STEAM教育理念在“力的存在”中的应用

    杜晶晶 张浩

    摘要：为了发展学生的学科素养和创新能力，教师基于steam教育理念，以《力的存在》一课为例，从问题出发，将STEAM教育理念在教学情景、情感体验、知识层次、综合能力几方面进行渗透。结合学生的表现和后续反馈，探讨了STEAM教育特征在本堂课中体现出的优势，试图充分发挥其教学价值。

    关键词：STEAM教育?力?作用效果?开放?情境?主体

    STEAM教育，强调以生活中真实存在的问题为导向，将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学（Mathematics）及相关交叉领域中的知识进行综合应用，有针对性地展开探究和动手实践，达到最终解决问题或制作产品的目的。在新世纪的人才竞争中，一些传统的输入式教学明显不利于学科素养的培养，严重影响学生解决问题能力的发展。而基于STEAM教育理念的课堂，则更强调学生在教师的引导下主动进行问题探索和研究，逐渐发展学科素养和创新能力。

    《力的存在》是浙教版初中科学中物理部分力学的第一课。力的概念本身是非常抽象的，鉴于初中学生对抽象事物的理解能力有限，课本并未对力的概念作出详细的定义，而是选择让学生重点从力的作用效果去体会力的存在。如果仅根据书本提供的几幅图片进行简单的输入式学习，对力的概念的掌握就会流于表面，从而影响学生将理论联系实际，进行再次创新的能力。故本文以《力的存在》一课为例，从目前遇到的一些普遍问题出发，尝试将STEAM教育理念渗透到教学环节，结合在情感体验、知识层次和综合能力提升几方面的优势进行探索。

    一、问题提出

    在传统教学中，教师非常清楚这节课要解决什么问题，选择的方式往往过于直接，如灌输式的授课方式。但这种方式很难激发起学生的内在欲望和情感去调动手、眼、脑共同高速协作去解决问题。没有情感碰撞的课堂是无趣的，容易造成老师激情澎湃地讲课，学生依旧昏昏欲睡的现象。初中阶段的孩子本身是积极、主动、有好奇心的，他们对常见的一些物理现象已经具备一定的辨别能力，但由于没有任何力学知识基础，也往往不具备较强的逻辑思维能力，对抽象的物理问题会比较头痛。STEAM教育理念中最核心的就是促进学科交叉，共同配合解决实际问题，从而达到培养出符合新时代需求的创新型人才的目的。落实到课堂教学中，其核心内涵就是通过各种手段，不限学科、不限方法地充分调动学生的各种能力，综合解决一堂课的问题。并不只有黑板才能带给学生知识，组织表演、比赛、实验设计等活动，更能激发学生的学习兴趣，继而会使他们接受更多原始的能力和素养。

    二、STEAM教育理念的渗入

    （一）教学情景

    物理知识要放到真實的物理情景中让学生去体验、去感受。把获取的感性物理材料作为思维活动的基础，实现了物理知识由感性上升到理性，完成了物理现象上升到物理本质，最终实现物理教学由理论知识走向实际生活。因而，STEAM教育理念的渗入需要真实的物理情景。

    以课程的导入为例：大个男生和小个女生都在地面上进行拔河比赛（直接手拉手），结果女生被轻松地拉了过来，并且明显感觉到男生用很大的力气把她拉过去。借助于学生自己的情境体验得出力的一种作用效果（物体的运动状态发生改变）。而男生却非常自信地回答：“她力气太小，我没感觉到她在拉我。”（暴露力的作用效果常常是不明显的）然后让同学们思考有没有办法帮助男生感受到对方在拉自己这个事实。最后大家讨论后决定让男生站到滑板上，女生仍站在地面，发现男生被拉了过来，此时男生明显感觉到了女生在拉她。

    在这种真实的物理情景中，力的概念被提了出来。从问题出发，设计出解决方案，让原本不明显的作用效果凸显出来。原本抽象的物理知识，通过具体情境的创设，让学生体会到抽象问题情境化之后也是可以很有趣的，使学生有强烈的欲望去进行下一步的探索。

    （二）情感体验

    力学知识对初中生来说是较难理解的，在创设真实的物理情境后，应使学生产生知识、思维层面的冲突，还应使学生产生真切的情感体验。STEAM教育理念与生俱来的开放性和包容性，允许课堂形式的多样性，可以充分激发学生的情感投入，让知识与情感发生强烈碰撞。在知识讲授的过程中，融入学生喜欢的活动，自然而然地渗透积极的价值观，能使学生产生相应的情感体验，继续推动学生主动想办法去解决新的问题。这样既巩固了知识、促进了学习，也锻炼了学生解决问题的能力。

    对初中生而言，《力的存在》这节课最抽象的地方就是力本身看不见、摸不着，难以下手。故这节课的一个重点就是通过力的作用效果让学生去感受力的存在。从情感上讲，那就是让学生承认一个看不到的事物的存在，还要清楚地认识到力与平时所说的“力气”是不一样的。

    比赛激发情感碰撞：限时一分钟找身边的力，并说出你是怎么发现的，获胜者可以得到一定奖励。其实学生可以说出很多力，如课本上的足球使人脸变形、标枪被运动员投出，课本外的双手虎口相互挤压等。教学过程中最重要的就是通过高效率的活动去调动学生的积极性，学生得到答案的同时，还培养了学生借助于各种工具、方法去找答案的能力。最后学生们通过对“如何发现这些力”进行总结，很快得出力的两大作用效果：力可以使物体发生形状的改变，或者力可以使物体的运动状态发生改变。

    当然必须再补充一个微小形变放大的实验：典型问题如桌面发生了微小形变，人眼并不能直接观察到受了力的桌面其实也有形变发生。而光学放大就是能观察到这一现象的有效手段之一。通过设计好的光学放大实验，发现跟学生平时所见所想不同的结果，从而产生强烈的情感和认知的冲突。学生会发生各种思考、质疑、承认、再思考、再冲突，最后才能将一个物理现象真正上升为物理规律，才能真正把知识内化为自己的一部分。解决力学问题不用拘泥于力学本身，完全可以结合光学等其他知识。这既是对上一章刚学过的光学内容的复习，也再次体现了STEAM教育理念的学科包容性。

    （三）知识层次

    STEAM教育理念下，教学内容不应太拘泥于所谓课内知识或课外知识，因为知识本身就是开放的，基础知识的学习最终将用于解决复杂问题。

    课本上对“力的作用是相互的”这一知识点的要求不高，没有达到牛顿第三定律的系统要求。如果一句话带过这个重要的知识点，就会带来很多疑问，因为有很多相互性是不容易观察到的，而且极易与后期要学的平衡力混淆。在STEAM教育理念下，倒不如直接将问题暴露出来。故针对该难点，老師提前布置了一个课前小任务：通过网络等方式收集“力的作用是相互的”例子。这充分调动了学生解决问题的积极性，利用身边的各种工具、方法、手段，可以是物理知识本身，也可以是数学等其他学科的渗透。然后课堂上先由学生进行展示，让其他学生进行质疑和提问（主要围绕作用效果的相互性）。

    课堂上提问：力的作用的相互性是否普遍成立？事实上，很多例子中，学生并不能找齐每一对相互作用力对应的作用效果。下面分享几个典型例子：

    （1）车与路面间的作用是相互的，但很难观察到路面受到的力的作用效果，故可改成玩具电动车车轮和薄板之间的相互作用。由于薄板够轻，汽车启动的结果变成车向前且板向后，那么这对相互作用的力，分别对应的作用效果就被清楚地展示出来。

    （2）直升机与空气的作用是相互的，我们可以清楚地看到直升机的运动状态发生了改变，却无法看清楚空气的运动状态也发生了改变。故在课堂上可以用纸屑的加入去“展示”空气也受到了力的作用。

    （3）船和水之间的作用是相互的，但是水受到的力并不能清楚地被观察到。故可设计如下的实验方案来演示。水中的钩码受到的力通过测力计示数和自身重力计算得到，而对水的力则可以通过台秤前后两次的示数计算得到。借助定量的仪器得到了更准确的结果，循序渐进地得出不仅力的作用是相互的，力的大小也是相等的。教学内容具有一定的层次性，由定性到半定量，这种层次性的推进，符合学生对知识的认知和掌握的规律。

    （4）磁铁之间的力是相互的，只需要将磁铁绑在车上，同时释放即可。磁力的相互性其实不难发现。这组实验存在的价值其实体现在知识的系统性方面。即通过大量生活实例，结合各种实验，分别体现了不论力的种类（重力、弹力、摩擦力、磁力），还是物质形态（固体、气体、液体），力的作用都是相互的。

    将汽车、直升机、船等常见的场景搬进课堂，结合学生经验，得出已有的认知（容易找到的一个力的作用效果），引导学生设计实验来看清楚不易观察的力的作用效果。这里应用STEAM教育理念，本质上是将物理规律与实际问题有机结合，引导学生发现问题，思考如何解决问题，并在过程中充分锻炼了学生的逻辑思维能力，促进了学生对物理知识的掌握。

    （四）综合能力

    为了进一步理解这一对相互作用力的关系，我们一般都会组织学生实验，让学生利用一组弹簧测力计，通过对拉的方式去探究作用力和反作用力的关系。

    然而事实上，在科技快速发展的今天，这个实验已经不是最佳方案了，尤其在动态时，人眼根本跟不上读数的变化。故教师可在教学中演示更为精确的力学传感器实验：无论是静态还是动态，通过计算机和传感器快速采集数据，直观形象地模拟出这对力的大小、方向随时间的变化而变化。而计算机应用能力是新时代学生的必备技能，理应在现代课堂上得到锻炼和推广。这也符合STEAM教育理念的核心：利用各种能用的技术去解决问题。

    三、总结与反思

    STEAM教育作为一种新兴教育模式，旨在培养能适应新时代特点的复合型人才，当前仍具有很高的研究价值。本文仅以STEAM教育理念在一堂初中科学课程《力的存在》中的应用，浅析了该理念在教学中的种种优势。当然在具体实施过程中，遇到的主要困难还是在对课堂时间的把控上。所以考虑体验情境设置的合理性和科学性是非常重要的，不是越花哨就越好，情境的设置是为了学生更好地体验，最后还是为了解决某个具体问题，并引导学生自己发现问题，自己设计方案去解决问题。从实施结果来看，学生的积极性明显提高，课堂的主体性相当明确。STEAM教育理念渗透的课堂不仅仅培养了应试能力，更重要的是在教与学的过程中，自然而然地锻炼了学生的逻辑思维、语言表达、数学计算、实践操作、团队合作等各方面的能力，最终培养出有创造力的复合型人才。通过科学学科的学习形成的这些品格和能力也完全符合该学科的核心素养。

    参考文献：

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    [2]骆兴高.注重“三个转型”培养核心素养——论核心素养视域下的物理教学[J].物理教学，2018，40（04）：2-5+23.

    [3]贾雪省.初中物理教学生活化情境的创设[J].教学与管理，2019（36）：86-88.