劉健智，高 巖，曾紅鳳

科學課程有分科與綜合科學課程，學校教育中的“綜合科學”不僅指物理、化學、生物、地理等學科的綜合知識與技能，而且包括這些知識形成的科學活動及其相關的社會、歷史、文化背景，科學綜合課程更有利于學生解決問題能力的培養(yǎng)。［1］(P13)近年來，為了更好地培養(yǎng)學生解決問題的能力，STEM教育逐漸走入全球教育界的視野。STEM教育是當今最具基礎性、綜合性、創(chuàng)造性和經濟性的教育，是各國教育競爭力、改革力和發(fā)展力的勁爆點。［2］STEM教育的提出，是為了促進教師進行跨學科融合，幫助學生不被單一學科知識體系所束縛，鼓勵學生跨學科解決問題。［3］因此在中學物理教學中，有必要滲透STEM教育的“整合性”理念。

一、STEM教育概述

20世紀80年代末，美國科學基金會（National Science Foundation,NSF）首次提出STEM。STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）以及數學（Mathematics）四門學科的簡稱。同時美國科學基金會還聯合科學家、技術家、工程師和數學家，共同提出了STEM教育。STEM教育的本質存在著爭議。有人提出，從應用層面上STEM教育的本質分為兩種取向：一種是“整合取向”，即認為STEM教育的核心是跨學科整合，強調在學科整合過程中培養(yǎng)學生的素養(yǎng)與能力并解決實際問題；另一種是“細分取向”，即認為STEM教育應該仔細分析四門學科整合的有效路徑，找出滿足社會需求發(fā)展的類型。［4］也有人提出STEM教育的本質為相關學科課程整合，有“橫向整合”和“縱向整合”兩種模式，橫向整合模式是指跨學科、跨領域的課程整合模式；縱向整合模式是指適合各階段學生認知水平，促使學生核心素養(yǎng)隨著學習階段的延伸實現連貫一致發(fā)展的模式。［5］無論是對STEM教育本質的哪種定義，都是為了讓學生在學校中不僅學習科學知識，還能夠培養(yǎng)學生學以致用、通過理性客觀的方式解決問題的能力，以便學生能夠更好地適應社會的發(fā)展。目前，我國中學物理教學大多采用的仍舊是分科教學，為了更好地培養(yǎng)學生解決問題的能力，在中學物理教學中融入STEM教育的跨學科整合教育理念是必要的。

各個國家在不斷推進STEM教育。美國K-12教育主要是通過制定教育標準、加強課程融合、動員社會力量參與、建立保障機制、實現教育銜接等措施，保證學生STEM素養(yǎng)，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和能力。［6］德國的STEM教育體系中，完善的職業(yè)教育體系以及終身教育理念仍舊占據主導地位。［7］英國針對吸收社會力量發(fā)展STEM教育提出了一些方法，這對如何借助社會力量來推進我國STEM教育的發(fā)展提供了參考性的建議。［8］

STEM教育也開始在中國不斷推進和發(fā)展，在教育實踐、理論研究和教育政策方面均取得明顯進展。一是對于STEM教育的具體發(fā)展方式，各地均積極地展開了探索，許多學校建立了STEM專業(yè)教室或創(chuàng)客空間，在課堂教學中推動項目式學習；二是STEM教育呈逐漸繁榮的態(tài)勢，STEM教育研究成果的數量正在不斷地增加；三是STEM教育被納入國家戰(zhàn)略發(fā)展政策。［9］另外，我國香港地區(qū)通過大量舉措支持和推進STEM教育。［10］

STEM教育的整合模式可以細分為科—技整合、科—工整合、科—數整合三種，以及這四門學科的綜合整合。我國中學物理教學可以融合這種整合的思想，即物理科學知識與科技發(fā)展的整合，與工程設計任務的整合，與數學思維的整合，以及物理科學知識、科技發(fā)展、工程設計任務、數學思維均整合在一起。

二、我國物理教學中STEM教育的現狀

STEM教育體現的是四門學科的綜合整合，但在中學物理教學中，可以只體現其中一種整合模式，也可以體現多種整合模式，本文主要討論科—技整合、科—工整合、科—數整合模式對我國中學物理教學的影響。其中科—數整合已屬常態(tài)，如物理量的定義式、規(guī)律的表達式、解決物理問題的過程中都用到了數學知識，且該種整合方式在國內外已有很多相應研究。［11］［12］科—技整合在中學物理教學中已有所發(fā)展，但科—工整合則是我國中學物理教學過程中所欠缺的。

(一)科—技整合在物理教學中的發(fā)展

世界知識產權組織在1977年版的《供發(fā)展中國家使用的許可證貿易手冊》中，給技術的定義是：“技術是制造一種產品的系統知識，所采用的一種工藝或提供的一項服務，不論這種知識是否反映在一項發(fā)明、一項外形設計、一項新型實用產品或者一種植物新品種，或者反映在技術情報或技能中，或者反映在專家為設計、安裝、開辦或維修一個工廠或為管理一個工商業(yè)企業(yè)或其活動而提供的服務或協助等方面?！睂嶋H上，技術一詞可指代一切為滿足人們需求而發(fā)明的事物。［13］物理學發(fā)展離不開技術的發(fā)展，物理教學也是如此，一方面教學內容需要與科技發(fā)展聯系緊密，另一方面物理教學手段需要融入計算機技術模擬物理模型。

1.物理教學內容與科技發(fā)展聯系緊密

物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗需要以相關的一些實驗儀器以及科技的發(fā)展作為相應的支撐。例如傳感器的發(fā)明就將一些實驗數據的測量以及圖像的制作變得更加的容易，我們可以采用力傳感器來進行牛頓第三定律的相關探究實驗等。另一方面，物理課程標準明確規(guī)定要關注科學技術的現狀及發(fā)展趨勢。在內容標準部分，有詳細的對課程內容與技術結合的要求，如萬有引力部分，《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）中的規(guī)定為：“通過史實，了解萬有引力定律的發(fā)現過程，知道萬有引力定律，認識發(fā)現萬有引力定律的重要意義，認識科學定律對人類探索未知世界的作用。在活動建議部分，則明確提出要學生觀看有關人造衛(wèi)星、神舟飛船、航天飛機、空間站的錄像片?！保?4］（P15-16）這些對內容的要求，能夠讓學生感受到物理知識在生活中的運用。因此，在實際教學中可以添加一些與現代科技緊密相連的知識內容，如我國一共發(fā)射了多少顆衛(wèi)星、目前地球的同步衛(wèi)星都有哪些、衛(wèi)星的發(fā)射以及運行原理等航空航天知識。這樣，一方面拓寬了學生的視野，讓學生能夠對物理知識的認識更加深刻；另一方面可以讓學生明白物理知識并不是脫離現實生活而存在的。

2.教學手段融入計算機技術模擬物理模型

多媒體、實驗儀器、計算機都是技術發(fā)展的產物，這些技術手段也與物理教學結合在一起。其中，計算機模擬物理模型的方法，對學生更加清晰地認識物理模型，起到了極為重要的作用。有些模型的構建是沒有辦法在現實生活中呈現的，需要采用計算機模擬的方式呈現給學生。如牛頓的力學體系是貫穿整個力學部分，而現實生活中就沒有辦法達到牛頓力學的理想狀態(tài)環(huán)境，所以可以根據該種整合思路，利用Netlogo平臺來創(chuàng)建模擬微環(huán)境“Dynaturtle”。［15］中學物理教學中已經有了利用計算機模擬物理模型的實例，如：利用3DS Max軟件制作地球同步衛(wèi)星模型與一般地球衛(wèi)星模型，探究地球同步衛(wèi)星的基本運行規(guī)律［16］；利用3D虛擬增強現實技術研究平拋運動。［17］物理實驗的設計與探究同樣需要物理模型的構建，而物理模型的構建與計算機模擬之間的關系也得到越來越多的重視。［18］［19］

因此，物理教學與技術發(fā)展之間的聯系已經有了相關的研究［20］，科—技整合的思想在我國中學物理教學過程中已經有所發(fā)展。

(二)科—工整合在物理教學中有待發(fā)展

科—工整合模式對培養(yǎng)學生科學探究能力有著重要的作用，有三種思路：應用延伸型整合思路，工程框架型整合思路，設計與探究型整合思路。在這三種思路中，由于科學與工程所占比重的不同，對物理教學過程中培養(yǎng)學生科學探究能力的影響也有所不同，根據具體比重，工程框架型整合思路的影響更為明顯。

1.教學內容需要添加工作設計任務

工程框架型整合的具體思路是：以工程設計任務為框架創(chuàng)設物理學習情境，激發(fā)學生的探究興趣；根據工程任務的設計需求開展具體的科學探究；再通過假設檢驗和解釋建構為設計改進提供依據。這樣的一堂課顯得更加的完整。以胡克定律教學為例，課程標準對這一部分的要求是“知道胡克定律，制作一個簡易彈簧測力計，再用胡克定律解釋工作原理”。該種思路是以工程設計任務展開學習，進而探究胡克定律，從實際問題出發(fā)，為了解決問題，進行“彈簧彈力與伸長量的關系”的科學探究過程。這種教學設計，一方面可以更好地激發(fā)學生的學習興趣，另一方面可以讓學生充分認識到物理知識的實用價值。

2.采用工程設計任務框架教學引導學生科學探究

“新課標”提出的物理學科核心素養(yǎng)包括科學探究等。科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流等要素。［14］（P2-3）工程框架型整合思路并不是要摒棄這些要素，而是讓整個探究過程變得更加完整。當前，我國中學物理課程以工程為框架展開科學探究的方法并不常見，但在國外基礎教育中，該種整合思路應用到了具體教育過程中，如Lachapelle等人描述的“降落傘設計”案例［21］。同樣以胡克定律教學為例，作為框架的工程設計任務為“用一根彈簧測量一個質量未知鉤碼的重力”。學生先討論完成任務需要的必要的信息，學生已經清楚彈簧測力計可以直接測量物體重力，那么將彈簧改裝成彈簧測力計就可以測量鉤碼的重力，彈簧測力計的工作原理就成了完成此項任務的必要信息。進而展開對彈簧測力計實驗原理的探究過程，即探究工程設計任務中所給彈簧的彈力大小與彈簧形變量的關系，在得出規(guī)律之后，再回到開始的工程設計任務，將該彈簧改裝成彈簧測力計，并測量出質量未知鉤碼重力，最后還要用標準的彈簧測力計測量該鉤碼的重力，對改裝好的彈簧測力計進行校準，如不準確則需進一步改進。整個探究過程完整，并且能夠增強學生的學習成就感。

在中學物理的教學內容中添加工程設計任務，可以引導學生的學習，在搭建學習情境的過程中，激發(fā)學生的探究興趣；采用以工程設計任務為框架引導學生進行科學探究的教學方式，能夠在培養(yǎng)學生科學探究能力的同時，更好地培養(yǎng)學生解決問題的能力。

三、物理教學中滲透STEM教育的可行性

在物理教學中滲透STEM教育是可行的。一方面，我國越來越重視對STEM教育的研究，對其教育理念和教學模式的認識越來越深刻；另一方面是因為STEM教育與中學物理教學聯系緊密，其教學方式及教學目標上有共通的地方。

(一)STEM教育與中學物理教育聯系緊密

STEM教育是當今知識經濟時代下全新的教育范式，以培養(yǎng)具有善于質疑、勇于實踐和敢于創(chuàng)新的學習品質，以及具有跨學科知識素養(yǎng)和解決真實問題能力的人才為根本目標，已經成為了各國教育領域的重要發(fā)展戰(zhàn)略。［22］也可以說，STEM教育是基于真實問題情境的跨學科式教育，而中學物理教學同樣強調創(chuàng)設問題情境的重要性［23］，同樣強調培養(yǎng)學生解決問題的能力，STEM教育與中學物理教學在其目標以及教學方式上并不矛盾，并且存在緊密聯系，因此中學物理教學中滲透STEM教育是可行的。

(二)中學物理實驗已體現科—工整合思想

STEM教育是基于真實情境的跨學科式教育，其整合模式主要有科—技整合、科—工整合和科—數整合。前面已經說過，在這三種整合模式中，中學物理教學中相對欠缺的是科—工整合。在中學物理教學中進行科—工整合的一般模式是：首先創(chuàng)設物理情境，提出工程設計任務；然后通過科學探究解決實際問題的同時完成工程設計任務，或制作某種物品或模型。

中學物理教學實踐教材，實際上已體現了滲透科—工整合的思想，主要體現在物理實驗中。例如：人教版物理教材中的實驗“用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式”。實驗探究之前，提出工程設計任務為“制作游樂場中的旋轉飛椅模型”，以該工程設計為框架，同時創(chuàng)設物理情境，即游樂場中的旋轉飛椅所蘊含的向心力表達式，進而簡化成圓錐擺模型，進行向心力表達式的驗證，得出結果后，再完成工程設計任務。再如：“滑輪”教學以“如何用兩個滑輪一根繩子在地面將一袋面粉運到5樓”為工程設計任務展開等。

(三)大量物理教學內容可滲透STEM教育理念

人教版八年級上冊物理教材的前言中提出，若想學好物理，則需要善于觀察，樂于動手，勤于思考，重在理解，聯系實際，聯系社會。這與STEM教育的基于實際情境的跨學科整合理念是不謀而合的，樂于動手體現科—工整合的思想，聯系社會體現科—技整合的思想，聯系實際則是需要創(chuàng)設物理情境。

“新課標”明確規(guī)定了課程目標，要求學生能解決實際問題，具有構建模型的意識和能力，具有科學探究意識等。培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，體現了STEM教育中科—工整合的思想，培養(yǎng)學生構建物理模型的能力、科學探究意識等都需要在教學過程中創(chuàng)設物理情境。以物理情境展開教學，學生發(fā)現問題，進而解決問題，學習相應的物理知識，將這樣的教學模式貫穿整個高中物理教學過程，以滲透STEM教育理念。

由此可見，大量的中學物理教學內容均可滲透STEM教育理念，以科—工整合的思想為例，我們列舉部分可以融入科—工整合思想的教學內容，如表1所示。

表1.人教版物理教材中部分可融合科—工整合思想的教學內容

四、物理教學中滲透STEM教育的路徑

綜上所述，STEM教育融入物理教學中是可行的，從上述研究中可以得到以下三條具體實施路徑。

(一)將科技發(fā)展與學習技術融入物理課堂

“新課標”明確規(guī)定了要關注科學技術的現狀及發(fā)展趨勢，并且在內容標準部分，有詳細的對課程內容與科技發(fā)展結合的要求。因此，教師應當在物理教學中有效融合現代科技發(fā)展，以便讓學生了解物理并不是脫離生活而獨立存在的。

教育技術目前已經是一門具體學科，并且漸趨成熟。每年由美國新媒體聯盟發(fā)布的《地平線報告》都會總結典型的潛在影響教育和學習過程的學習技術。［24］中學物理課堂中需要學習技術輔助教學，如增強現實技術的應用是比較實用的，主要的技術手段是計算機模擬物理模型，能夠幫助學生更加容易地理解物理概念和物理規(guī)律。

(二)將工程設計任務的整合融入物理課堂

我國已經有了一些關于工程取向的STEM教育的研究，如對于6E設計性學習模式與物理課程的融合。該種學習模式結合了“科學探究”的思維和“工程設計”的實踐，具體包括了參與（Engage）、探索（Explore）、解釋（Explain）、工程（Engineer）、深化（Enrich）以及評價（Evaluate）六個階段，能夠更好地培養(yǎng)學生解決問題的能力。［25］以工程設計任務為框架，創(chuàng)設實際教學情境，在實際情景中提出問題，引發(fā)學生的思考，進而解決問題，完成工程設計任務。

與單純的科學探究相比，將工程設計任務有效整合到中學物理課堂中，可以創(chuàng)設情境，在情境中解決問題，再將所學物理知識付諸實踐，在任務完成過程中同時強調對學生設計能力及解決問題能力的培養(yǎng)。

(三)對物理教師進行STEM教育的相關培訓

為了讓中學物理教師更好地將STEM教育融入到物理教學實踐中，一方面需要對中學物理教師進行有關STEM教育理論的培訓，讓其對STEM教育理念、教學模式有深入的了解。只有這樣，他們才能在教學中做好中學物理與STEM教育理念的有效融合，才能更好地在教學過程中培養(yǎng)學生解決問題的能力。另一方面，在培訓過程中要引導他們進行STEM教育融入中學物理教學的研究，以便能夠更好地促進物理教學改革，提高物理教學質量與效率。教學實踐需要理論的指導，中學教師的專業(yè)化發(fā)展是促進本學科改革和發(fā)展的非常重要的一個因素，教學研究是促進教師專業(yè)成長的根本途徑。［26］培訓方式可以是多種多樣的，一方面可以請一些教育專家為一線教師做講座，另一方面可以為一線教師開設專門的關于STEM教育理論知識的課程，同時集體學習一些權威的教學研究類文章。