中学物理探究型STEM教学模式

时间：2024-05-09

马瑛瑛刘健智

摘要：为了保证STEM教育更具操作性，物理教学中融入STEM教育是一条合适的路径。基于PBL教学的以问题及其解决为线索的教学模式，再融入技术环节，可形成物理探究型STEM教学模式，该模式主要包括组建小组、提出STEM探究问题、解决问题、问题拓展、总结交流五个环节。以初中物理“探究电动机工作原理”为例，介绍了探究型STEM教学模式下的教学活动设计方案，并进行了教学反思。

关键词：STEM教育;中学物理;探究型STEM;教学模式;电动机工作原理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2021）1-0065-5

为了应对智能制造时代，培养复合型、技能型与创新型人才的STEM教育应运而生，我国推出了很多成功的STEM教育的案例[1-4]。STEM教育有三种课程路径：选修课程、综合课程和基于某一学科的教学模式[2]。我们认为，第三种路径最优，因为这种模式可以促进大多数教师STEM素养的提升;可以让STEM教育的受众为全体学生;可以避免课程数量增多导致学生负担增加的弊端。物理适合融入STEM教育是因为它与STEM联系紧密，物理实验已经体现了科-工整合的思想[3]。因此，有必要构建有效的基于物理教学的STEM教学模式。

我们赞同将STEM教育的应用模式分成验证、探究、制造和创造四大类型[4]，因为验证型侧重科-数整合，探究型侧重科-技整合，制造型侧重科-工整合，创造型则注重全面整合和学生创意的实现。从验证到创造逐步培养学生的创造力，逐步将学生从“技能型”培养成“创造型”的人才。

1 从验证型到探究型物理STEM教学模式

探究型STEM教学是将探究式教学与STEM教育理念进行整合后的一种新的教学策略或方式，是在获取物理知识的基础上，突出知识的关联性、广泛性和融合性。它是以问题为切入点、以问题链为核心、以问题解决为主线，侧重于科-技整合，在问题的解决过程中自然地让学生体验、领悟学科融合的思想，建立学科间的横向联系，增强STEM素养，为提升创造力铺平道路。

从验证型到探究型的过渡，主要体现在问题的提出、能力的提升、教学的组织这几个方面，体现了认知的进阶，见表1。

2 基于PBL的物理探究型STEM教学模式

探究型教学以问题解决为课堂主线，我们主要借鉴PBL（problem-based learning）项目学习法[5]构建探究型STEM教学模式。

2.1 PBL教学与STEM理念不谋而合

与传统的LBL（lecture-based learning，基于授课的学习）[6]相比，从STEM视角看，PBL教学模式具有以下具体功能。

（1）培养学生的问题意识。以问题为出发点，每节课均有一个中心主题即主问题，例如，“生活中的圆周运动”的主问题是“如何寻找日常生活中的圆周运动的向心力”;“加速度”的主问题是“探究速度变化快慢的描述方法”。以问题及其解决为课堂教学思路，这与STEM教学是一致的。

（2）培养问题的解决能力。PBL教学中，主问题由若干问题链即小问题构成，每个问题的解决过程都是培养问题解决能力的过程。例如，“加速度”的教学基本思路是[7]：①提出问题：速度变化快慢如何描述;②探究问题：用比值描述;③解决问题：这个比值被定义为加速度;④引发新问题：加速度的方向，拓展延伸。得到了能够描述速度变化快慢的比值，问题就得到了解决。可以培养学生的问题解决能力，如提出问题、确定思路和归纳总结的能力，也可以提升科学探究中的问题、证据、解释、交流等物理学科核心素养。

（3）问题解决即探究过程。探究分為狭义的实验探究和广义的理论探究。探究的问题都是学生在之前没有学习过的新知识，就PBL教学来说，探究的问题就是要通过探究后解决的问题，如上述“加速度”的PBL教学活动就是理论探究，通过科学推理得出“速度变化的快慢可以用速度的变化量与所用时间的比值来描述”。

（4）提高教师的教学设计能力。PBL教学模式中的主问题和小问题链是教学的“大抓手”和“小抓手”，它们构建了教学内容和环节，“小抓手”为教师有效组织和设计教学活动提供了很好的逻辑思路。对教师来说，利用PBL教学模式进行教学，要提出具有探究或需要解决的问题，并预设问题解决过程中的问题链，因此能够培养教师的教学设计能力。

（5）为探究型教学提供现实支持。基于以上的讨论，PBL教学模式对以学科融合为重要特点的STEM教学提供了一种新的思路，如果在PBL教学模式的基础上，以物理问题为主线，突出科-技整合的内容，且“以问题为经，以学科为纬”[8]加强教学内容的探究性，就可以构建探究型物理STEM教学模式。

2.2 探究型STEM教学模式的构建

基于PBL教学模式，我们构建出探究型STEM教学模式的以下几个环节，如图1所示。

（1）组建小组。可自由分组，但要注意小组成员知识和能力的差异，如小组内有的数学基础好、有的思维活跃、有的动手能力强、有的做事耐心细致。

（2）提出问题。问题要由学生在教师的引导下根据具体情境自己提出，所以需要教师创设情境。问题可以是项目形式，需要教师积极挖掘身边素材。问题的设置既要联系教学内容，还要能够激发学生的探究欲望，适应学生的最近发展区。

例如，笔者之前在学校开展过一节“探究磁悬浮的奥秘”，它的背景是速度可达500 km/h的“超级高铁”。要有更快的运行速度，就需要将列车与轨道间的摩擦力降低，而磁悬浮技术的发展为该项发明提供了思路，且还具有能耗低、噪音小的优点。学生在进入电与磁的学习时，就可以拓展一节探究型STEM教学“磁悬浮技术”，将它“搬”到实验室或教室，探究如何实现悬浮。如果把“列车”换成“手头的笔”，是否可以成为“悬浮笔”的问题。

那么，接下来整个课堂活动都是为了解决这个问题。

（3）解决问题。这一步骤包括确定方案、实施方案和问题解决几个环节。

确定方案：问题提出后，在教师的引导和帮助下，或者小组之间比较各种方案的优劣后，确定最合适的方案。

实施方案和问题解决：按照预定的解决问题的方案来进行。在解决问题的过程中遇到若干小问题时，需要调动已有的知识和能力进行解决。解决了若干小问题，主问题自然被解决。如果问题没有得到解决，尝试重新确定方案，再实施方案。

在这一阶段，教师可以根据学生的认知水平灵活处理。比如，在上个案例中，笔者为了降低难度，避免学生操作时一头雾水，先让学生观看悬浮笔的组装视频，再根据实验材料确定方案：第一步，搭建底座磁场;第二步，搭建“磁性笔”。

（4）问题拓展。上一个问题得到解决后，通常会呈现出新的问题。解决拓展的新问题这个过程又重新进入上个环节。

例如，改变底座某几块圆形磁铁的朝向，是否可以实现笔的悬浮？

（5）总结交流。这是一个开放性环节，可以组内交流，组组交流。交流的主题可以结合动手探究活动的过程性体验，也可以对作品成果展开评价。目的是让每个学生都有想说的欲望，在畅所欲言中鼓励学生想说、敢说、爱说，大胆表达。最后，教师进行点评，归纳新知，真正实现生本课堂。

3 教学案例设计：探究电动机工作原理

下面以“探究电动机工作原理”为例，说明如何构建探究型STEM教学活动。

3.1 设计意图

体现STEM教学和探究性两大特点。

STEM：在S、T、E和M学科中，侧重科学与技术即S-T的融合，让学生设计小小简易电动机，其中涉及的技术问题有：如何使电动机持续转动;如何优化和改良这些技术。

探究性：以电动机原理为主问题，以主问题的解决作为教学的主线。鼓励和引导学生发现问题、设计方案、解决问题，体现STEM教学从验证型到探究型的跨越。

3.2 教学分析

内容分析：源于人教版九年级物理“电动机”，利用STEM理念、以问题为导向开展小组探究性学习，利用数学知识和计算思维进行数据的收集、分析和解释，完成表2的学习内容。

学情分析：九年级学生对电现象、磁现象及其两者的关系有了初步的了解，也具备了相关的数学基础，能够完成学习任务。

3.3 活动设计

3.3.1 创建小组

在教师的指导下，学生自行分成若干个6人小组。

3.3.2 提出问题

创设情境：教师图片展示生活中常见的电风扇、洗衣机、小玩具，短视频展示其工作状态。

提出问题：引导学生发现“电动装置叫电动机”，并提出问题：电动机是如何工作的。

3.3.3 解决问题

确定方案：引导学生从演示实验“靠近磁铁的小磁针发生转动”联想到已学的知识“位于磁场中的磁体会受到力的作用”，提出解决问题的方案，即具体研究思路：用通电导线代替小磁针，它会在磁场中转动吗？

实施方案：

解决问题1 磁场中通电导线受的力

设计实验：将闭合电路中的一部分导线放入匀强磁场中，接通电源，观察其运动情况。

收集证据：由静止开始运动（向左或向右）。

发现问题：运动方向为什么不同？

解决问题2 力的方向与什么有关

收集证据：小组合作探究后，全班学生得到表3的证据。

解释结论：学生自行得出，教师进行归纳。

提出问题：如果将导线换成如图2所示的线框，情况又将如何？

解决问题3 磁场中的通电线框如何运动

猜想假设：会转动。

探究活动：设计“简易电动机”

活动意图：技术性活动，体现了STEM中科学（S）和技术（E）的融合。

小组合作：选择所需器材并自行组装。

材料：磁铁、漆包铜线、金属丝（铜丝）、导线、曲别针、木板、木块、橡皮泥、荧光笔、图钉、5号电池、工具（美工刀、胶带、钳子）等。

第一步：线框（圈）制作。有小组通过在荧光笔上绕上漆包线，做成圆形线圈;有小组在木块上纏绕上多匝漆包线，再取下木块得到矩形线框。为了固定形状，将两头留出的一段漆包线绕在线框（圈）的两端。最后，将线框（圈）最末端的3 cm左右的漆包线的漆皮刮掉，用来连接其他器材。

第二步：支架的制作。用金属丝或曲别针做成支架，再用图钉将其固定在木板上，最后将线框（圈）放在支架上。

第三步：组装电动机。用橡皮泥将电池固定在木板上，将支架紧挨电池正负极放置，用绝缘胶带将其贴牢。

第四步：磁场的创设。在线框（圈）的下方放上磁铁，就做成了图3所示的电动机模型。有小组选取两节干电池用来增强电动机的动力，如图4所示。

收集证据：线框通电后转动了，但只转了一个小角度。

分析数据：实验与猜想不同。

[教师指导]这就是同学们设计的简易电动机，它包括线框（能够转动）和磁体（固定不动）。

[学生发现问题] 通过受力分析，找到线框不能持续转动的原因：如图5所示，当线框在甲位置时，沿顺时针转动，直到位置乙;在乙位置，线框处于平衡位置，但由于惯性会越过该位置;之后，线框逆时针转动又回来了。

解决问题4 简易电动机持续转动的实现

设计意图：这属于工程方面的技术性问题，解决这个问题能够很好地体现STEM教育理念。

猜想与假设1：

到达位置乙时对线框停止供电;

猜想与假设2：

通电线框位于后半周时改变其磁场方向;

猜想与假设3：

通电线框位于后半周时改变其电流方向。

收集数据1：

在线框到达位置乙时立即将开关断开，线框确实能够沿顺时针方向一直转下去。

分析数据：猜想与假设1是正确的。

[教师指导]

提出问题：关于电路的断和通，还有其他办法吗？能否尝试从线框方面想办法？

[教师提示]

将引线的漆皮刮去，但要注意不能刮掉两端的全部漆皮，而是一边的全部被刮去，另一边只能被刮去半周。由于只有前半周有电流，保证了线框前半周内有动力，后半周内线框没有受力而只依靠惯性进行转动。

收集数据2：在线框转动的后半周，将U形磁铁的磁极进行对调，能够实现持续转动。

分析数据：猜想与假设2是正确的。

收集数据3：来不及也不方便及时改变电流方向。

分享反思：虽然三种方法都能够让线框实现持续转动，但是开关通断和磁极对调这两种方法很难实际操作，因此只能采用将漆皮刮去的方法。

3.3.4 问题拓展

[教师展示] 虽然方法3即改变后半周的电流方向同学们无法进行操作，但实际上的电动机却是根据这个原理来做成的，其关键部件是“换向器”。教师展示换向器实物，让学生观察其结构，弄清电流换向的工程原理。

[发现问题] 工程上的电动机不采用我们猜想的方法1，这是为什么？

[思考交流] 方法1中，靠惯性线框进行后半周的转动，由于动力不足，难以保证它能够转动完半周。工程设计上，应该设法同步改变线框转动的后半周的电流方向，即及时给电流进行“换向”，线框就能够有力、平稳地持续转动下去了。

3.3.5 总结交流

学生活动后进行课堂总结，教师可引导学生主要从知识获得和体验感两方面进行总结与分享，一是理论知识“学到了什么”;二是分享小组合作的“动手体验感悟”。笔者在上课时记录到有的小组代表发言“我们组有些同学不太参与，成员之间没有什么交流讨论”，有的说“我们小组还是没有让线圈持续转动”等。学生的总结就是形成性评价，可以培养他们反思与归纳的能力，深化合作能力，从而获得更多的小组荣誉感和成就感体验。另一方面也有助于教师参考学生的交流分享对本节课的教学活动设计进行评估、反思与改进。

4 教学反思

（1）非常具有STEM特色。将STEM中的S、T、E、M元素都涉及进去了，尤其“设计简易电动机”所体现的技术元素更是其亮点。发现问题，分析原因，解决问题，最终制作出能够持续转动的简易电动机，体现了STEM与探究的融合，是一堂典型的探究型STEM教学课例。

（2）PBL模式的典型应用。该活动将连续的4个具有逻辑性的问题及其解决过程作为教学的主线，体现了PBL教学的基本理念。学生发现“电动机不能进行持续转动”这一问题后，分析出了问题的原因，通过小组合作交流找到了解决问题的办法，最后制作成了简易电动机。

（3）具有迁移性和示范性。该次探究活动为后续的“制造型STEM”教学活动奠定了知识和技能基础，教师可以让学生尝试从制作“简易走马灯”再到制作“电动走马灯”，从而逐渐过渡到制造型STEM教学活动。

参考文献：

[1]马瑛瑛.从验证到创造：基于STEM教育的初中物理教学设计研究[D].长沙：湖南师范大学硕士学位论文，2019.

[2]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.

[3]刘健智，高岩，曾红凤. STEM教育融入物理教學的研究现状与路径探讨[J].天津师范大学学报（基础教育版），2020， 21（01）：56-60.

[4]傅骞，刘鹏飞.从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J].中国电化教育，2016（04）：71-78+105.

[5]叶茂林.用PBL项目学习法教学“牛顿第三定律”及反思[J].中学物理教学参考，2018（18）：7-8.

[6]刘津平，张晓东，黄卉.适合解剖学教学的LBL与PBL相结合的教学方法探讨[J].基础医学教育，2018，20（10）：819-821.

[7]刘健智，李丽萍.《速度变化快慢的描述：加速度》教学设计——基于问题解决和比值定义的概念教学[J].物理教学探讨，2020， 38（05）：32-36.