基于“STEM”理念的高中物理实验校本化探索与实践

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  摘要:科技创新与社会发展需要复合型创新人才.践行STEM课程理念,立足学生的主动发展,通过开发数字化实验,做实课本知识的拓展性实验,开展工坊实验,开发与地方资源相结合的应用性实验、日常生活相结合的生活化实验,开发符合兴趣和特长需要的个性化实验等,构建与实施高中物理实验校本化课程,促进师生共同发展,培养复合型创新人才.
  关键词:STEM理念;高中物理实验;校本化课程;创新能力培养
  作者简介:鲁世明(1968-),山东龙口人,教育硕士,中学正高级教师,研究方向:物理学科教学.
  “人”是教育的出发点,也是教育的归宿.STEM教育是通过科学、技术、工程、数学等多学科融合,在看似“杂乱无章”的环境中,关注最新技术及其实践的应用,培养能够综合应用多学科知识解决实际问题的复合型创新人才.近年来我国也开始重视STEM教育,以提高学生的科学素养与创新能力.普通高中新课程标准聚焦学生学科核心素养培养,为了给学生提供合适的教育,进一步发挥学生学习主体作用,引导学生主动探究,促进学生将学习与实践有机結合,提高学生创新能力,为每一个学生未来发展提供更大空间和更多可能,同时为打破物理教师职业发展瓶颈,进一步促进教师和学生的主动发展,我校践行国家课程校本化,开发了基于STEM理念的高中物理实验校本化课程,取得了一定成效.
  1校本化课程开发的宗旨
  开发基于STEM理念的高中物理实验校本化课程,拟在现代教育思想的引领下,践行STEM课程理念,立足学生的主动发展,通过高中物理实验教学的创新研究,探索高中物理实验教学的新途径,促进物理实验教学中学生学习方式和教师教学方式的根本性转变,该课程开发的目标是:(1)探索研究高中物理实验的教育价值,实施情感、态度、价值观教育.提升物理教师实验教学的教育价值理念,提升学生的意志品质和科学素养;(2)探索研究高中物理实验的教学价值,促进教师实验指导、实验开发能力的提升,促进学生学习方式的变革,培养学生自主学习、合作学习、探究学习的习惯;(3) 探索研究多元化高中物理实验教学模式和评价体系,引领教师教学方式和评价方式的变革,树立重视学生本位、重视科学探究的物理实验教学观,改变传统的教学习性,培养学生探究精神和创新能力;(4)探索研究课外实验促进学生水平提升的途径,提高学生实验设计和创新开发能力,促进学生主动发展;(5) 探索形成促进学生主动发展的高中物理实验教学的创新途径,促进学校物理实验教学水平的提高,形成具有我校特色的物理实验教学校本课程.
  2校本化课程的构建与实施
  21依托信息技术,开发数字化实验
  课题组成员将物理课本实验内容进行拓展延伸,开拓更多的实验资源,将尽可能多的数字化实验应用到课堂教学中来.如传统教学中牛顿第二定律实验比较复杂,但是使用数字化传感器后,有效地突破了教学难点,变抽象为直观,明显地激发了学生学习物理的兴趣.
  2.2做实课本知识的拓展性实验
  我们根据教材内容,对学生进行社会调查方面的指导,有计划、有组织地进行社会调查,如“桥梁中的力学原理”“自行车力学原理”“航天科技中的物理知识”“电磁感应在汽车上的实际应用”等,并对学生提交的200多份拓展性实验报告按照等级进行了评比,进一步激发学生做实课本拓展性实验的兴趣.
  23面向未来教育,开展工坊实验课程
  我们以“趣玩—智造—思创”的教学体系框架为基础,在实现培养学生创新意识、动手能力和项目学习能力的基础教育目标的同时,致力于帮助学校打造面向未来的个性化特色校园文化,积极开展工坊实验课程,不是在桌椅整齐的教室上课,而是在充满木板、锉刀、画笔、电线、电路板、芯片,以及丰富的教育科技产品的工作坊里创造.物理学科设置了不同主题的工作坊,在规定时间内完成主题创造,注重学习的过程,让学生自己动手完成他们感兴趣的,并且和他们生活相关的项目,从过程中学习各种学科以及跨学科的知识.在工坊实验中分享制作过程,敢于让学生们犯错,让他们尝试不同的想法,让学生学会听取不同的观点.
  24开发与地方资源相结合的应用性实验
  充分发挥地方资源独特优势,突出文化建设,努力挖掘历史资源、专题场馆、项目资源、乡土资源等,为培养学生的兴趣、爱好、特长、专业、职业,使之成为培育核心素养的重要平台.如在溱湖国家湿地公园挂牌成立了“开放实验室”课外实践基地,并开展温度、湿度、饱和汽与未饱和汽等多样性的研究.
  25开发与日常生活相结合的生活化实验
  让学生把学校中的学习与社会、家庭中的学习结合起来,培养学生的科学理性和实践创新精神.物理社团开展了以“走进生活”为主题的综合实践活动,选取与生活中的物理有关的多个主题,重在学生的亲身体验、实际操作,为学生接触真实世界获得直接经验.
  26开发符合兴趣和特长需要的个性化实验
  利用周末时间举办物理实验室开放日活动,开放日活动做到“四有”,即有计划、有时间、有内容、有指导.教师根据学生知识状况和能力发展需要指导活动计划.研究内容从验证性走向探究性、从课本走向生活,实验设计由单一走向开放,实验手段由传统走向数字化,如“纸质桥梁制作”“用DIS技术研究平抛运动”“太阳能发电并离网技术”等.
  3校本化课程开发过程中的教师收获
  31丰富了“探究精神、创新能力”的内涵
  “探究精神、创新能力”的培养是物理教学的核心.基于STEM理念的高中物理课程校本化坚持以“促进有效教学”为价值追求,以“提升学生学习能力”为目标,着力打造更加科学合理的新型课堂教学模式.组织形式的开放,可全面建构师生、生生、师生加专家等形式的学习共同体;通过开放的教学情境,让学生涌动问题意识,解放学生的口,学生敢问善问;开放的教学时空,让学生创新知识建构的方式;开放的教学方式,让学生释放探究活力,解放学生的脑,学生勤思善思;解放学生的手,学生想做能做;开放的教学评价,对学生进行全方位、多元化的综合评价,促进学生的差异化发展.   32探索出实践育人的基本模式
  321增强内需,变他主为自主
  传统教学以讲授式为主,学生参与度低,主动思维少,不利于创新型人才的培养.创新实践教学以学生的主动探究和主动发现为主,学生是学习的主人,教师在教学过程中起主导作用,教师是引导者,学生是发现者.借助多种物理实验活动,开设形式多样的实验,开拓学生视野,激发学习的内驱力;将演示实验改为分组实验,增加学生动手的机会,让学生做中思、做中学、做中悟,增强了学生学习的主动意识和学习效能感.
  322自由组合,从独立到合作
  通过组内合作、组间竞争的方式进行教学,以培养学生的团队协作的精神,构建学习共同体.分组实验中由于学生的实验能力的缺失和实验观察缺乏系统性,小组合作学习可弥补这种缺陷.在进行研究性学习时,由于个人所能接触或关注的资料或问题较少,通过小组合作探究的形式能提升解决问题的能力.学生在小组学习中学会合作、分享,体会科学研究的过程.
  323问题引领,变验证为探究
  教师的教学设计必须首先要考虑学生的“探究”与“发现”.教师将本节课的教学目标进行拆解,设计出若干小问题,以便于推进课堂教学;将验证性实验重新设计成探究性实验,让学生积极参与、分组讨论,最后通过实验来验证猜想.让学生由过去的被动应付式变成了现在的主动探究式,养成批判性思维,提高分析问题的能力,获得更多的情感体验.
  33促进了物理实验教学方式的变革
  STEM理念下的物理实验教学要求教师“放开、放手、放心”,学生“学会、会学、乐学”,生成“主动、互动、灵动”的开放课堂.开放课堂是指 “教学情境”的开放、“教学方式”的开放、“教学时空”的开放、“教学评价”的开放.以教学情境开放为先导,引发学生问题意识的涌动,使情境成为激发学生思考、涌动问题意识的土壤;以开放教学方式为手段,变固化的教学流程为灵活的探究活动;变接纳式学习为发现式学习,激发学生探索热情,释放探究活力;以教学时空的开放为条件,把课堂教学的时间向课前课后延伸,空间向教室外拓展,创新知识建构方式,让学生自主建构起结构化的、逻辑化的知识网络.
  34促进了教师的专业发展,提升了校本教研的质量
  2016年8月,学校专门组织物理青年教师进行实验技能比赛,强化对实验技能的掌握运用;2017年课题组教师面向全市开设基于“探究精神、创新能力”的开发课程公开课,获得在场教师的高度评价;近两年多名物理教师获省级奖或成为省市级教学骨干.课题组开发形成具有姜中特色的高中物理实验课程:《生活中物理元素》(上册、下册)《高中物理拓展性实验》《高中物理学史》(热、力、光、电)等;课题组主持的《促进学生主动发展的高中物理实验教学创新研究》等多项省市级课题结题并被评为优秀课题.
  4校本化课程开发过程中的学生收获
  41优化了学习方法,促进了主动发展
  借助创新实践活动,开设形式多样的趣味实验,让学生大开眼界;将演示实验改为分组实验,让学生亲手操作体会到实验的乐趣,以趣激学.引导学生关注身边的事物,在观察、体验与思考中发现问题、提出問题,激发了学生的学习热情和探究的欲望,增强了学生的投入意识和责任感,变被动听讲为主动参与,变刻板模仿为大胆创新.问卷调查显示:95%的学生对STEM理念下的物理实验比较喜欢,887%的学生认为自己体验到了活动过程中的艰辛与快乐.
  42开放了学习时空,改进了学习方式
  STEM理念下物理学习以自主、探究、合作为主要学习特征,学生从大量机械重复练习中解放出来,学生有了活动的时间,学生乐于发展;学生有了思维的空间,学生能够发展;学生有了自主的权利,形成主动发展氛围.
  通过基于STEM理念高中物理实验校本化课程的开发,学生能够变注重学习结果为注重学习过程,变接受式学习为探究式学习,做学习的主人.“马铃薯能否做电池”等活动从分科的学习走向综合的学习;“溱湖湿地”“神十筑梦”等活动从依赖教师的学习走向以学生为主的学习;“静电除尘装置”等从被动地接受走向主动建构知识.学生在活动中学习,在活动中思考,在活动中总结提高.
  43开展了创新实践,提高了核心素养
  “探究精神、创新能力”是对课堂教学的延续、扩展和加深,能最大限度地发挥实验资源效益,为学生提供创新实践和自我发展的空间,有助于培养学生的创造性思维.学生在与自然、生活、社会的接触中,常会对特定的情景仔细观察,提出探究的问题,形成探究的思路,自己设计实验,探索解决问题的途径.
  通过基于STEM理念的高中物理实验校本化教学活动,学生获得了亲身参与研究探索的情感体验;增强了对社会的责任心和使命感;养成了合作分享、积极进取等良好品质;训练了获取信息、分析信息的能力;培养了观察能力、分析能力、创新能力.调查显示:914%的学生认为物理校本化课程有利于他们了解科学研究的一般过程,823%的学生认为有利于培养创新精神与实践能力,提高了核心素养.
  44提升学生探究精神,提高了学生的创新能力
  近两年来,2016、2017年我校每年均有40多学生获省奥林匹克物理、科技竞赛一、二、三等奖.2015年我校学生研制的“家用太阳能智能并离网发电系统”获第二十届江苏省青少年科技创新科技成果一等奖,“人体感应声光警示可伸缩路锥”等多项成果获省新科技成果二等奖.2016年,学生创新作品“便携式测量数据记录器”和 “红绿灯翻转模拟系统”获江苏省第25届科技竞赛二等奖;2017年,课题组作品“植根乡土 开放实验科技活动方案” 荣获江苏省第26届科技竞赛二等奖;学生创新作品“丁达尔现象演示与应用” 荣获江苏省第五届青少年发明家评选活动二等奖.
  5校本化课程开发的反思
  51校本化课程开发的不足   本课程开发,取得了一定成果的同时,也存在以下不足:
  一是项目研究成果推广的深度和广度不够.课程开发的实施与当前中学教学的矛盾主要表现在两个方面,其一是探究活动的耗时性与课堂教学实效性的矛盾,其二是探究活动的个性化学习与班级授课制的矛盾.这些矛盾限制了项目推广的深度和广度.
  二是项目研究对师生的量化评价、质性评价落实还存在较大困难.在研究过程中,项目组通过“做中学,学中做”转变教师教学方式和学生学习方式,在评价时侧重学生的参与过程及作品展示过程,但仍缺少一套科学的、系统的师生评价手段.
  52校本化课程开发的深化
  本课程开发需要进一步深化,今后具体操作改进如下.
  521聚焦培养核心素养,丰富研究内涵
  2017年教育部对普通高中课程标准进行了修订,各学科凝练提出了本学科的核心素养,下阶段项目组将聚焦培养学生核心素养,精选、重组教学内容,设计教学活动,切实引导物理学科教学在传授学科知识过程中,更加关注学科思想、思维方式,把立德树人根本任务落到实处.
  522践行“跨界融合”理念,开拓研究新路径
  本项目在下阶段研究过程中,将践行“跨界融合”的实验教学理念,通过前沿的科研问题,增强学科间的横向联系,开展跨学科的实践活动,融合人与装备,融合教师、学生、内容、环境之间关系,融合教育共治、多边互动、虚拟与现實等,逐步形成智慧学习环境,支持泛在学习和智能化学习.
  523打造“创新梦工厂”,促进“探究精神创新能力”发展升级
  下阶段本项目组打算在保持传统的基础之上,为学生提供创意设计、实体加工、项目学习、个性制造、专题研究之空间,进一步践行STEM理念,打造“创新梦工厂”,并以此为载体,突破单一学科的限制,整合资源,跨界融合,不断寻求实验教学的创新和突破.
  524实施项目化学习,促进物理教与学方式的新变革
  项目化学习是以问题解决为归宿,以跨学科学习为课程,以合作探究为目标的学习模式,下阶段我们将进行物理教与学方式的新变革,引导学生自我规划、自主学习、独立思考、独立研究,自己动手完成与生活、社会相关的项目性学习,努力把学生培养成具有良好人格品质、较强执行能力、较好思维品质和较强创造潜能的新时代人才.
  参考文献:
  [1] 黄璐、裴新宁科学理性主义视野下的STEM教育思考:知识融通 [J].比较教育研究,2018(6):27-34.
  [2] 刘烨STEM理念下的物理创新实验校本课程开发和研究 [D].上海:上海师范大学,2017.
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