高中化学中渗透物理学科知识的交叉教学实践研究 D.天津：天津师范大学,2 0 2 2.7金成元,郑永汉,禹爱子,等.融合人才教育(STEAM)理论模型的建议 J.韩国科学教育学会,2 0 1 2,32(2).8陈晨.融入通用技术课程理念的高中物理跨学科综合实践研究 D.南充：西华师范大学,2 0 2 1.32