将STEM融入高中物理教学的课例研究

王晓菲

◆摘 要：STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）这四部分的英文首字母缩写，强调各学科的交叉与融合。本文旨在将STEM教育融入高中物理课堂教学中，以《自由落体运动》为例，较为详尽地展示了融入STEM教育模式的高中物理课题堂教学的整体过程。

◆关键词：STEM；高中物理；教学设计

STEM是科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）这四部分的英文首字母缩写。其中，科学为自然界中存在的客观规律；技术和工程则是在尊重自然规律的基础上解决人们在社会发展过程当中碰到的困难；数学则是技术与工程学科的根本工具。生活中产生的大多数题目都需要使用多种学科的知识来共同处理。

一、发展背景

随着世界科技的竞争日趋加强，早在上个世纪80年代，美国就意识到国家人材欠缺形成的科学技术滑坡，为培育科技人才，STEM教育不断受到美国政府的高度重视。

就物理这门学科而言，其本身就是一门实验科学，是科学、技术、工程和数学有机结合的最好体现。在我国《普通物理课程标准》中，虽然没有将工程技术作为教学目标，但情境设置可以作为高中物理教学中开展STEM教育的主要教学模式。学生通过教师创设的物理情境，在教师的理论指导下，经历问题分析、方案设计、改进实验、数据处理等步骤，逐步学会运用物理学知识解决实际的工程技术问题。

二、《自由落体运动》教学设计案例

在STEM教育的课堂中强调以学生为核心，教师在建立物理情境的基础上提出问题，引导学生发挥STEM四门学科的综合优势和探讨式的学习方法，鼓励学生自主的解决问题。在教学设计上也突显知识的内在联系，鼓励学生归纳总结自己所学的知识，不断提升学生分析问题和解决问题的能力。

以人教版教材高中物理必修一第2章第5节《自由落体运动》为例，设计基于STEM教育形式的高中物理课堂教学。

1.创设情境。播放视频，教师引出新知。通过观看视频，学生可以更加直观的了解题目，激发学生对本节课的学习兴趣。教师进一步解释：在我们周围存在的很多现象都蕴含了丰富的物理知识，要想了解其中奥妙，就要分析其中涉及到的物理原理，而我们研究的问题都是由简及繁的，要经历一个从浅入深的过程。这节课咱们就要一起探讨一种典型的运动——自由落体运动。

2.提出问题，获得新知。引导学生观察身边的现象：一小段粉笔的下落、一张纸片的下落、将纸片揉成小纸团的下落。请两位学生一起演示牛顿管，让同学们观察管中羽毛和铁片的下落。提出问题：这些现象说明了什么问题？学生讨论得出结论：在没有空气阻力的情况下，轻重物体下落的一样快。进而引出自由落体运动的定义和物体做自由落体运动的条件，进一步发问：自由落体运动是一种怎样的直线运动。

基于第一步教学情境的设置，学生带着极大的兴趣开始了本节学习。通过引导学生，帮助学生利用现有的实验器具设计实验并完成本节课的学习任务。

3.分析问题、小组设计。教师指导：怎样探究自由落体运动的特点呢？帮助学生复习前面所学知识，学生分组讨论并设计实验方案，代表交流实验方案。确定实验方案后，进行分组实验。在实验过程中也不断发问：如何保证物体是在做自由落体运动？学生不断进行实验改进保证实验研究的运动为自由落体运动。帮助学生在此过程中体会到工程设计的准确性和严谨性。各组进行分组实验，得到多条纸带，从中选择较好的数据进行下一步的数据处理。

4.收集实验数据，进一步研究。各组展示自己的实验成果：通过对纸带上数据的处理，引导学生分析自由落体运动是否为我们前面所学的匀加速直线运动？答案是肯定的。让课前准备的学生进行演示：用数码相机研究自由落体运动，将视频制成频闪照片，帮助大家更好的进行物理问题的定量计算。通过这一过程的演示，进一步加深了学生对自由落体运动规律的认识，也让学生更加深刻体会到了科学、技术、数学几者之间的有机结合。充分发挥了STEM教育在高中物理教学课堂中的优勢。

5.数学推导，定量计算。在前面实验的基础上引导学生定量计算自由落体运动的加速度。提出问题：如何测量自由落体运动的加速度？引导学生复习纸带的数据处理，利用逐差法计算得到自由落体运动的加速度9.8m/s2，即地球表面重力加速度。请课前进行资料搜集的同学介绍工程上有专门的重力加速度测量仪器。通过这一部分的知识普及，将所学的科学知识向工程问题倾斜，体现科学与工程技术间的融合。

三、教学反思

此教学设计体现了STEM教育的基本要求，在本节课的结尾还给学生提出了思考问题，让学生课后探索如何利用本节所学知识确定跳水项目中跳台跳水的水深。跳水运动深受学生们的喜爱，提出这样的问题既可以帮助他们更好的消化吸收本节所学知识，也进一步将题目与工程技术关联起来，将问题不断引向深入。学生在思考、研究和解决题目的进程中也能帮助自己更好地感受和了解科学、技术、工程和数学这四个范畴之间的紧密联系。

四、结语

相比《普通高中物理课程标准》提出的传统的三维目标，STEM教育模式则更加全面的要求教师从整合化的科学、技术、工程和数学四个维度来制定综合的教学目标，以问题为导向，让学生通过提出问题、分析问题、设计方案、实验操作、数据处理等过程。在本课例中，教师力求寻找发生在学生身边的事件加以讨论、用简单易得的材料作为实验器材，通过适度的引导，最大限度的培养学生主动思考和通过动手实际操作来解决工程技术问题的能力，不断发挥STEM教育模式的优势。

参考文献

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