STEAM教育理念下初中物理 项目式教学的实施路径及案例分析
杨珍珂 赵建伟 贾伟尧
摘? ?要：在初中物理学科教学中融入steam教育理念可以为学生思维和能力发展提供有效途径。但针对该理念的本土化探索目前仍缺乏兼具适用性和参考性的课堂教学实施路径。文章以“坐位体前屈测试仪的改进与自制”为例，讨论了将STEAM教育理念应用于初中物理项目式教学活动的设计流程及案例。
关键词：STEAM教育;初中物理;项目式教学;学科融合
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）2-0073-4
近年来，将STEAM教育理念本土化的研究受到越来越多研究者的关注。目前，我国较成熟的STEAM教育本土化实践成果主要集中在学校校本课程开发、创客教育等领域，该教育理念与学校必修学科课程的联系尚不够紧密。为进一步深入探索STEAM教育与学科必修课程的融合实践，笔者尝试将该理念融入初中物理课堂教学，整合物理学科教学要素和STEAM教育特点，设计并实施项目式教学活动。本文以“坐位体前屈测试仪的改进与自制”教学活动为例，阐述基于STEAM教育理念的初中物理项目式教学设计流程及案例。
1? ? STEAM教育及其实施方式选择
STEAM教育理念提倡整合现行学校教育中的不同学科，形成与真实生活化情境密切联系的学习主题进而开展教学。它重视引导学生从多学科、多视角认识和改造世界，强调了跨学科整合教学的情境体验趣味性、活动设计艺术性、交流协作流畅性等[1]。
STEAM教育的实施方式主要有基于项目学习的教学法（Project-Based Learning）、基于设计学习的教学法（Learning By Design）和基于问题学习的教学法（Problem-Based Learning）等[2]。其中，基于项目学习的教学法通常以源于生活的实际问题为出发点，强调通过学习活动实现问题解决，并在学习结束时提供平台展示学生学习成果[3]。我们归纳了该教学法的构成元素及要点，如图1所示。考虑到初中生现有的思维认知能力和心理发展特点，在初中物理教学中采用项目学习的教学法更有助于充分发挥STEAM教育优势，挖掘学生个人潜能[4]。
2? ? 教学设计流程
STEAM教育理念提倡构建真实情境激发学生学习兴趣，以驱动问题引入学习主题[5]。教师在设计教学活动时，首先需要根据授课知识内容和目标相机行事，并充分考虑实施过程的安全性与可操作性，精准遴选出符合初中学生认知特点和能力水平的生活化教学项目。
整合初中物理探究性教学活动要素及项目式教学活动的一般实施流程，笔者设计了基于
STEAM教育理念的初中物理项目式教学流程，如图2所示。在设计具体项目的教学内容时，教师可以以之为参考设置教学活动环节，并结合学生实际学情丰富教学细节。
3? ? 基于STEAM教育理念的初中物理项目式教学案例
3.1? ? 项目背景
坐位体前屈测试仪是本地区体育学科的常用教学设备，但学校现有的老式测试仪却因自身结构原因影响教师便捷、高效地获取学生测试数据。本教学项目以学生熟悉的真实生活情境为切入点，引导他们利用已学物理知识，辅以数学知识和工程技术手段，对老式测试仪进行改造并自制新型坐位体前屈测试仪，以帮助体育老师解决现有测试仪在使用中存在的測距效率不高、读数不便等问题。
3.2? ? 教学流程框架图
为了促进九年级学生对所学电学和力学知识的理解与内化，进一步发展其实验探究能力，同时给予他们适度的创新创造空间并提供学以致用的平台，本项目式教学活动将老式坐位体前屈测试仪的改进作为学生学习主线，基于上文提到的项目式教学设计流程确定了如图3所示的教学环节。
STEAM项目式教学活动聚焦真实问题解决，学生通过跨学科知识整合达成这一目标。因此，笔者集合学校实验室现有资源并根据学生学情设计、打磨教学环节，预设教学活动中涉及到的STEAM要素，具体见表1。
3.3? ? 教学过程
（1）趣味导入：设置驱动问题激发学生兴趣
播放《体育老师的烦恼》小记者校园采访片段，设置生活化的驱动问题：“你能尝试利用所学物理知识改进老式坐位体前屈测试仪吗？”以设疑的方式驱动学生积极投身学习活动，培养其具有用科学服务社会、改造世界的理念。
（2）学生活动：初步设计坐位体前屈测试仪电路
STEAM教育一贯重视学生的科学精神培养，强调其动手实践能力的发展。为引导学生利用科学方法探索问题，学生活动可参照如下三个步骤开展：
①引导学生结合实物和日常使用经验讨论分析老式坐位体前屈测试仪的工作原理，通过类比方法建立起测试仪滑块与物理电学常用元器件——滑动变阻器间的联系。
②给予学生机会独立自选实验器材，初步设计电路并绘制电路图。
③组织学生小组合作讨论，总结不同方案的利弊，选择适合的电路设计方案。
学生初步设计出的电路图可归为如下三类：有学生计划使用电流表测电路中的电流，将滑片移动的距离值转换为电流值读出，如图4（a）;还有一些学生计划使用电压表测滑动变阻器两端的电压或定值电阻两端的电压，如图4（b）和图4（c），亦即将滑片移动的距离值转换为电压值。
（3）头脑风暴：保证电路安全，优选器材参数
考虑到实际的使用需求和电路安全，学生需要选定电学元器件详细参数。教师根据授课班级的学情，通过追问的方式引导学生从实际出发选取元器件参数，并发现目前电路设计存在的不
足。教师有意识地培养他们的思辨能力，鼓励其
既能言之有理地陈述个人看法，又能敏锐识别并敢于质疑不正确的观点，且能言之有据地提出修正意见。
（4）学生实验：考虑代数关系，优化电路设计
①学生连接电路开始实验测量，记录滑动变阻器滑动距离L与电表示数U（或I）的关系。
②引导学生利用数学图像法，发现L和U（或L和I）之间可能存在的关系。
③学生小组讨论：优化电路设计，改进电路结构。
④学生重新连接电路，收集实验数据，验证数据间存在的预期关系。
⑤学生依据上步实验收集的数据，更换电表。
STEAM项目式教学活动打破了学科界限，重视引导学生以多视角思考问题，为学用相长提供了不可多得的契机。为直观地反映数据间的关系，教师应注意引导学生利用数学图像法描点作图。在作图过程中他们很容易发现坐标图反映的电学量和距离量的关系与预期的线性关系不符。为帮助学生突破探究瓶颈，教师可建议再回到电路设计环节，将各物理量的关系公式化推出，从理论上确定滑动变阻器阻值与电表示值间表现为非线性关系的原因。因此，现有设计方案需要进行再设计、再优化，以保障电学量和距离量的线性关系。图5是学生小组合作完成优化并最终确定的电路图。
（5）匠心造物：改造测试仪硬件结构
本环节将创新思维融入到课堂教学情境，不仅增强了学习过程的情境性，还为学生个性化创造能力发展提供了充足的空间。学生利用工程技术手段设计并实施测试仪结构改造，难点在于解决支架模块的力学稳定性问题。因此，教师在教学中应注意引导各学习小组充分考虑测试仪力学结构的稳定性，并设计各个器件的模块结构，再根据实际需求选择材料制作测试仪踏板、支架和底座等，使用简单工具（如螺丝刀）对选用的原材料进行改装、打磨等工序并完成组装工作。在教学实践过程中，为保障新型测试仪结构稳定性和使用便利性，部分学生利用实验室已有原材料改造成测试仪踏板、支架及连板，还在连板背面上用钉子制作了卡扣;有学生在支架板正面为滑动变阻器量身定制了卡槽，既能保证装置部件结构稳定，又保证了拆卸简易快速且携带方便。
（6）美学渗透：包装、美化粗加工完成的新型测试仪
STEAM项目式教学活动不仅促进了学生知识与技能的发展，还促进了学生审美能力的提升。考虑实际使用的便利性、舒适性和美观性，学习小组内各个成员还需分工协作，合理排布电路主体模块和其他模块，并进一步对粗加工制作完成的新型测试仪进行包装和美化。
（7）分享成果：展示与评价
学习小组间开展学习成果展评活动，邀请体育老师和同学一起检测新型测试仪的工作效果，从测试精度、外形美观程度、制作工艺的技术难度等多方面对研究成果進行量化评比。学习小组内部各成员分工协作，收集、研究各方评价意见，综合评测产品便利性、舒适度及美观性，进一步完善作品功能（如图6）。
4? ? 评价与反思
以上案例将STEAM教育理念渗透入初中物理课堂教学，以真实情境为基础开展项目式教学活动，引导学生将不同学科知识整合、应用到学习实践中;课中迭代循环的探究过程锻炼学生用科学思维发现、思考问题，培养他们以科学态度分析、解决问题的能力;各教学环节关注学生思辨能力的发展，鼓励其与他人交流、分享。整个教学流程重视给予学生综合所学知识合理创新的机会，发展了学生的个性化创造能力。教学活动虽然在一定程度上体现了STEAM教育特色，但是仍存在一些不足，如学生探究活动材料选择的开放度不高、学生作品展示方式不够丰富等，这些都需要在后续教学中进一步完善。
参考文献：
[1]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（04）：13-22.
[2]郑葳.中国STEAM教育发展报告[M].北京：科学出版社，2017：88-96.
[3]孙越，史艺，詹光奕，等.STEM理念下基于问题的学习探索与实践——以“物体上滚实验”为例[J].物理教师，2020，41（02）：7-10.
[4]赵艳红，韩叙虹，周青，等.基于STEM项目式学习的实践和探索——以课题“证明地球是圆的”为例[J].物理教学探讨，2018，36（12）：74-76.
[5]孙佩雄，刘通.STEM教育视野下促进物理学科核心素养提升的高中物理实践活动的探索——以“电磁炮”项目为例[J].物理教学探讨，2018，36（9）：15-18.
（栏目编辑? ? 李富强）
