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中、美課程標準中stem教育的體現

在NGSS中有大量篇幅體現了STEM教育，如專門對科學、技術和工程的概念進行了辨析；將工程設計、相關數學、STSE（科學、技術、社會、環境）分別作為獨立的章節，與學科核心知識等內容并列陳述；對不同學段（幼兒園至2年級、3～5年級、6～8年級、9～12年級）的學生提出不同水平的具體目標。以工程設計為例，NGSS對6～8年級和9～12年級學生的要求如表1所示。我國在初中階段設有科學綜合課程，但大部分地區實施的是分科物理課程，高中階段科學領域的課程標準則都是分學科制定的，可以說，我國的物理課程以分科課程為主。初、高中的物理課程標準盡管沒有明確提出對工程的要求，但都從STS的角度對“關心科學技術”給予了重視。在高中物理課程模塊中，選修二系列側重于從技術應用的角度展示物理學，強調物理學與技術的結合，著重體現物理學的應用性和實踐性。

物理教材中STEM教育的體現

下面以在美國較為流行的初中科學教材《科學探索者》為例，分析其中STEM教育的元素。《科學探索者》重視科學領域內部學科的綜合、重視科學與相關數學知識的整合、重視知識應用和技術、重視學生的工程設計活動。例如，在“運動、力與能量”分冊中，就有以下內容體現出STEM教育整合思想（見表2）。《科學探索者》中安排了很多學生的設計制作活動，以滲透工程方面的教育。例如，“功與機械”這一章的學生活動“制作起重機模型”，要求“把至少兩種以上的簡單機械組合成一輛能把質量600克的罐頭舉高5cm的起重機模型”，同時要求“和同學集體討論起重機模型的各種不同的設計方案，看哪些材料可以用來制造起重機模型”。通過應用已學物理知識制作起重機模型，學生初步經歷了界定工程問題、設計解決方案、優化解決方案的工程設計過程。在我國的物理教材中，注重介紹物理知識的技術應用，滲透STS教育。以側重于物理學技術應用的選修二系列的人教版高中教材為例，該教材一些章節的內容完全是技術應用，如選修2-2第二章“材料與結構”、第三章“機械與傳動裝置”等。但是，該教材中對技術的介紹是從理論應用的角度出發的，而幾乎沒有讓學生親自體驗實踐、完成工程或技術項目的活動。相比而言，我國的物理教材更重視學科內部邏輯體系和從理論的角度談技術應用。在技術和工程方面，讓學生親自制作、自主設計的活動很少。這樣的設置仍然使學生從理論知識的角度來看待技術和工程，而難以自覺主動地應用技術和從工程的角度思考并解決問題。

物理教學中的STEM教育

1.在物理教學中應用技術

現代信息技術在物理教育中已經得到廣泛應用。例如，使用計算機及相關軟件、傳感器、移動設備、網絡等輔助物理教學。使用計算機和傳感器進行物理實驗，既能夠提高實驗精度，又可給學生以實時反饋，提高教學效率，在日常教學中已經大大普及。比起教師在講臺上通過技術設備進行演示，學生親自使用技術設備學習物理（包括進行實驗）的過程更有助于他們體會物理和技術的關系和培養他們自覺應用技術的意識。例如：在物理探究活動中通過網絡搜集信息、展開自學；在處理實驗數據時利用Excel軟件；等等。又例如：一些智能手機和平板電腦只要安裝相應軟件，就可以測量加速度、磁感應強度；使用手機或平板電腦上的攝像頭錄像，再通過軟件分析錄像中物體的運動規律[3]……這樣的例子還有很多。隨著智能手機和平板電腦等便攜式移動設備越來越普及，學生可以利用這些技術隨時隨地展開物理實驗和探究。

2.在物理教學中有意識地滲透工程和技術教育

比較NGSS和我國物理課程標準，NGSS不僅要求學生了解技術、利用技術學習物理，還要求學生親自參與工程設計和應用技術，并在實踐、體驗的過程中對工程和技術形成一定水平的認識；我國目前仍主要是從知識應用的角度了解技術和利用技術為物理教學服務，重點放在理論知識的學習上，而忽視對技術應用和工程設計本身的體驗和深入學習。物理和技術、工程有密不可分的聯系。在物理教學中，只要潛心挖掘，利用現有的教學資源，就可以開發出讓學生既能體驗工程設計和技術應用的過程，又能加深對物理內容理解的學生活動，體現STEM教育的整合思想。舉一個簡單的例子：在初中學完溫度相關內容后，布置作業給學生，讓他們在幾周內完成課題“自制液體溫度計”。如果想在較長時間內比較準確地測量出溫度高低，學生需要克服各種困難，解決實際遇到的問題，如“使用哪些身邊容易獲得的物品進行制作”、“如何使玻璃泡和細管的連接處不漏氣”、“如何避免溫度計中液體蒸發”、“怎樣給溫度計標上刻度”等。最后比較不同學生制作的溫度計，討論誰的溫度計材料易得、成本較低且測量較準確。經歷了自制溫度計的過程，學生不僅對工程設計和技術應用有了初步的實際體驗，對溫度計的原理、攝氏溫標，甚至氣壓等相關物理知識的理解也會更加深刻。中學生畢業后無論進入大學深造還是步入社會就職，都應該不僅僅能夠進行理論方面的推演和探究，還有能力實際動手操作、發現并主動應用知識和技術解決遇到的現實問題。在國際科學教育領域，重視學科間的聯系與整合、培養學生的科學技術素養也是主流觀點。由此看來，在物理教育中體現STEM教育是未來的發展方向，值得認真思考和研究。在我國主要為分科物理課程的大背景下，如何借鑒國際上已有的資源，開發適合我國的教育資源，在物理教育中有意識地滲透STEM教育，需要同仁們的努力探索。

作者：范佳午樊方園工作單位：北京海淀區教師進修學校北京三帆中學