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基于STEM理念的初中物理項目化學習 案例設計及實踐研究
發布時間：2022-10-12 15:37
目錄
第一章緒論 -1-
1.1研究背景 -1-
1.2研究目的與意義 -2-
1.3研究的目標與內容 -3 -
1.4研究方法 -4-
1.5研究技術路線 -5 -
第二章STEM教育的研究綜述 -7-
2.1STEM教育的國內外研究綜述 -7-
2.2物理課程中融入STEM教育的研究綜述 -11 -
2.3相關概念界定 -11 -
2.4本章小結 -12 -
第三章 基于項目學習的STEM教育理論基礎 -13 -
3.1社會建構主義 -13-
3.2杜威實用主義 -13-
3.3布魯納教學目標分類法 -14-
3.4多元智能發展 -14-
3.5本章小結 -14 -
第四章在物理課程中融入STEM教育的路徑分析 -15-
4.1中美物理課程目標與STEM教育的契合度 -15-
4.2美國物理課程內容與STEM教育的聯系 -16-
4.3中國義務教育物理課程內容與STEM教育的聯系 -20-
4.4物理課程融入STEM教育的路徑分析 -22 -
4.5本章小結 -27-
第五章初中物理中基于項目的STEM案例的設計 -29-
5.1基于STEM理念的“雙控開關電路”項目設計 -29-
5.2基于STEM理念的“潛水艇的設計和制作”項目設計 -32-
5.3基于STEM理念的“測量生活中物質的密度”項目設計 -35-
5.4基于STEM理念的“按壓式噴水壺的設計與制作”項目設計 -37-
5.5本章小結 -40-
第六章STEM教學案例的實施與評價 -41-
6.1“測量生活中物質的密度”案例實踐及效果評析 -41-
6.2“按壓式噴水壺的設計與制作”案例實踐及效果評析 -49-
6.3中學物理中滲透STEM理念的結果反饋 -56-
6.4本章小結 -57 -
第七章 結論與反思 -59-
7.1研究結論 -59-
7.2不足與展望 -59 -
參考文獻 -61-
致謝 -65-
附錄 -67 -
附錄1項目工作單和評價表 -67-
附錄2教師與學生訪談提綱 -84 -
附錄3 訪談實錄 -86 -
附錄4部分學生項目工作單、評價表照片 -89-
個人簡介 -97-
第一章緒論
1.1研究背景
1丄1 STEM教育的興起與發展
進入21世紀后，科學技術與國家經濟的發展、社會的進步息息相關。因此具有科學、工程、 數學和技術類的人才已經成為了具有全球競爭力的關鍵。美國在20世紀80年代時，意識到要讓 下一代能夠適應科學技術和社會生活的急劇變化，自那時以來，美國對STEM教育的關注度也越 來越大。STEM最早是在1986年的《本科的科學、數學和工程教育》中提岀，視為美國STEM 教育的開端。2006年，時任美國總統的布什發布了《美國競爭力計劃》，提岀培養具有STEM素 養的人才是全球競爭力的關鍵。后來的美國歷任政府對STEM教育的重視只增不減，在STEM教 育的投入也逐年上升。美國對于STEM教育的重視，也讓其他國家看到了 STEM教育在培養人才 方面的長處與優勢，也進行了 STEM教育政策的部署和實施。
時至今日，中國在近幾年也逐漸意識到了 STEM教育在培養人才方面所具有的優勢。面對現 在知識經濟全球化水平、復雜性和合作性不斷增強的局勢，國家想要有效應對世界科技的迅猛發 展和綜合國力的激烈競爭，提升國際地位和影響力，我國的人才也必須具有適應這種變化的素養。 2016年6月，我國教育部頒布的《教育信息化“十三五”規劃》明確指出，“要積極探索信息技術 在跨學科學習（STEAM教育）、創客教育等新的教育模式中的應用，著力提升學生的信息素養、 創新意識和創新能力，促進學生的全面發展”。
2016年9月，中國教育部公布的《中國學生發展核心素養》總體框架，將落實立德樹人的目 標落到實處。中國學生發展和核心素養以培養“全面發展的人”為核心，分為文化基礎、自主發 展、社會參與三大方面，綜合表現為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實 踐創新等六大素養。可以看出，國家在人才培養上不僅僅停留在知識層面，對學生的一些實際動 手能力、思維能力、創新精神和情感體驗等方面也做岀要求。學生發展核心素養從本質上講就是 為培養學生在面對復雜問題時，能從容運用課程整合知識應對并解決問題的品格和能力。而STEM 教育的本質就是要培養學生解決復雜問題時綜合地運用各學科知識的能力。由此看來，STEM教 育與學生發展核心素養培養在目標上是一致的。因此可以看出開展STEM教育是發展學生核心素 養，培養學生成為一個全面發展的人的有效方式之一。2017年6月20日，中國教育科學研究院 發布《中國STEM教育白皮書》，分析了當前我國時代背景、國際背景以及我國的產業及人才背 景，提出在當前社會的轉型下，要加大力度培養具有創新思維和高水平技能的人才，這樣才能在 激烈的國際形勢中占據主動地位。
當今世界的形勢正處于激烈的變化之中，這種變化不僅僅存在于現階段，并且會持續相當長 的一段時間。我國想要在劇變的形勢中穩住陣腳，需要的是人才的不懈努力。而這種人才，就是 能夠有創新意識，能夠運用綜合學科知識來解決復雜問題的人。因此，實施STEM教育是必要的。
1.1.2我國物理教育的現狀
具體到物理學科來說，物理課程的目標就是培養學生的物理核心素養。為了使廣大教師在培 養學生的核心素養時更具有操作性，義務教育物理課程標準將物理核心素養細分為四個層次，分 別為物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任。物理學作為自然科學領域的一門基礎學 科，對我國培養技術性和創新型人才上起到至關重要的作用。
目前我國受到應試教育的影響，教師在課堂上的教學方法單一，大多運用講授法，即通過口 頭言語完成對學生知識的傳授，學生較少通過自己動手在探究活動中建構知識，這與物理學科的 本質相違背。物理學是一門以實驗為基礎的科學，脫離實驗或實踐生活中的學習，學生即使能夠 掌握物理課本上的知識，也很難發展其他必備的思維與素養，如批判性思維，創新精神和實踐能 力等。另外，學科之間的割裂較為嚴重。分科教學雖然提高了教學效率，但是學生在這種模式下 比較難用整體的思想去看待世界。因此在分科教學的基礎上，還需要加強學生的跨學科學習，掌 握一些實用基本的學科知識，也要提高學生對學科之間有機聯系的認識，會用整體的眼光去解決 實際問題，增強問題解決能力。
通過在一些本科生和中學生的上課過程中還發現幾個問題。第一，知識與實驗相脫離的現象 時常發生。有時學生在實驗時僅僅是遵循實驗指導書的流程進行實驗，實驗在出現現象或者做出 預期數據后就算完成實驗，并沒有深層次地思考實驗與物理知識的聯系，即為何出現這種現象， 為何會得到這樣的數據。第二，知識、實驗與生活的聯系不密切。物理學科與生活息息相關，生 活中處處有物理，物理能解釋很多生活中的現象。很多學生都會書本上的知識，卻不會利用書本 上的知識解決實際問題。第三，在面對一些生活中較為復雜且結構不良的實際問題時，學生往往 無從下手，無所適從，缺乏一些基本的工程技術素養。
因此，在物理課程中融合STEM教育，不僅可以加強學生對物理知識的掌握，更重要的是在 這個過程中，學生主動建構知識，探索這個世界，知道物理與生活的聯系；培養基本的STEM素 養，增強學生解決實際生活問題的能力；培養學生的創新精神，讓學生適應未來社會的復雜變化°
1.2研究目的與意義
1.2.1研究目的
通過擬設計多個STEM項目，推進項目化學習在初中物理教學中的應用，讓學生在項目化學 習中提高跨學科素養，提高工程技術等實用學科在教育中的參與度。在與生活聯系密切的項目學 習中，學生通過解決實際問題，發展高級思維能力、合作能力和實踐能力，增強學生的核心競爭 力，提升初中學生的STEM素養。
1.2.2研究意義
（一）理論意義
首先，梳理項目化學習和STEM教育的文獻，了解當前其領域的發展現狀，總結出當前初中 實施STEM教育的優勢與不足。其次，對初中物理課程融入STEM教育的路徑進行分析，探索實 施STEM教育的方法與可能性，最后，擬設計4個基于物理學科提出驅動問題的STEM項目，豐 富初中物理教學實施STEM項目化學習的案例庫。
（二）實踐意義
本研究的實踐意義可以分為兩方面進行闡述。對于中學物理教師來說，本研究為中學物理教 師實施STEM教育提供參考。我國還沒有正式提出STEM教育，在STEM教育的培訓方面還有 所欠缺，而STEM教育要求教師用跨學科的視角對教學內容進行整合，這對教師本身的能力也提 出了挑戰，通過案例設計可以為教師實施STEM教育提供一些新思路。對學生來說，在物理學科 中實施STEM教育，不僅能豐富學生的學習方式，還可以加深學生對物理學科的理解，用整體的 眼光去看待世界，提升實際問題的解決能力。具備這種跨學科知識和技能的學生，更能適應未來 社會的發展，在各個方面都更具有競爭力。
1.3研究的目標與內容
1.3.1論文研究的目標
對STEM教育和項目化學習與物理學科的整合的相關文獻進行整理，梳理當前STEM教育與 物理學科融合的研究現狀，對物理學科中應用STEM教育的可行性進行分析。根據課程標準和教 材內容擬設計4個項目化學習案例，在中學進行案例應用，驗證項目化學習案例的有效性。對實 踐效果進行分析，形成研究結論，擬對STEM教育在物理學科中的應用進行理論補充。
1.3.2論文研究的內容
（-）STEM教育理論研究綜述
通過文獻研究法，對國內外STEM教育、項目化學習、物理課程融入STEM教育的相關文獻 進行綜述，了解當前現狀，總結出STEM教育與物理學科整合研究的不足。對相關概念進行界定。
（-）物理課程中融入STEM教育的路徑分析
通過對中學物理的課程性質、教學內容和教學目標的剖析，對物理課程與STEAM教育的結 合進行路徑分析。
（三） 初中物理STEM教學案例的設計
根據課程標準與物理教材內容知識，擬設計4個基于項目的STEM教學案例，從實施流程、 教師活動、學生活動、教學資源，以及項目的教學形式進行詳細的介紹。
（四） STEM教學案例的實施與評價
將設計的案例在初中實施，擬設計需要學生填寫的工作單和教學評價表，對項目案例的有效 性進行評估。
1.4研究方法
1.4.1文獻研究法
文獻研究法主要指搜集、鑒別、整理文獻，并通過對文獻的研究形成對事實的科學認識的方 法。本文通過文獻研究，梳理基于項目學習的STEM教育的研究現狀。觀照一些權威機構以及學 者對STEM項目學習的理解，對STEM教育和項目化學習的內涵進行界定。了解一些STEM教 育與項目學習的特征與模式，為做后續研究打下堅實的基礎。
1.4.2觀察法
觀察法就是研究人員通過自己的感官和一些輔助功能根據直接對被研究對象進行分析和觀 察，獲得資料的一種研究方法。在實踐過程中，需對學生在學習過程中的表現進行觀察，如工具 的規范使用、科學語言的運用、學生學習的熱情與參與度等，必要時做記錄，有助于過程性評價 的形成。
1.4.3訪談法
訪談就是研究型交談，是以口頭形式，根據被詢問者的答復搜集客觀的、不帶偏見的事實材 料，以準確地說明樣本所要代表的總體的一種方式，尤其是研究較為復雜的問題時，需要向不同 類型的人了解不同類型的材料。在本文中，項目實踐后，對學生、一線教師進行訪談，從而評估 STEM教育融入物理教學中的實踐效果。
1.4.4行動研究法
行動研究是指在自然、真實的教育環境中，教育工作者根據一定的操作程序，綜合運用多種 研究方法和技術，以解決教育實際問題為首要目標的一種研究模式。在項目實施過程中，將設計 好的項目按流程在課上進行實踐，并進行效果的分析。
1.5研究技術路線
根據研究內容和方法，本研究的技術路線如圖1-1所示。
圖i-i論文研究技術路線示意圖
第二章STEM教育的研究綜述
2.1STEM教育的國內外研究綜述
2.1.1STEM教育的國外研究現狀
STEM教育起源于美國，經歷了從STS-STEM-STEAM的幾個發展階段。⑴在美國與其他國 家近幾十年的不斷發展，STEM教育也逐步完善，不少國家也將其視為提升綜合國力的重要因素， 將其提升為國家戰略的層面，不斷加大STEM教育方面的投入。
1986年，美國國家科學委員會(NSB)就發布了第一個關于STEM教育的指導性文件《本 科科學、數學、和工程教育》，該文件肯定了 STEM教育的價值，成為美國STEM教育的開端。 2006年之后，美國政府發布《美國競爭力計劃》(American Competitiveness Initiative),指出：要 通過創新引領世界，知識經濟時代的教育目標之一就是培養具有STEM素養的創新人才，美國的 STEM教育開始快速發展。由于STEM教育的優越性，此后美國教育部和其他政府部分又頒布了 一系列的政策來保障STEM教育的實施，女口《學術競爭力報告》(Report of the Academic Competitiveness Council) ＞《2010 年美國競爭再授權法》(America Competes Reauthorization Act of 2010)、《聯邦 STEM 教育五年戰略計劃》(Federal STEM Education 5-Year Strategic Plan)等系列 文件，從STEM的師資培訓、資金來源、模式平臺搭建、政府角色來保障STEM教育的實施。一 直到近幾年，美國對于STEM教育的重視只增不減。美國STEM教育國家研究院已經開始對實施 STEM教育的教師、學校和地區頒發證書，肯定STEM在國家教育中的地位。2016年，美國研究 所和美國教育部聯合發布了《STEM2026： STEM教育新愿景》指岀STEM教育在美國未來十年 的發展方向，對美國的未來的STEM教育發展產生深遠的影響。美國新課標CCSSC全稱Common Core State Standards)和美國下一代科學標準 NGSS (全稱 The Next Generation Science Standards) 相互呼應，均體現對學生“能力為本”的特別重視和密切關注。卩］
在加強對STEM教育重視的同時，社會上對增加人文藝術教育的呼聲越來越強烈，入文藝 術不僅能夠增加STEM的趣味性，更重要的是有益于培養全面發展的未來社會合格公民。2010 年美國維吉尼亞科技大學學者格雷特•亞克門(Georgette Yakman)第一次提岀將A(藝術)納入到 STEM中，A廣義上包括美術、音樂、社會、語言等人文藝術學科。⑶此外，亞克門教授還構建 了 STEAM教育框架，設計STEAM教學過程卡，并開展STEAM教育的培訓認證。對STEAM 教育中各學科的聯系做出新的闡釋：通過工程、藝術去理解科學、技術，數學作為貫穿其中的工 具。同
隨著STEM教育所帶來的潛在價值與效益越來越顯著，加拿大、澳大利亞、以色列、中國、 韓國、馬來西亞等國都通過不同形式的教育實踐參與到STEM教育改革中。在Springer數據庫 中以“STEM”和“education”為關鍵詞進行文獻檢索，將條件設置到教育領域，可以得到27919 條結果。其中有11965條是發表在期刊上的文章，通過對2001到2021年每一年STEM文章數量 的統計，可以得到如圖2-1所示的發表數量折線圖。
2001-2021在Springer數據庫中發表有關STEM的
文章數量
1400
400
126 134 150 120 -- 亠
0 -■ ■■- -
2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017 2019 2021
圖2-1近二十年國際STEM文章發表數量
從圖2-1可以看出，國外近二十年的STEM文章數量一直呈現上升趨勢，說明國外對STEM 教育的重視程度也是只增不減。
STEM教育是一種跨學科教育，在不同的教學方式和不同的學科內都有廣泛的應用。在對
Springer數據庫中近二十年的STEM文獻進行學科分類后，得到如圖2-2所示的餅狀圖。
歷史教育STEM文獻中各學科的數量 科學哲學3%
3%
醫學教育
5%
圖2-2 STEM主題下各學科的文獻數量
從圖2-2可以看出，國外在科學教育中應用STEM理念較多，其次是教育技術學科，隨后是 數學學科。在這么多學科中，科學課程與生產生活的聯系是最為密切的，因此在科學課程中培養 學生的STEM素養也是最為現實有效的,這對我國在物理學科中實施STEM教育提供不少有效案 例和教學參考。
2.1.2STEM教育的國內研究現狀
目前我國STEM教育雖然處于起步階段，發展尚未成熟，也還沒有正式地提出STEM教育相 關的政策，但是通過文獻檢索發現近年來有關于STEM教育的論文數量呈上升趨勢，說明我國廣 大教師和學者對STEM教育已經有所認識，對STEM教育的關注度也越來越高，同時也對STEM 教育在我國的實施進行積極的探索。通過對文獻的整理，將STEM教育的研究現狀分為兩大類， 即對STEM教育理論的研究分析和STEM教育在我國中學物理學科滲透的探索。
STEM教育理論的研究分析主要從以下幾個方面進行研究分析。包括STEM教育的起源與發 展、對美國STEM教育的分析、模式的特點、價值取向、實施STEM教育的意義與優勢等。范文 翔和張一春對美國開展STEM教育的一些特點進行梳理，分析了美國STEM教育的發展，對美國 的STEM的特點進行了總結：聚焦現實世界存在的問題與困難、通過工程設計流程(EDP)制定 解決方案、通過協作學習開展開放式探索、鼓勵答案的多樣化，認可失敗的意義。⑴龍枚和趙中 建從美國國家競爭力的視角介紹STEM教育的貢獻。STEM教育可以有效提升國民素質，能夠有 效提高民眾的科學文化和技術水平；STEM教育是就業與收入均衡的推動器；最為重要的是技術 創新的驅動力，可以有效提高國家科技水平，保障國家安全。〔5］趙慧臣和陸曉婷通過訪談美國 STEAM教育知名學者格雷特•亞克門教授，亞克門教授介紹了在實施STEAM教育時學生與教 師的角色，在實施STEAM教育時要提前做的準備，如安排教學流程，設計STEAM教育過程卡 等。為我國實施STEAM教育提出建議：在顯示STEAM教育成效時要善于利用科學技術；教師 要善于將自己的課程轉變為STEAM課程的組成部分，邀請專家共同開展教學；教育者要不斷提 高自身的教學設計能力。冏秦瑾若和傅鋼善對STEM教育的價值取向也做出總結：多學科交叉融 合；基于真實情境，回歸現實生活；重視學習過程，加強學習體驗；技術要作為支持工具開展學 習活動。⑴唐小為等人分析整合STEM發展我國基礎科學教育的意義與可能路徑，提出了實施 STEM教育時的策略與建議：原理與所學概念相關性較強時，采用工程框架整合思路；注重科學 探究與工程設計的有機結合；針對特定科學內容開發設計即探究性整合課程。R］
還有很多學者從核心素養的培養與STEAM教育的關系進行論述。崔鴻等人將STEAM教育 在核心素養不同方面和不同層級中起到的作用進行闡述，結合基礎教育的現實與挑戰，對基于項 目的STEAM學習展開探析。【9］袁利平等人論述了 STEAM教育與核心素養的對接，對STEAM 教育與核心素養的對接的必要性進行了分析，STEAM教育是全球化和信息化社會發展的內在要 求，是科技與人文融合發展的必然趨勢，是教育目標轉化教育現實的必然要求。同時也對路徑進 行了總結：開發主體課程；創造真實情境；發展多元評價。［呵
2.1.3項目化學習的相關研究
美國巴克教育研究所對基于項目的學習(項目化學習)的描述是：一套系統的教學方法，它 是對復雜、真實問題的探究過程，也是精心設計項目作品、規劃和實施項目任務的過程，在這個 過程中，學生能夠掌握所需知識和技能。項目學習是一種相對長期的活動，該活動可以是個人 獨立完成的任務，也可以是合作完成的任務，如：設定研究計劃和問題，通過收集、分析、口頭 或書面資料匯報展開實證研究或文獻研究，從而實施項目計劃。
項目化學習作為一種促進學生合作探究和問題解決，發展學生自我導向能力的創新教學方法, 有其獨到的優勢而被廣泛應用。我國也有很多對項目化學習的研究，目光集中在其內涵特點、應 用模式、意義研究和案例實踐上。胡紅杏詳細論述了項目化學習的內涵、特點、實施依據和意義。 項目化學習有以下幾方面的特征：問題性、合作性、探究性、真實性、過程性。開展項目化學習 有助于學生科學和人文精神的養成、發展學生的學科核心素養和學科能力。【⑻劉景福等人對項目 化學習的定義和內容也做了闡述，并總結項目化學習的7個特征：有一個驅動的問題、有最終的
作品、關注多學科交叉的知識、強調學習生活中的合作、學習具有一定的社會效益、學習是在現 實生活中探究、學習要用到多種認知工具和信息資源。高志軍等人研究了基于項目的學習模式 在教學中的應用。總結了在教學中實現教學效果的四個領域：獲得知識并應用、交流、協作、獨 立學習，每個領域都有對應的學習結果與所能開發的技能。提出在教學中有效應用項目化學習的 流程策略以及在項目中的注意事項及教師角色。董艷等人基于問題式學習和項目化學習整合的 角度，提出一種促進跨學科學習的產生式學習模式。該模式具有以下優勢：明確學習的核心在于 生成和產生、減少教師對PBL模式選擇時的迷茫、強化學生的知識和素養獲得效果、促進學生的 全面發展和跨學科交流合作。同時也提出該模式的幾點不足：缺乏運行機制的研究、教師的培訓 研究、面向不同載體的模式研究。侯肖，胡久華在化學課堂中實施項目學習，論述了在常規課 堂中設計項目學習的步驟：從確定項目到規劃項目，項目的確定需要有課程標準，教學內容等作 為支撐，生活中的實際問題作為項目的來源。項目的規劃需要三個階段，拆解項目、規劃課時與 安排、系統審視及優化設計。最后還對常規課堂中實施項目學習的一些常見問題進行對策分析。
［17］
2.1.4基于項目化學習的STEM教育研究
一般來說，實施STEM教育有兩種基本模式，基于項目的學習和基于問題的學習。除了基于 項目的學習和基于問題的學習外，國內也有很多學者在這兩者的基礎上，融合了本土的一些教學 方法，根據實際的教學情況開創形成新的教學模式。
董澤華等人論述了基于項目學習的STEM教育整合課程實施路徑，從三大議題出發探索了 STEM項目學習的可能實施路徑，包括有效的STEM項目活動設計、指向學生參與的STEM教學 實踐、為了學生STEM跨學科學習的評價。說］余勝泉和胡翔提出了一個STEM跨學科項目設計 模式，該模式包括：教學分析、具體的學習項目、在項目過程中的工具與資源、學習過程的支架 設計、學生活動的設計、學習評價的設計、總結與強化練習和最后的項目方案實用與改進。［切 李王偉等人探索了作為一種學習方式的STEAM教育的可能路徑：“工作坊”。“工作坊”是一種 集體驗式、參與式、互動式于一體的學習模式，它能夠將所學知識融會貫通，參與者在其中可以 獲得豐富的成長體驗。還設計了基于工作坊的九大STEAM項目化學習流程和學習框架，使學生 的學習過程可視化、情境化、智能化和信息化，有利于學生創新能力和創造性思維的培養，具有 很強的實踐意文。［呦傅騫等人將STEM教育分成驗證型、探究型、制造型和創造型四種不同的應 用模式，各個模式又分為支架式和開放式，要用小組協作的方式展開。詳細論述四種模式的應用 情境和基本步驟。這四種模式各有優勢，能夠契合多種教學情境，能夠很好地適應我國的教育現 狀。0）胡衛平等人論述了中小學STEAM教育體系的建構與實踐。為了實施有效的STEAM教學， 需要設計有效的項目學習過程、基于證據的STEAM教學過程、在工程設計環節需要遵循CDIO 理念。還需要關注STEAM教師的發展，促進教師的課程設計和實施能力的提升。［叩謝麗和李春 密基于當前我國STEM教育改革的現狀和STEM教育的理念，引進國外的6E設計型學習模式， 即參與（Engage）、探索（Explore）、解釋（Explain）、工程（Engineer）,深化（Enrich ）、評價（Evaluate）。 將物理課程的每個項目分解為六個階段，在不同階段滲透不同的教學目標，能夠在實施STEM教 育時有個清晰的導向，而不會顧此失彼，真正的做到整合不同的學科，更好地發展學生的學科素 -10 -
質。3秦德增等人從核心素養的角度研究了 STEAM的跨學科融合模式，論述了核心素養與 STEAM各學科之間的關系，STEAM教學目標和內容要以核心素養為導向和依據。提出一個以核 心素養為基礎的STEAM跨學科融合框架，同時還對評價體系的建構提出要求。㈡］
2.2物理課程中融入STEM教育的研究綜述
STEM教育在我國己經開始蓬勃發展,理論的構建逐步完善，各個學科的教師都嘗試將STEM 教育滲透到教學中。在知網以“STEM”和“教育”為關鍵詞進行檢索，可以得到10464條結果， 文獻數量較多，近幾年相關文獻的數量也在逐年增多，說明國內教育學術界對于STEM教育的重 視程度也在不斷增加。但是，再將范圍縮小到物理學科范圍內，得到318條結果（其中有80篇 碩士論文），占文獻總數的3%左右，對比國外在科學課程中實施STEM教育的比例一一30%,就 稍顯不足。但是，在國內，也有部分學者和一線教師對STEM在物理教學中的實施做出探索，設 計了很多值得借鑒與參考的STEM教學案例。
劉健智等人設計了 “測量物質的密度”的STEM教學案例，在其中應用傅騫等人提出的“從 驗證到創造”中的驗證型模式，從實際問題出發，培養學生的STEM素養。【均王曉錯，高永偉在 高中“共振”教學中，運用自制教具和傳感器，體現學生STEM素養的培養。a】于一真等人介紹 了華盛頓的高中紙船項目，對STEM的教學特點和教學模型進行分析，為我國的STEM教育實施 提供參考。Ml曹陽等人在STEM視野下，對比了中英物理教材在“動量和動量定理”部分的教學 目標、知識導入、知識點等方面的異同，分析兩國教材的優勢與不足，為設計高質量的STEM課 程提供借鑒。口8］
還有許多具體的STEM教學案例，唐建華設計了物理復習課中開展STEM項目的案例——凸 透鏡成像規律。［旳溫榆華等人設計了滲透STEM教育的高中物理教學設計——以油膜法估測油酸 分子直徑。陸衛兵設計了融入STEM的初中物理綜合實踐活動的教學一一簡易密度計的制作。BO］ 耿紅設計了 STEM與物理教學融合對接的案例一一探究面團的導電性。⑴］段煉等人設計了基于 STEM教育模式的高中物理教學——生活中的圓周運動等等。
2.3相關概念界定
2.3.1項目化學習
杜威對項目化學習的定義是在社會環境中發生的、全心身的、有計劃的行動。美國巴克教育 研究所對項目化學習的定義是基于項目的學習是指讓學生通過對復雜、真實問題的探究過程，通 過精心設計項目作品、規劃和實施項目任務，掌握所需知識和技能的一整套系統的教學方法。巴 克教育研究所把以課程標準為核心的項目學習定義為一套系統的教學方法，它是對復雜、真實問 題的探究過程，也是精心設計項目作品、規劃和實施項目任務的過程，在這個過程中，學生能夠 掌握所需的知識和技能。項目學習的“項目”既可以是一至兩周的班級內單學科小項目，也可以 是長達一年的、多學科的大項目，這些大項目可能會需要社區和校外成年人的參與。⑴］
巴克教育研究所對于項目學習所下的定義已經較為全面，筆者認為目前國內的教育現狀下， 要發展項目化學習，可以先從單學科出發設計幾個與貼近教材和課程標準的小項目，項目時間可 以是一至兩周，解決與生產生活中與物理相關的實際問題，在這個過程中，學生能夠掌握所需的 知識和能力。
2.3.2STEM 教育
STEM 是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、和數學(Mathematics)四門學 科的簡稱，強調多學科的交叉融合。STEM教育并不是科學、技術、工程、和數學教育的簡單疊 加，而是要將四門學科內容組合形成有機整體，以更好地培養學生的創新精神與實踐能力。[19]
而后續的發展中，將藝術(Art)也融合進STEM教育中，這樣有助于學生更好的認識和改 造世界。由于筆者對藝術學科的理解還不到位，因此在研究中沒有將藝術素養融合到項目學習中。
科學素養是對自然界包括物理、化學、生物這些學科相關的事實原則、概念或習俗的處理與 利用的一種能力。技術素養是指學生能通過技術認識和改造這個世界的一種能力。工程素養是指 能通過科學知識和技術手段研究、設計、開發、制作出目標產品的一種實踐應用能力。數學素養 是指能夠應用數學模型及計算方式解決科學、工程和技術上的現實問題的能力。
各個學科的地位與聯系：以數學為基礎，通過工程和藝術解讀科學和技術。科學支持人們認 識世界的規律;工程與技術支持人們根據社會需求改造世界;數學則為人們發展與應用科學、工程、 技術提供思維方法與分析工具。
2.4本章小結
綜上所述，我們可以看出，國內對STEM教育的研究數量也在這幾年迅速增長，STEM教育 的發展也在朝著良好的方向發展。也有很多學者和教師嘗試在物理學科中融入STEM教育，出現 了很多具有參考價值的STEM教學案例。
但是，目前物理學科融入STEM教育還是有一些不足：1.STEM教育在我國快速發展，物理 也是比較適合開展項目學習的學科，但與物理學科結合的研究并不多；2.在項目的設計上，目標 和內容的設計缺乏依據，過程的設計還不夠細化深入，項目的目標和內容設計不夠緊貼教材與課 程標準；3.對于STEM教育各學科的理解還不夠深入，學科之間的聯系和重點不夠突出；4.缺少 細致的教學評價機制；5.項目設計與生活的聯系不夠密切；6.較少有教師將案例應用到實踐教學 上。因此，國內基于項目的STEM學習還需進一步完善，在物理學科上的應用案例也有待進一步 開發與探索。
第三章基于項目學習的STEM教育理論基礎
基于STEM理念的項目學習對于我們傳統教學來說，是一種比較新的教學方式。不同于科學 探究，項目化學習要求學生基于真實問題，通過一些科學知識，技術手段，工程思維和數學運算 在活動中解決問題或者制作產品，這種學習方式不僅能夠調動學生的學習積極性，也能豐富學生 的課后生活，對物理學科產生新的認識。研究分析社會建構主義、杜威實用主義、布魯納的教學 目標分類法和多元智能理論對基于項目的STEM教育在中學物理中的實施有很深的影響，它可以 作為物理學科和STEM教育融合的打下堅實的基礎，為項目學習在物理學科中的順利實施提供幫 助。
3.1社會建構主義
讓學生在基于項目的學習培養STEM素養，就是學生在項目學習中主動構建自己的知識并且 促進素養的形成。社會——文化建構主義與個人——認知建構主義相反的是，它將心理定位于社 會中的個人行為。社會建構主義認為，學習首先是進入某一實踐共同體的文化的過程。社會建構 主義特別強調兩個領域：一是與比較有知識的其他人在最近發展區的社會交互作用；二是以文化 方式發展的文化系統（即語言作為建構意義的心理工具）。知識不是通過教師傳授得到，而是學 習者在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人（包括教師和學習伙伴）的幫助，利用必要的 學習資料，通過意義建構的方式而獲得。項目學習的理論基礎就是社會建構主義，在項目學習中， 學生是學習的主體，教師需要通過項目的設計，讓學生主動地對外部信息進行選擇、加工和處理, 從而獲得自己的意義。項目學習可以很好滿足建構主義所要求的外部環境，對培養學生的STEM 素養和學生知識的建構起到很好的促進作用。P3]
3.2杜威實用主義
杜威的實用主義教育思想體系中，就教育本質來說，他認為“教育即生活"，“學校即社會”。 他認為，教育是兒童生活的過程，需要給兒童提供保證生長和生活的條件。教學論也是一個很重 要的組成部分，即“從做中學”。他認為，教學過程中必須有做的過程，兒童如果能從那些真正 有教育意義和有興趣的活動中進行學習，那就有助于兒童的生長和發展。無論孩子還是成人，都 是在做中學，在做中成長，學習著、探求著、經驗著、生活著。P4]
項目學習強調真實性，項目的選題與生活相貼近，這不僅有利于提高學生的興趣，還能讓學 生在自己動手解決問題中增長跨學科知識，工程、技術等素養也相應得到提高。同時，項目學習 還能夠喚起學生的思維，面對真實、復雜以及結構不良的問題時，學生往往能在情境中得到思維 的發展，這與杜威教學論中的思維與教學的關系不謀而合。
3.3布魯納教學目標分類法
布魯姆教育目標分類法是一種教育的分類方法。教育目標可分為三大領域：認知領域、情感 領域和動作技能領域。在各個領域中又分為不同層次的發展。在認知領域中，可以分為知道、領 會、應用、分析、綜合、評價六個層次的目標。在教育學中，往往將前三個目標統稱為低階思維 目標，后三個稱為高階思維目標。在應試教育的背景之下，高階思維目標的培養往往會被忽視。 開展項目學習培養學生的STEM素養可以有效地培養學生的高階思維能力，學生在項目學習中分 析、模仿制造的過程中，創新能力、實踐能力及批判性思維都可以得到相應地提高。
3.4多元智能發展
多元智能理論是加德納于1983年提出的，并在以后的時間多次加以發展。該理論認為，智 能是解決某一問題或創造某種產品的能力，而這一問題或這種產品在某一特定文化或特定環境中 是被認為有價值的。就其基本結構來說，智能是多元的，每個人身上至少存在七項智能，即語言 智能、數理邏輯智能、音樂智能、空間智能、身體運動智能、人際交往智能、自我認識智能；智 能的分類也不僅僅局限于這七項，隨著研究的深入，會鑒別出更多的智能類型或者對原有智能分 類加以修改。
隨著時代的發展，社會要求教育所培養出來的人才不能僅僅停留在知識層面，還要求人的全 面發展。現階段也強調要落實素質教育。物理課程標準中物理課程的目標的也是要發展學生的物 理學科核心素養，在思維、動手能力、探究能力、態度與價值觀等方面也提出具體的要求。多元 智能發展與核心素養的發展在很多方面都是與STEM教育的思想契合的。因此，基于項目培養學 生STEM素養還有助于學生的多元智能發展。
3.5本章小結
本章主要介紹了基于項目的STEM的理論基礎，通過對社會建構主義和杜威實用主義的分析, 為后期實施項目化學習這種教學方式提供了理論指導，為活動設計、學生素養發展提供現實依據。 對布魯納教學目標分類法和多元智能理論進行分析，為確定項目活動的目標和評價提供了理論依 據，也證明STEM理念在培養學生多方面素養與能力上的優越性，為后文基于項目的STEM教育 的案例設計和實踐研究做好了準備。
第四章 在物理課程中融入STEM理念的路徑分析
4.1中美物理課程目標與STEM教育的契合度
2016年教育部發布的《中國學生發展核心素養》總體框架提出了中國學生的核心素養，包括 理性思維、批判質疑、勇于探究、勤于反思、勞動意識、問題解決、技術運用等。STEM教育倡 導在真實的任務中學習，強調在動手實踐中學習，這種更加綜合的學習將是培養學生這些核心素 養的重要途徑。
具體到物理學科來看，《義務教育物理課程標準》在課程目標中提到，物理課程旨在提高學 生的科學素養。在國際上普遍將科學素養概括為三個組成部分，即了解科學知識；了解科學的研 究過程和方法；了解科學技術對人類產生的影響。在課程標準中則將其分為可操作的四個維度： 知識與技能、過程與方法和情感態度與價值觀。知識與技能方面要求學生認識自然界的物質屬性、 運動與相互作用的規律、各類能量的性質和轉化、基本的物理學發展歷程和初步的實驗操作能力。 過程與方法要求學生能夠對自然現象進行觀察與描述、制定簡單的探究計劃和方案、有一定的信 息處理和互動交流能力。情感態度和價值觀方面要求學生有探索自然界的好奇心、能夠有將科學 技術與生產生活聯系起來的意識、養成面對困難時不輕易放棄的品質、形成正確的科學態度、有 為社會和國家奉獻自己的使命感和責任感。厲］
美國《下一代科學教育課程標準》（以下簡稱《NGSS》）中，也強調了跨學科融合的重要性。 其中提到，以后對于工人的要求，不僅僅是強大的科學知識基礎和專業知識，還要有批判性思維 和研究型的問題解決能力oSTEM教育在美國的課程標準中的具體體現就是科學工程實踐。為此， 美國的科學課程標準將工程設計理念也作為和科學知識、科學探究同層次的一種學習目標，詳細 闡述K-12階段每個不同的時期學生應該掌握的工程理念。由此可見，美國的教育目標也是放在 了多學科知識、實踐能力以及學生的自主學習能力上。
STEM教育最基本的目標就是培養學生的多學科素養，在科學、技術、工程、數學等方面尋 求學生的素養的發展，但又不僅僅局限于這五個學科內的知識。STEM教育最主要的目標還是培 養學生運用所學知識，創造性解決問題的能力。在這個過程中，學生的創新素養和動手能力也相 應地能得到提高。也就是說，和義務教育課程標準要求的一樣，STEM教育并不局限于傳統教育 中知識至上的理念，而是注重學生能力的培養，重視學生的批判思考能力、創造力、問題解決能 力、跨學科思維能力、與人溝通合作的能力等。
綜上所述，不管在美國還是在中國，STEM教育與物理課程的理念都是相契合的，都是以學 生的能力至上，都需要學生經歷主動學習的過程，在此過程中才能有效發展學生的科學素養。除 此之外，在中學物理教學中實施STEM教育還能幫助教師和學生關注到現階段中學教學中所缺少 的基礎技術、工程和藝術素養。現在的教學中，科一一數整合已經相對較為成熟，而科——技、 科一一工整合在教學中較少涉及，因此學生解決實際問題的能力也較弱。實施STEM教育，不僅 可以達到培養初中物理課程標準中所要求的科學素養的目的，還能拾起在中學教育中被忽視的技 術和工程素養，讓學生在解決實際問題和實踐動手能力得到提升，能夠用創新思維去思考問題。
4.2美國物理課程內容與STEM教育的聯系
美國國家科學院為了下一代的兒童能夠適應時代變遷所帶來的科學技術和社會生活的急劇 變化，在1996年推出了《國家科學教育標準》（以下簡稱《標準》），在這部標準當中，“探究處 于核心地位”。《標準》中，對于科學探究的定義如下：“科學探究指的是科學家們用以研究自然 界并基于此種研究獲得的證據提出解釋的多種不同途徑。科學探究也指的是學生們用以獲取知識、 領悟科學的思想觀念、領悟科學家們研究自然界所用的方法而進行的各種活動”。在《標準》中 還對科學探究的含義進行了解釋，其一，科學探究是學習內容；其二，科學探究是一種學習方式； 其三，科學探究是科學指導思想。科學探究其內容是非常豐富的，它是認知、社會、行為等多維 度的實踐活動。但是在科學探究逐漸發展為各個國家參考應用時，對其概念與地位產生的誤解也 逐漸增多。在應用科學探究進行教學時，很容易對其產生片面的理解，例如僅僅是將它看成是一 種科學方法來進行學習。不論是國外還是發展到國內，為了更好地在教學中運用科學探究思想， 也逐步發展岀科學探究五步驟或七步驟，雖然兩國標準都強調探究并非要遵循固定的步驟，但是 在實際科學課堂應用中，還是很容易就直接套用步驟，無需學生的自主思考，僅僅是通過實際操 作，得到數據從而總結出結論。對于將科學探究固化為循規蹈矩的程式，對于科學探究在中學科 學課程的實施確實提供了很大的便利，但是很容易就發展成為教條式的教學流程，這就與科學探 究本身的理念背道而馳。
美國也逐漸意識到該問題的嚴重性，于是，在2011年發布了《K-12年級科學教育框架：實 踐、跨學科概念和核心概念》（以下簡稱《框架》）一書，在該書中，最大的改變就是將“探究” 一詞變為“實踐”。隨后在2013年，在框架的基礎上，美國正式頒布了《下一代科學課程標準》 （以下簡稱《NGSS》），對K-12的各級教學行為表現進行了細致地分類，從小學到中學再到高中， 中學以上的學段將科學內容分為物理科學、生命科學、地球和宇宙科學和工程設計四個學科，對 每個學科的行為表現有一個框架進行進一步的要求。美國科學課程標準是不分科的，其中包含了 生物、地理、物理等學科。由于物理科學與我國課程內容相似度較高，因此只呈現物理科學的行 為表現條目，中學以上學段的整體框架如圖所示如圖4-1所示。
彳 工程設計 ]
圖4-1 NGSS的內容標準的呈現框架
從中可以看出，對于物理科學的科學內容，不僅僅局限于學科核心概念的掌握，也注重科學 工程實踐的作用，還關注到跨學科概念的掌握，例如，在中學物理物質的性質和結構中，不僅呈
現了學生應該掌握的學科核心概念，也對科學工程實踐和跨學科概念的行為表現做出預期和要求, 也越來越重視學生在學習中的主體建構地位和跨學科之間的聯系。例如，在中學力與相互作用一 章中，《NGSS》的行為要求如圖4-2所示。
MS-PS2 Motion and Stability: Forces and Interactions
Students who demonstrate understanding can:
圖4-2每一章的行為表現呈現
從圖中可以看出，美國課標已經將科學工程實踐滲透到物理學科，其中就包含了 STEM理念 中的各學科知識和思想，所以在我國物理學科中滲透STEM教育也是實際可行的。
因此，在進行實際的案例設計時，可以參考美國課標中對科學工程實踐的表述，來規劃設計 項目中的活動與流程。筆者對科學工程實踐、中學物理科學和跨學科槪念三個方面的行為表現準 則做出總結，期望對國內中學物理科學滲透科學工程實踐和跨學科知識提供一些啟示，如表4-1 所示。
表4-1 NGSS中學物理科學內容中的行為表現闡述
科學工程實踐 學科核心概念 跨學科概念
1.提出問題和定義問題 1.物質的結構和性質 1.模式思維
2.開發和使用模型 2.力和運動 2.因果關系：機制和解釋
3.規劃和開展實驗 3.相互作用的類型 3.規模、比例和數量
4.分析和解釋數據 4.能量的定義 4.結構和功能
5.運用數學和計算思維 5.能量的轉化和守恒 5.系統和系統模型
6.構建解釋和設計解決方案 6.力和能量的關系 6.能量和物質：流動、循環和守恒
7.根據證據進行辯論 7.波的屬性 7.穩定和變化
&獲取、評估和交流信息
從表4-1可以看出，在中學科學內容標準中的科學工程實踐其實與現階段中學中的科學探究 有很多的相似之處。雖然在《NGSS》中科學工程實踐不像科學探究有一套基本的流程，但在科 學探究中，滲透這些科學工程實踐的思想是完全可行的。跨學科概念淺層上是學科知識的概念， 實質上是所有學科的通用科學思維，是在項目過程中，學生在跨學科學習中頭腦中所利用到的思 維。
而以“科學工程實踐”取代“科學探究”的進步在于，第一是將探究的重心重新與實際科學 內容相聯系，而不是過分注重實驗流程步驟；二是避免廣大教師在閱讀時對標準內容產生片面的 理解，即認為科學探究僅僅是為了檢驗已知的科學結論的流程，而不是用于解決實際問題的科學 實踐行為；三是避免出現理念上千差萬別的課堂探究教學實踐。這些進步的核心是將開發利用模 型、構建解釋和方案、根據證據進行解釋等科學教育中很少被重視的科學實踐行為拉回到科學教 育的重心上。《框架》一書中，也以一個形象的概念圖描述了科學探究與科學工程實踐的區別與 聯系，如圖4-3所示。由圖可見，科學工程實踐就不僅僅是以實驗為主導的實驗探究活動，而是 包括構建科學解釋過程和社會評價過程的綜合性概念。厲］
科學工程實踐每個條目都有其各自的行為表現，具體表現總結如表4-2所示。
表4~2科學工程實踐的行為表現細目
細目 解釋
規劃和開展實驗
包括使用多個變量并提供證據支持解釋或解決方案的實驗。
將定量分析擴展到實驗，區分相關性和因果關系，以及數據和誤
差分析的基本統計技術.
科學工程實踐
運用數學和計算思識別大型數據集中的模式，并使用數學概念來支持解釋和論證。
維
構建解釋和設計方 包括構建解釋，并設計由符合科學思想、原則和理論的多種證據
案 來源支持的解決方案.
根據證據進行辯論 構建一個令人信服的論點，支持或反駁關于自然和設計世界的解 釋或解決方案.
獲取、評估和交流
評估想法和方法的優點和有效性。
信息
從科學工程實踐的內容來看，國外的科學教育內容其實與STEM教育的理念是基本吻合的， 或者說，在設計科學工程實踐這一方面的行為表現時，就是以STEM理念為基礎來進行設計的。 科學工程實踐中的一些條目就滲透了科學、工程、技術和數學的思想。
跨學科概念非常有價值，因為它們為學生提供了聯系和知識工具，這與學科內容的不同領域 相關，可以豐富他們的實踐應用和對核心思想的理解。跨學科概念也可以幫助學生在科學與工程 中更好的理解核心思想，更好的理解科學和科學工程實踐。在進行教學評價時，科學工程實踐和 跨學科概念是不能分開的，他們都可以有機融合在項目中，學生在項目中可以潛移默化地掌握到 這種聯系不同學科之間的思維方式和知識工具。表4-3是《NGSS》中，對跨學科概念的總結。
表.3跨學科概念的細目
細目 解釋
模式 觀察的形式和事件的模式指導組織和分類，它們提示關 于關系和影響它們的因素的問題.
因果關系 原理和解釋，事物的原因，有時候簡單，有時候復雜多樣，科 學的一項活動是實驗和解釋因果關系及其介導的機制。這種機 制可以在給定的環境中進行測試，并用于在新環境中的預測和 解釋事件.
規模，比例和數 在考慮現象的時候，重要的是認識到什么是相關的不同測量，
量
跨學科概念 大小、時間和能量，并認識到在規模、比例或數量的變化如何 影響系統的結構或性能.
結構和功能 真實物體的形狀及其子結構決定了它的許多屬性和功能。
系統和系統模型 給正在研究的系統下定義一定它的邊界，并為該系統制作 明確的模型，為解釋和測試在整個科學和工程領域都適用的想 法提供了工具.
能量和物質：流動、 跟蹤能量和物質在系統內、系統外和系統內的流動有助于人們
循環和守恒 理解系統的可能性和局限性.
穩定和變化 對于自然的和人為建立的系統都一樣，環境的穩定性條件，變
化率的決定性因素，系統的發展過程，都是學習的關鍵要素。
4.3中國義務教育物理課程內容與STEM教育的聯系
4.3.1科學探究與基于項目的STEM教育的聯系
物理課程內容和STEM教育的聯系主要體現在與STEM各學科內容的聯系。2011年頒布的 初中物理課程標準中，將物理課程中的課程內容分為了科學探究和科學內容兩大部分。
初中物理課程標準中對科學探究能力的要求分為七個方面，這七方面既是科學探究的子主題, 也是科學探究的基本流程。我國的初中物理課程標準將科學探究納入到科學內容中，旨在讓學生 經歷與科學工作者的相似的探究過程，主動獲取物理知識，領悟科學探究的方法，發展科學探究 能力，體驗科學探究的樂趣，養成實事求是的科學態度和勇于創新的科學精神。國內暫時還沒有 對科學工程實踐進行進一步的要求。但是從實行科學探究的目的來看，國內也逐漸地注重學生能
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力和態度價值觀等方面的培養。
與傳統的科學探究相比，基于項目的STEM教育更加注重的是問題的情境性和產品的產出。 科學探究是對未知結論的探索，是要學生通過類似科學研究的方式去學習科學知識，掌握科學方 法和培養科學態度，而STEM教育則是要用科學知識和技術工程手段去解決實際問題，注重問題 的情境性，在這個過程中往往會伴隨著作品的產出，更加注重學生在這個過程中的“動腦”與“動 嘴”能力。
和STEM教育一樣，科學探究也是從問題出發，培養學生的設計能力和實際動手能力。但 STEM教育更加注重學科的融合，在工程設計中要求學生能夠熟練應用科學知識，運用技術手段 去解決實際問題，從而培養學生的創新精神和實踐能力。因此，可以在科學探究的基礎上，實施 STEM教育。例如，在設計實驗與制定計劃主題下，可以引導學生考慮更為宏觀的問題，即整體 實驗流程步驟的設計，設計時所考慮到的現實問題等，即工程素養；在進行實驗與收集數據引導 學生培養嚴謹的態度，即科學素養。在科學探究的基礎上可以滲透的STEM理念如圖44所示。
科學素養科學素養
科學、工程科學、技術、
素養 數學素養
圖4-4科學探究中可以滲透的STEM素養
4.3.2課程內容與STEM教育的聯系
課程內容的第二大部分為科學內容，下表為科學內容的一級主題與二級主題，同時，筆者還
整理了內容要求中，較符合STEM理念的幾個條目，如表牛4所示。
表4-4科學內容的一級主題與二級主題
1.3物質的結構與物體的尺度 (2)用圖形、文字或語言描述原子的核式模型
1.4新材料及其應用
(1)利用常用物品設計實驗，證明組成物質的微粒
作用 2.2機械運動和力 在不停的運動
2.3聲和光 (2)用彈簧或橡皮筋制作簡易的測力計
2.4電和磁 (3) 了解潛水艇浮沉的原理
(4) 了解現代技術中聲學知識的一些應用
(5)利用電磁繼電器制作一個簡易自控裝置
3.能量 3.1能量、能量的轉化和轉移 (1)測量某種簡單機械的機械效率
3.2機械能 (2) 了解蒸汽機、內燃機、汽輪機、噴氣發動機的
3.3內能 基本原理及這些發動機對生產力發展所起的作用以
3.4電磁能 及對環境的影響
3.5能量守恒 (3)調查近年來人均使用電能的變化，討論它與經
3.6能源和可持續發展 濟發展的關系
科學內容與STEM教育聯系最為緊密的就是科學知識。從我國的課標中也可以看出，在活動 建議方面，也逐漸地體現出了跨學科、與生產生活緊密聯系以及關注學生的直接經驗等特點。因 此，教師可以在這些內容的基礎上，設計出符合學生認知水平的項目。同時，課標呈現出來的科 學內容也并不是死板的，而是需要教師思考，如何可以更好地將其與其他學科結合，并且糅合到 一個項目中。
與《NGSS》科學內容相比較，中國義務教育物理課程標準中所呈現的科學內容與美國的科 學課程標準有很大的不同，主要還是在于學生在學習過程中的地位和知識的橫向跨度。美國較為 注重物理學科與其他學科知識的聯系，而中國較為看重物理學科整體的系統性。從對比中也可以 看出，雖然中國實行的是分科教學制，但是也可以與其他的學科適當加強聯系，這樣有利于學生 從整體上去思考問題，在動手的過程中形成物理觀念，還能學習到科學方法，樹立正確世界觀的 同時，提高動手和創新意識，為未來的生活做好準備。
4.4物理課程融入STEM教育的路徑分析
4.4.1基本理念
從上面的分析中我們可以看岀，在教育目標上，初中物理越來越注重學生能力的發展；內容 上，物理知識與實際生活的聯系也越來越密切，因此在物理課程中實施STEM教育在理論上是可 行的。但是在要落實到實際的教學，則需要教師在課前精心地準備。在設計實際的案例時，需要 遵循以下理念：
(-)聯系課本知識
雖然STEM教育注重學生能力的發展，但現如今的中學教學的質量考察還是以期末檢測為主。
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因此，設計項目時不能脫離課本上的知識，要以課本上的知識作為基礎。
（二〉關注學生的現實情況
初中的學生相對高中來說，動手能力和思維的發展還不夠成熟。因此在設計項目時，一定要 考慮到項目中各項任務的難度，如果項目任務確實有些難度，可以將工作單設計地精細一些，將 復雜的任務分為較為簡單的子任務，循序漸進，讓學生一步一步地解決問題。
（三） 明確教學目標
初中的學生還處于較為調皮的階段，在項目進行時，很容易出現偏離教學重點的情況。因此, 教師在教學過程中要積極引導，如果是課時緊張，只能在課后進行，那么可以讓學生遵循工作單 上的步驟，引導學生進行探究，并且在項目過程進行的過程中邊探究邊填寫工作單。
（四） 關注學生的能力發展
STEM教育的理念是關注學生各方面能力的發展，我國的教育評價也強調要多關注過程性評 價，因此教師在進行項目教學時，要設計和保留好工作單，在進行的過程中叮囑學生完成工作單。 另外，現階段的班級人數都較多，教師無法同時關注到那么多學生，因此，在項目進行過程中， 可以用手機支架進行錄像，對于一些沒有關注到的學生，可以通過錄像再進行評價。也可以尋求 其他教師的幫助，教師之間的合作才能使項目順利進行。
（五） 保證學生的主體性地位
不管是從STEM教育的理念和美國的課程標準，還是從我國近年教育理念的轉變趨勢，可以 看出，學生在教學過程是學習的主體，主動進行學習，教師在提出項目驅動問題后，就可以讓學 生自己去進行探究，教師在課堂內就可以進行一些必要的引導，關注學生在學習過程中的表現。
（六） 使用多種評價方式
STEM教育關注到學生素養的發展，因此在評價過程中，要使用多種方式，例如在項目進行 過程中，可以采用小組匯報的形式，也可以采用工作單形式，也要關注作品的產出質量和創新性 等。
（七） 教學過程具有靈活性
雖然STEM教育是由四個學科靈活組合而成的，但是在實際設計中，由于物理課程知識和學 生前概念情況的限制，往往涉及不到4個學科。在這種情況下，不必要求每個學科都能有所滲透， 3個學科的相互促進和融合也符合跨學科學習的理念。
4.4.2教學目標的確定
STEM教育的目的是培養學生的跨學科素養，讓學生能夠學習到STEM各學科的一些基礎知 識，同時也要懂得學科之間的有機聯系，在教學過程中培養創新素養和實踐能力。但在設計實際 的教學案例時也不可脫離實際的初中物理教學目標。因此，在確定教學目標時，不僅僅關注學生 STEM素養的發展，還要注重學生核心素養的發展。圖4-5是教學過程、義務教育課程內容標準 和STEM素養目標三者之間的關系。
4.4.3教學模式
在實際的項目運作中，將項目進行分為三個大階段，再根據項目的不同，靈活設計每個階段 需要完成的任務。在余勝泉的設計模式的基礎上，將教學計劃分為案例設計階段、案例實施階段、 案例反思總結階段。各個階段的任務如圖4-6所示。卩刃
STEM課麵策劃
i教學目標、瞎學科知識| |地圖、學習者持征分析|
工具和材料、細識庫的
準備
；教啊學生的活動設計］
評價表的設計
過程性評價材料收集
實施過程的臘導
總結案例不足
重新設計案例
圖4%案例設計模式
在案例設計階段，教師需要明確教學任務，包括STEM教育的學科知識滲透、初中物理知識 內容的傳授，學生要掌握的能力或素養等。根據教學任務提出與生活相關的核心驅動問題，讓學 生體會到本課題的實用性。還要準備學習過程中需要的材料、知識庫，還有教師的具體活動設計, 最后是評價表設計。
在實際進行的教學模式上，由于項目內容的不同，沒有辦法使用一套固定的流程。因此不設 定一個固定的模式和流程，而是將學生的項目進行分為三個階段，分別為原理探尋、工程設計和 產品產出階段，如圖4-7所示。每個大階段教師都可根據項目實際來設計教學過程，不過在設計 時還是要保證學生在過程中的主體性。
[ 核心驅動冋題 j
原理探尋 設計方案 作品產出
解決問題
圖4-7項目執行階段
4.4.4 STEM素養的體現形式
素養的發展不同于知識的掌握，素養不能脫離具體個體的生命活動而存在，因此一般來說， STEM素養是要求學生在項目活動中得到發展。此外，素養發展也需要通過學生在項目中的行為 表現，或者在以后的學習生活中形成的身心統一的活動。在設計項目時，就可以通過學生的具體 表現來判斷學生素養的初步形成，如表4-5所示。
表4~5 STEM素養的體現方式
STEM素養具體體現
科學（S） 能說出日常生活中的一些物理原理或規律，在解決實際問題時能運用物理知識促進問題的
解決，會說出關于對科學的一些理解，有提出科學問題的能力，能根據證據進行結果論證。
技術（T） 能通過計算機、圖書館等途徑獲取信息，會使用日常生活中的一些工具，能夠說出一些產
品的工作機制。
工程（E） 能設計出解決問題的方案，會在設計產品時畫岀設計圖，能考慮到實際產出成品時的成本
問題，有改進設計的能力，能夠提出實際問題并預估解決方案的限制條件，能評估方案的
有效性。
數學（M） 會用測量工具對物理量進行測量，會利用數學運算能力解決問題，能通過一些圖像描述事
物的性質，在解決問題時會利用數學思維進行計算和評估。
4.4.5教學工作單的設計
要進行形成性評價和總結性評價，必須建立在學生的反饋之上。在項目學習中，主要通過學 生在教學過程中應用模型思維來畫出圖像、對概念的復述和理解、對制作過程的設計能力等等來 檢測學生的知識是否掌握、素養是否得到發展。因此，工作單的作用就尤為重要，它不僅在項目 進行過程中起到引導學生的作用，還起到反饋的作用。在工作單中大致需要包含的內容如表4-6 所示。在實際運作中，可以不用完全按照表來設計，根據項目內容靈活進行調整。
表4~6項目工作單設計參考
姓名日期
一、 項目主題(本次項目要解決什么問題或者制作什么作品)
二、 完成本次任務需要什么物理知識(己經學過的知識)
三、 完成本次任務還需要什么其他的知識(通過什么手段得到什么知識)
四、 整體設計
(1)構思：運用的物理原理等
(2)材料：
(3)工具：
(4)資源：
(5)制作流程
(6)過程中涉及到的物理公式和運算
五、 制作流程(如有條件，可拍照記錄)
六、 制作過程中遇到哪些問題
七、 對自己小組和其他小組的作品評價
小組1：
小組2：
小組3：
八、 如何改進小組作品
九、 相似原理的其他應用
十、本次學習中的收獲
4.4.6教學形式
在雙減政策下，學生課后負擔有所減少，更加強調有效教學，要求教師提高課堂上的效率。 同時，在國內的教育環境下，主要還是以期末考試成績為主要的評判標準，較少關注到學生能力 的發展，因此，占用平時的課程來進行項目顯然不合適。在這種情況下，課堂中滲透STEM理念 可以從題目或者實驗中入手，例如在實驗中可以讓學生去完成一些簡單的小制作，也可以提岀幾 個小問題，讓學生思考，這節課所學習和掌握的物理知識和原理與生產生活的聯系。如果課堂上 較難進行滲透，也可以在校本課程或者課后進行項目，校本課程的時間相對來說較為充裕，同時 教師可以在課上進行指導，可以做一些難度中等偏上的項目；課后進行的話，可以在課上布置任
務，發放設計的工作單學生自行在課后搜集信息和材料進行探究和項目產品的制作，最后在課余 時間進行評價。項目的進行時間則根據難度進行設置。
4.5本章小結
在本章中，通過對中國和美國的課程目標和內容的分析，可以看出，美國己經將跨學科學習 和工程設計在課程標準中做岀了進一步的要求，我國雖然還沒有正式提出跨學科和工程設計的知 識目標要求，但是從發展趨勢來看，物理學科也逐漸加強了與其他學科的聯系，例如在課程標準 中的基本理念就是要從生活走向物理，從物理走向社會，也要注意學科滲透。在理念上都是注重 學生的素養和能力的發展，因此滲透STEM教育對于中國教育發展也是很好的補充。為了達到更 好的效果，也需要教師在項目設計過程充分發揮設計能力，盡量完善好項目教學過程的每一環節 以及評價反饋機制，這樣才能更好地發揮STEM教育的優勢。本章通過對STEM與中美課標的對 比，以期為后文設計案例時提供指導，讓設計出來的案例更具有操作性。
第五章初中物理中基于項目的STEM案例的設計
基于義務教育的課程標準和課本內容，設計了 4個基于STEM理念的項目。每個項目都以 STEM素養目標和義務教育課程標準中的物理課程目標為起點,從日常生活中的實際問題為驅動。 根據第四章中的路徑，把解決問題的過程分為了原理探尋、設計方案、作品產出三個大階段，再 細化為每個易操作的流程，將素養目標滲透到每個流程，學生在項目過程中得到能力和知識的發 展。最后再根據第四章中對科學工程實踐和跨學科概念的分析，從不同的方面對學生的STEM素 養進行評價。
5.1基于STEM理念的“雙控開關電路”項目設計
5.1.1學習者分析
（-）學習需求分析
此項目對象是初三的學生。學生已經學過串聯和并聯，也掌握了一些實驗儀器的操作，比如 說導線、電源、用電器的連接，具有一定的動手能力。初中的學生好奇心很強，對生活中出現的 問題會有好奇的心理，有著強烈的求知欲，但是對于知識的渴望比較表層，在知道物理原理后， 往往不愿動筆和動腦。學生僅僅是學習了紙面上的電學知識，沒有對實際電路的基本了解。學生 在經過此次項目后，能夠初步了解物理知識與實際生活的聯系，對后續學生的學習會有促進作用。 也能熟悉實驗操作，在后續進行的實驗也能做到得心應手。
（二）學情分析
（1） 知識儲備：學生已經認識一些基本的電路元件，也知道了電路元件的連接方式，會判 斷電路的故障，但是缺乏將物理知識應用到生活的意識。
（2） 認知發展：初三的學生還處于形象思維階段，需要訓練科學思維，因此可以在本次項 目中培養學生從實物圖畫電路圖的能力，培養學生的模型建構科學思維。
（3） 心理特征：初三的學生對于一些生活現象的好奇心強，對感興趣的項目有強烈的學習 動機。不能很熟練的將生活中的現象抽象為物理模型。
5.1.2教學目標
（一）義務教育物理課程目標
（1） 物理觀念：能說出串聯與并聯的特點及其功能，會畫出串聯與并聯的連接方法，能解 釋雙控插座的結構和功能。
（2） 科學思維：會畫出電路圖進行分析雙控開關功能的實現路徑，在項目過程中提高分析 問題和解決問題的能力，學習一些科學中的研究方法或者解決問題的方法，會根據自己的分析與 同學討論和論證自己的看法。
(3)科學探究：會制定一個解決問題的計劃和方案，會連接一些基本的電路來驗證雙控電 路功能的實現與否，會從互聯網上獲取與了解雙控開關的結構與機制，會對自己與同學的探究過 程結果進行交流和評價。
(4)科學態度與責任：在項目過程中能體會到學科之間的有機聯系，明白科學、技術和社 會三者相互促進和發展，會用所學知識來解決現實生活中的問題，形成對自然的好奇心、克服困 難的信心和決心，培養學習物理的興趣。
(二〉STEM素養目標
(1)科學(S)：串聯和并聯的特點及功能
(2)技術(T)：日常使用的插座的構造與原理
(3)工程(E)：解決實際問題的方案的設計能力
(4)數學(M)：計算電路中的電流
(三)過程性目標
(】)動手能力：能夠動手制作電路模型的能力
(2)溝通交流能力：在項目進行過程中，與同學老師的溝通交流的能力
(3)合作能力：與其他同學進行合作解決問題的能力
(4)創新精神：能夠在探究過程中，提出新穎想法的能力
5.1.3教學流程設計
(-)教學流程
本次項目可以在校本課程上進行，也可以讓學生在課后進行探究。如果學校的課程時間富裕, 也可以在正課進行。根據義務教育課程目標和STEM素養目標，設計了項目的教學流程。將STEM 素養滲透到每一個流程中，學生在項目活動通過主動的探索獲取知識和能力。以校本課程一個小 時一節課為例，教學流程及流程所需時間、教師活動、學生活動、教學評價層面如圖5-1所示。
圖5-1雙控開關電路的教學流程
（二） 教學資源
本次項目是制作雙控開關電路模型，因此需要的材料有：雙控開關兩個、小燈泡、電池還有 導線若干。在教師講解階段，還需要實際生活中的插座一個，展示給學生，讓學生了解插座的構 造，學生能有更直觀的認識。通過連接兩個雙控開關、小燈泡和電池，可以實現兩個開關的控制 一個燈泡的功能。
（三） 教學活動
階段一：原理探尋（流程一、流程二）
教師從生活中提出問題，如何在門口和床頭設置兩個開關控制同一盞燈，從而引出本次項目 的任務；用兩個開關控制一個燈泡。在這個情境下，學生就會主動地思考，嘗試用自己學過的知 識去解決這個問題，發現并不可行，于是就對這個問題產生更深的好奇，日常生活中到底是如何 實現這樣的功能的呢？
這時教師可以引導學生往開關的機制上思考，展示生活中的插座給學生們看，學生通過自己 的觀察，會發現插座和自己學過的開關不同，有三個接口，于是就產生了認知沖突，對已有圖式 產生刺激，再經過順應過程，產生新的圖式：開關可以有多個接口，從而實現雙控的功能。此外， 學生也能知道，生活中很多產品原理都是以物理為基礎，但是又不完全是物理的內容，往往會設 計到多學科的知識，從而對科學產生新的看法。
階段二：設計方案（流程三）
學生在對開關的機制有所了解后，教師給學生提供電路圖模型，學生在電路圖上自行連接， 同時思考：如何連接才能同時用兩個開關控制一個燈泡。在電路圖上進行試誤，并分析不同連接 方式下，電路的功能。在電路設計的過程中，學生也能夠明白模型的重要性，在之后的學習生活 中，也能應用這種模型思維。大概計算電路中的電流，思考電路的安全性，避免實驗儀器損壞。
階段三：作品產岀（流程四、流程五）
學生在設計好電路后，嘗試用材料去進行連接，檢驗設計的正確性。教師在學生連接的過程 中，在課堂上巡查，糾正學生的不正當操作，指導學生進行正確的操作。在產出作品后，教師組 織學生進行匯報，學生做好小組間的互評，小組互評表見附錄1。
5.1.4教學評價表設計
項目評價采用工作單的形式，此次項目的工作單見附錄1。教師在設計工作單時，要將STEM 素養有機滲透在里面，學生在項目進行的過程中，填寫工作單，教師通過工作單來評價學生的 STEM素養是否得到發展。根據工作單的內容，設計量化評價單，學生在項目過后，教師根據學 生填寫的工作單，對學生的行為進行量化評價，最后得到STEM素養的總分數，評價表見附錄1。 學生填寫的小組互評表作用是體現評價表的最后一項，即學生能否對其他小組的作品進行評價， 占總分數的10%。
5.2基于STEM理念的“潛水艇的設計和制作”項目設計
5.2.1學習者分析
（一） 學習需求分析
此項目對象是初二的學生。學生已經學過浮力的產生原因和浮力的計算，也掌握了一些實驗 儀器的操作，比如說托盤天平，具有一定的動手能力。初中學生有一定的求知欲和好奇心，對一 些先進科技和物理前沿很感興趣，因此如果教師引導得當，學生對此次項目會有強烈的學習動機。 學生學習了浮力的計算，是比較抽象的知識，將浮力的知識應用到生活中的一些小制作上，有利 于知識的遷移，也能讓學生明白物理與生活的聯系，對后續學生的學習會有促進作用，也能促進 學生的動手能力和合作能力。
（二） 學情分析
（1） 知識儲備：學生已經認識了浮力，也知道了浮力的計算，但是缺乏將物理知識應用到 生活的意識。
（2） 認知發展：初二的學生還處于形象思維階段，需要一些直觀的物體來鞏固知識，因此 可以在本次項目中培養學生的知識遷移能力，鞏固浮力的計算，培養將知識應用到生活的意識。
（3） 心理特征：初二的學生對于一些科學技術產品好奇心強，對感興趣的項目有強烈的學 習動機。不能很熟練的將生活中的現象抽象為物理模型。
5.2.2教學目標
（一） 義務教育課程標準
（1） 物理觀念：能說出潛水艇中的浮力原理，能解釋潛水艇的工作機制。
（2） 科學思維：會通過分析互聯網中的信息來解釋潛水艇的機制和原理，會畫出模型圖來 解釋原理和制作模型，能對其他小組的方案進行評價以及提出建議。
（3） 科學探究：能根據潛水艇提出物理問題，會制定一個解決問題的計劃和方案，能就潛 水艇模型的制作過程與同學進行交流和探討，能根據自己搜集的證據口頭表述自己的看法。
（4） 科學態度與責任：形成對科學的求知欲，能有將科學技術應用于日常生活、社會實踐 的意識，明白科學、技術和社會三者相互促進和發展，形成對自然的好奇心、克服困難的信心和 決心，培養學習物理的興趣，樂于參與觀察制作、實驗、調查等科學實踐活動。
（二） STEM教育目標
（1） 科學（S）：浮力的計算和應用
（2） 技術（T）：浮力在技術方面的應用，理解潛水艇的構造原理
（3） 工程（E）：工程設計圖的繪制，解決實際問題的方案的設計能力
（4） 數學（M）：制作潛水艇模型時的尺寸測量能力，模型的受到的浮力的計算
（三） 過程性目標
（1）動手能力：能夠動手制作潛水艇的能力
（2） 溝通交流能力：在項目進行過程中，與同學老師的溝通交流的能力
（3） 合作能力：與其他同學進行合作解決問題的能力
（4） 創新精神：能夠在探究和制作過程中，提出新穎想法的能力
5.2.3教學流程設計
（一）教學流程
因為本次項目的難度較大，所以可以采用課上加課后的形式進行。課上會利用到兩節校本課 程的時間，課后學生還要利用材料進行制作。課時一主要是對潛水艇的原理進行探討以及潛艇的 設計，課時二主要是完善制作和項目匯報。根據義務教育課程目標和STEM素養目標，設計了項 目的教學流程。將STEM素養滲透到每一個流程中，學生在項目活動通過主動的探索獲取知識和 能力。以校本課程一個小時一節課為例，教學流程及流程所需時間、教師活動、學生活動、教學
評價層面如圖5-2所示。
圖5-2潛水艇的模型和制作教學流程
（二）教學資源
本次項目是制作潛水艇模型，因此需要的材料有：打氣筒、針管、塑料瓶若干、配重（石頭）、 電機（如果時間充足，可以再加上）、氣球。筆者自制的潛水艇模型如圖5-3所示。
制作流程參考：
（1） 取幾個塑料瓶子，在瓶身開幾個洞，水可以從小洞滲進去；
（2） 在瓶蓋開一個口，將針管穿過瓶蓋，在針管的一端用橡皮筋捆住一個氣球塞進瓶子， 蓋上瓶蓋；
（3） 將針管另一端固定上打氣筒，打氣筒可以給瓶子內的氣球打氣，從而起到排水的作用；
（4） 根據浮力公式大致計算出整個模型所受到的浮力，用天平稱量一些石頭作為配重，固 定到模型上。
至此，潛水艇模型就制作完成。將模型放到水里，由于水具有壓強，會滲進瓶身，潛艇自身 重力增加，會下沉；當利用打氣筒往氣球打氣時，瓶內的水會被排出，這時浮力大于模型重力， 模型會上浮，這樣就起到了浮沉的效果。如果時間充足，還可以在模型上增加電機，讓模型自己 動起來。
圖5-3潛水艇模型的制作
（三）教學活動
階段一：原理探尋（流程一、流程二）
教師從潛水艇提出問題，為什么潛水艇能夠實現自由上浮和下沉呢？學生這時就會通過自己 學過的知識來思考原理。當浮力大于重力時，會上浮，當重力大于浮力時，會下沉。當潛艇在水 中時，排開水的體積不改變，因此只可能是改變了自身的重力。通過一系列的推導，學生大概能 夠推測出潛艇的構造，兩邊有儲水倉，通過排水和進水，潛艇可以改變自身重力，從而達到上浮 和下沉的功能。教師引導學生思考，可不可以根據這個原理，用生活中的材料制作潛水艇模型呢？
階段二：設計方案（流程三、流程四）
學生在對潛水艇的原理有所了解后，教師給學生提供制作的材料。學生根據原理，進行思考， 怎么樣才能像潛水艇一樣改變自身重力呢？于是將自己的想法與同學們進行探討，最后將設計圖 和制作流程寫在工作單，形成制作方案。
階段三：作品產岀（流程五、流程六）
學生在設計好方案后，嘗試用材料去進行制作，檢驗設計的正確性。教師在學生制作的過程 中，在課堂上巡查，糾正學生的不正當操作，指導學生進行正確的操作。在產出作品后，教師組 織學生進行匯報，學生做好小組間的互評，小組互評表見附錄1。
5.2.4教學評價表設計
項目評價與“雙控開關電路”項目的評價相似，此次項目的工作單、評價表見附錄1。學生 填寫的小組互評表作用是體現評價表的最后一項，即學生能否對其他小組的作品進行評價，占總 分數的10%。
5.3基于STEM理念的“測量生活中物質的密度”項目設計
5.3.1學習者分析
（-）學習需求分析
本次項目對象是初二的學生。學生已經學過了密度的計算和測量方法，也掌握了一些實驗儀 器的操作，比如說量筒、天平的使用，具有一定的動手能力。初中的學生好奇心很強，對生活有 著強烈的求知欲，但是對于知識的渴望比較表層，在知道了物理原理后，往往不愿動筆和動腦。 在八年級上學期也進行過項目的學習，制作過水火箭，有一定的實踐能力。需要將密度的知識應 用到生活，學生們才能意識到物理與生活的聯系。
（二）學情分析
（1） 知識儲備：學生已經會用密度的公式來計算密度，也知道了量筒和天平的用法，但是 缺乏將其應用到生活的意識。考試或者平時的測驗僅僅是在理論上進行密度公式的應用，很少能 與生產生活進行聯系。
（2） 認知發展：初二的學生還處于形象思維階段，很難理解一些抽象的概念。習慣通過想 象去解釋問題，很少通過模型思維來解決問題。
（3） 心理特征：初二的學生對于一些物理現象的好奇心強，對感興趣的項目有強烈的學習 動機。還不能很熟練的將生活中的現象抽象為物理模型。
5.3.2教學目標
（一） 義務教育課程目標
（1） 物理觀念：理解密度的概念，能說出密度的計算方法，知道量筒和天平的使用方法， 能計算出物質的密度。
（2） 科學思維：會根據密度的不同解釋物體的屬性和功能，能分析日常生活中一些使用假 冒偽劣的產品的原因，能夠辨別和驗證一些生活中常見物質的種類，能對同學們設計的實驗流程 提出質疑和批判的能力。
（3） 科學探究：會制定一個簡單的科學探究計劃和方案，能根據實驗數據得出實驗結論， 會從信息中進行分析，能口頭表述自己的看法，通過學習提高分析和解決問題的能力。
（4） 科學態度與責任：能有將科學技術應用于日常生活、社會實踐的意識，形成對自然的 好奇心、克服困難的信心和決心，培養學習物理的興趣，樂于參與觀察、實驗、調査等科學實踐 活動。
（二） STEM教育目標
（1） 科學（S）：密度的概念以及計算方法，天平和量筒的使用
（2） 技術（T）：鑒定常見物質的方法
（3） 工程（E〉：生活中一些產品的成本問題，設計方案解決生活中問題的能力
（4） 數學（M）：密度的計算，常見物理量的測量
(三)過程性目標
(1)動手能力：使用天平和量筒測量物理量的能力
(2)溝通交流能力：在項目進行過程中，與同學老師的溝通交流的能力
(3)合作能力：與其他同學進行合作解決問題的能力
(4)創新精神：能夠在探究過程中，提出新穎想法的能力
5.3.3教學流程設計
(一)教學流程
本次項目的難度適中，可以作為實驗課進行，也可以課后作為調查任務進行。課上進行會利 用到一節課的時間。根據義務教育課程目標和STEM素養目標，設計了項目的教學流程。將STEM 素養滲透到每一個流程中，學生在項目活動通過主動的探索獲取知識和能力。以校本課程一個小 時一節課為例，教學流程及流程所需時間、教師活動、學生活動、教學評價層面如圖5-4所示。
圖5-4測量生活中物質的密度教學流程
(二)教學資源
本次項目目標是測量常見物質的密度，要用的實驗儀器有托盤天平、量筒還有待測物體。待 測物體可以是學生自己在課后尋找的想要測量的物體。
(三)教學活動
階段一：原理探尋(流程一、流程二)
教師從日常生活中提出問題，如何鑒定未知物體的種類呢？我們能不能通過鑒定物體的種類 來判斷物質是不是造假了呢？學生就開始思考如何利用自己學過的知識來判斷物質是否造假。教 師引導學生利用密度的知識來進行本次任務，學生與教師一起復習密度的知識，并且對鑒定的方 法進行討論。
階段二：設計方案(流程三、流程四)
學生復習完密度的知識后，教師引導學生之間討論一下整個任務的流程，學生在討論將最優 方案寫在工作單上，并且將實驗中需要記錄的數據以表格的形式呈現在工作單上。
階段三：作品產出(流程五、流程六)
學生在設計好方案后，嘗試用實驗儀器進行測量。在測量過程中，教師在課堂上進行巡查， 指導學生進行測量。在產出結果后，教師組織學生進行匯報，學生做好小組間的互評，小組互評 表見附錄1。
5.3.4教學評價表設計
項目評價與上兩個項目的評價相似，此次項目的工作單、評價表見附錄1。學生填寫的小組 互評表作用是體現評價表的最后一項，即學生能否對其他小組的作品進行評價，占總分數的10%。
5.4基于STEM理念的“按壓式噴水壺的設計與制作”項目設計
5.4.1學習者分析
(一)學習需求分析
本次項目對象是初二的學生。學生剛學完大氣壓的存在和氣壓的基本槪念，初中的學生好奇 心很強，對生活有著強烈的求知欲，但是學生只是知道這些知識，并不會應用到生活中，更不用 說利用這些知識來動手制作一些東西。在八年級上學期也進行過項目的學習，有一定的實踐能力 和動手能力。學生還需要培養將壓強知識應用到實際生活的意識，才能學以致用，明白科學技術 社會之間的關系。
(二)學情分析
(1)知識儲備：學生已經學習過氣壓的產生和氣壓的特點，會解釋生活中一些利用氣壓工 作的產品，已經具備了一定的探究能力。
(2)認知發展：初二的學生還處于形象思維階段，很難理解一些抽象的概念。習慣通過想 象和生活經驗去解釋問題，很少通過模型思維來解決問題。
(3)心理特征：初二的學生對于一些物理現象的好奇心強，對感興趣的問題有強烈的學習 動機。還不能很熟練的將生活中的現象抽象為物理模型。
5.4.2教學目標
(-)義務教育課程目標
(1)物理觀念：知道大氣壓的存在，了解大氣壓的影晌因素，會利用大氣壓的知識解釋生 活中的現象，會利用氣壓原理制作一個噴水壺的模型。
(2)科學思維：會畫圖來解釋噴水壺的工作原理，能夠通過觀察來解釋和論證噴水壺的原
理，能夠對他人制作的物品提出自己的見解。
（3） 科學探究：能夠通過觀察生活中的按壓瓶來提岀物理問題，會利用氣壓的知識來猜測 按壓瓶的機制，能夠制定方案來制作按壓瓶，能對制作過程和結果進行交流、評估、反思。
（4） 科學態度與責任：能有將科學技術應用于日常生活、社會實踐的意識，形成對自然的 好奇心、克服困難的信心和決心，培養學習物理的興趣，樂于參與觀察制作、實驗、調查等科學 實踐活動。
（二） STEM教育目標
（1） 科學（S）：知道大氣壓的存在，了解一些生活中利用大氣壓工作的產品機制與原理。
（2） 技術（T）：能夠利用一些渠道來收集資料，會使用工具制作噴水壺模型。
（3） 工程（E）：知道生活中一些產品的成本問題，設計方案制作噴水壺模型的能力。
（4） 數學（M）：能繪制設計圖來制作噴水壺模型，會測量一些材料的尺寸。
（三） 過程性目標
（1） 動手能力：使用工具進行模型制作的能力
（2） 溝通交流能力：在項目進行過程中，與同學老師的溝通交流的能力
（3） 合作能力：與其他同學進行合作解決問題的能力
（4） 創新精神：能夠在探究過程中，提出新穎想法的能力
5.4.3教學流程設計
（一）教學流程
本次項目可以在校本課程上進行，也可以課后作為調查任務進行。根據義務教育課程目標和 STEM素養目標，設計了項目的教學流程。學生在項目活動通過主動的探索獲取知識和能力。以 校本課程一個小時一節課為例，教學流程、教師活動、學生活動、教學評價層面如圖5-5所示。
圖5-5按壓式噴水壺的設計與制作教學流程
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（二）教學資源
本次項目目標是制作按壓式噴水壺的模型，要用到塑料瓶、針筒、針管、熱熔膠。在原理探 尋階段教師還需用到一個按壓式噴水壺，用于學生拆解，從而明白噴水壺的原理和機制。
制作流程參考：
（1） 在瓶蓋上開兩個口；
（2） 將針筒口塞入其中一個口，針管塞入另外一個口；
（3） 用熱熔膠將針筒口和針管與瓶蓋之間的縫隙封住；
（4） 往瓶子內加水，在針筒下壓時，水會從針管出來。
噴水壺模型制作完成。在針筒下壓時，瓶內空氣增多，氣壓增大。瓶內氣壓大于外界大氣壓， 水在壓強差的作用下從針管流出來。噴水壺模型的實物如圖5-6所示。
（三）教學活動
階段一：原理探尋（流程一、流程二）
教師從生活中的噴水壺提岀問題，為什么按壓了幾次按壓桿后，打開開關水就會從壺內噴出 來呢？學生在看到這個現象后，就會聯想到所學的知識，有可能是大氣壓將水壓出來，在做出初 步的猜想后，教師可以帶領學生進行原理的探尋。教師可以對噴水壺進行拆解，讓學生直觀地看 到噴水壺內的構造，讓學生畫出模型圖來進行解釋，培養學生的模型思維。
階段二：設計方案（流程三、流程四）
學生對噴水壺的原理進行解析后，知道了原理，這時教師可以引導學生思考，如何利用常見 的材料去制作噴水壺模型呢？這時教師可以引導學生開動腦筋，鼓勵學生大膽說出自己的方案， 并將制作流程和設計圖記錄在工作單上。
階段三：作品產岀（流程五、流程六）
學生在設計好方案后，嘗試用教師給的材料進行模型的制作。在制作過程中，教師在課堂上 進行巡查，指導學生進行制作。在產出作品后，教師組織學生進行匯報，學生做好小組間的互評， 小組互評表見附錄1。
5.4.4教學評價表設計
項目評價與上兩個項目的評價相似，此次項目的工作單、評價表見附錄1。學生填寫的小組 互評表作用是體現評價表的最后一項，即學生能否對其他小組的作品進行評價，占總分數的10%。
5.5本章小結
本章主要是根據對STEM教育理論的分析，以及探索的路徑設計了 4個基于物理學科知識的 項目案例。每個案例都詳細闡述了教師與學生在教學過程中的活動，為教師的教和學生的學提供 了實際操作方案。從項目過程中可以看出，項目學習不僅僅注重學生物理學科知識的培養，也對 學生技術、工程和數學學科的知識提出了要求，學生還可以在項目的過程中發展問題解決能力， 交流溝通能力等。希望能夠通過設計的案例，展現出STEM教育在物理學科中的活力和助燃劑作 用，也為后續進行實踐研究提供理論指導。
第六章STEM教學案例的實施與評價
根據第五章設計的幾個STEM項目，實習期間借助了校本課程和課后時間進行實施，在課后 時間實施“測量生活中物質的密度”項目，選取筆者任教班的20個對物理比較感興趣的學生參 加，歷時一周完成項目。在校本課程中實施“按壓式噴水壺的設計和制作”項目，班內是來自12 個不同班級的33個學生，歷時一個小時完成項目。最終根據教學目標和教學評價表對學生進行 評價，檢驗基于項目的STEM教育與物理學科融合的可行性。
6.1 “測量生活中物質的密度”案例實踐及效果評析
在佛山市某中學進行實習時，某位學生在課后過來詢問教師有沒有量筒與天平，他想要測量 他的勺子的密度。筆者就借題發揮，讓他帶上班上的一些愛探究的同學，做一次課后調查，即調 查生活中常見物質的密度，最好是能夠解決一些實際問題，比如說鑒定物質的真假。由于這次的 項目是課后作業，根據實際情況，選取了任教所在的班級對物理比較感興趣的20位學生進行本 次項目，20位學生分為四大組，一組5人。前后一共花費一周的課后時間來進行本次項目。
6.1.1實施過程
根據STEM理念，設計了測量生活中常見物質的工作單，讓他們自行在課后進行探究。在本 次探究中，將項目分為了提出驅動問題、收集信息、設計流程、測量數據、完成工作單與評價五 個階段。在課后進行本次項目，因此與之前設計的流程會有所不同，將明確任務階段提前到搜集 信息前面，方便學生在課后做更多的工作。
（-）階段一：提出驅動問題：如何鑒別常見物質（2022年3月11日）
學生主動提出物理問題：如何測量勺子的密度？
教師：之前密度的公式還記得嗎？
學生：記得，密度是質量和體積之比。
教師：我們可以利用這條公式，來進行密度的計算。那么我們計算出來密度有什么用呢？
學生：鑒別這個物質是什么種類。
教師：那我們可不可以利用我們學習過的知識，去鑒別一些生活中一些常見的物質呢？
教師設計工作單，在班上抽取一些學有余力的學生，布置課后任務：利用密度公式鑒別生活
中常見物質的密度。教師召集這些學生，集體討論了一下我們要測量的物體種類。
學生1:我想鑒別公園中的一些石頭的種類。
學生2:我想測量我發卡的密度，看看它是什么東西做的。
學生3:我想測量一下辣條中的油的密度，看看它是不是劣質油。
教師：測量岀物質后，如何判斷物質種類？
學生：通過對比同類物質的密度表，來判斷物質的種類。
教師進行總結并且布置任務：我們可以測量一下生活中在外面餐館或者食堂用的油的密度， 鑒別一下這些油是不是劣質油；也可以測量一下食堂中的勺子是什么物質做的，為什么要用這種 物質做勺子；還可以鑒別一下公園中的石頭，鑒別一下最常見的石頭的種類。
設計意圖：從生活中的情境提出問題，培養學生從日常生活中提岀問題的習慣，引入項目的 驅動問題，確定本次項目的目標。
（-）階段二：收集信息：常見物質的密度和密度的測量方法
教師布置任務后，將工作單發放下去。學生自行收集一些自己想要進行測量的物體，同時搜 集一些同類物質的密度，在測量計算出密度后進行對比。同時復習一下密度的公式與計算，還有 量筒和天平的使用方法和注意事項。
設計意圖：通過生活中的問題引導學生回憶物理知識，培養學生整理、搜集知識的能力。
（三） 階段三：設計流程：測量流程如何才能有效減小誤差（2022年3月11 0-14 S） 教師在課后引導學生思考，如何設計自己要測量的物體的流程，才能有效減小誤差？
學生將自己預計進行的流程寫在工作單上。
設計意圖：引導學生進行整體流程的設計，培養學生的工程素養。
（四） 階段四：測量數據：利用儀器測量數據并進行計算（2022年3月15日）
學生在課后找到教師，將自己需要測量的物體帶到實驗室，在實驗室進行測量。
教師：同學們將自己想要測量的物質拿出來，老師給你們提供測量的工具。
圖6-1預測量的物質
學生根據自己設計的流程，進行實驗。
環節一：測量物質的質量
教師將天平取出，提問學生天平的使用方法和規范。
教師：天平如何使用？
學生：首先^■天平放平。然后調零，當天平左傾時要將平衡螺母向右邊旋轉，右傾則反過來 旋轉，直至指針停在分度盤的中央。然后將物體放在托盤上，然后往另外一個盤上加上硅碼，調 節游碼，直至指針停在分度盤中央。
教師：物體和舷碼的位置有沒有要求？硅碼可以直接用手拿嗎？
學生：左盤放物體，右盤放硅碼，哇碼要用躡子夾。
教師：測量液體的質量時要注意什么？
學生：先將燒杯的質量測量出來，再將燒杯和液體的總質量測量出來，最后相減就可以了。
教師：很好，現在開始測量吧。
學生進行測量，教師在一旁進行指導。
b
圖6-2學生對物質的質量進行測量a、b、c
環節二：測量物質的體積
教師：測量完質量，如何測量體積呢？
學生：測量液體直接將液體倒入量筒進行測量，測量固體的質量需要先在量筒內加適量的水, 然后再將物體放入量筒，用末體積減去初體積，就是物體的體積。
教師：很好，開始測量吧。
教師引導學生在工作單上做好數據記錄。
設計意圖：引導學生進行質量和體積的測量，規范學生在實驗過程中的操作，改正錯誤的行 為和操作，培養學生的科學素養。
a b
圖6-3學生測量物體體積a、b
環節三：計算物體的密度
學生通過測量出來的質量和體積，計算要測量物質的密度。
教師引導學生回去之后收集一些常見物質的密度，進行對比，最終判斷出物質的種類。
設計意圖：引導學生利用密度公式將密度計算出來，培養學生的數學素養。
（五）階段五：完成工作單：對過程進行總結（2022年3月15日-18日）
環節一：完成工作單學生在課后將工作單完成，教師要引導學生正確完成工作單，包括要求 學生將收集的信息、物理的相關知識、詳細的探究流程、測量過程中的表格和密度的計算過程、 以及最后的結論以及改進的方法、從個人和社會層面對假冒偽劣產品的策略以及最后對小組的自 我評價和對小組的評價。部分學生的工作單如圖64所示。
教師引導學生總結一下自己在這次項目中的探究結論。初中有些學生的語言表達能力比較差, 教師可以一步步引導學生用科學的語言總結探究結論。
教師：通過密度的對比，我們可以判斷這些都是什么物質嗎？
學生：我們測量出來勺子的密度是7.625 g/cm3,石頭的密度是2.31g/cm3,油的密度是 0.85g/cm3,通過對比密度表，我們知道了這個石頭的種類是花崗巖，勺子的種類是不銹鋼，油的 種類是花生油。
設計意圖：在這個過程中培養學生根據證據構建解釋的能力、口頭表達能力和批判性思維。
圖6-4部分學生的工作單a、b
環節二：引導學生思考在這次過程中，對實驗步驟做一個簡單的總結。
教師：這次實驗測量出來的密度準不準確，你們總結一下你們實驗中可能會出現的誤差，以 及如何改進實驗過程。
學生：剛開始測量出來的油的密度比水還大，我們覺得可能是體積測量出現問題，可能在往 下倒的時候，殘留了一些在在燒杯和量筒壁上，這樣體積就會過小，導致密度過大。我們覺得可 以找一個帶刻度的燒杯，倒入一定體積的油，然后直接測量質量，這樣測量誤差就比較小。后來 我們測量出來的密度應該是比較準確的。
教師：很好。
設計意圖：引導學生思考測量過程中的誤差來源，對測量過程進行重新設計，培養學生的工 程素養。
環節三：項目總結與展望
教師：回憶這次測量物質的密度，你們覺得學習到了什么，可以是物理知識，也可以是對物 理學科的理解，也可以有一些個人感想。
學生：我們在測量過程中，又回憶了一下密度的知識，我們通過測量物質的密度來判斷出來 了物質的種類，從而判斷物質是否造假。我們也感覺到了物理是對生活有用的，可以用物理知識 解決生活中的問題。最后還思考了造假的原因以及應對策略等。
教師：說的很好，我們一定要善于從生活中發現問題，然后嘗試用我們所學過的知識去解決 問題。
設計意圖：從成本問題和物理知識分析了生活中的問題，培養學生的工程素養，最后引導學 生要善于從生活中提出問題，培養提出問題的習慣。
6.1.2提升學生STEM素養的效果分析
對學生成果的檢驗，應該是從項目學習工作單、學生自我評價表、最后產出的結論和最后量 化STEM素養評價表進行評價。根據第五章設計出來的STEM素養總體評價表，我們對學生在項 目過程中的STEM素養總體發展進行評估。
在對參加項目的每個學生的STEM素養成績做出量化評價后，得到如表6-1的成績表：
表6-1學生STEM素養量化成績表與等級評價
序號 姓名 組別 STEM素養總成績 等級 序號 姓名 組別 STEM素養總成績 等級
1 蔡** 1 79 B 11 陳** 3 87 A
2 陳** 1 75 B 12 林** 3 94 A
3 陳** 1 78 B 13 吳** 3 82 B
4 梁** 1 84 B 14 曾** 3 73 C
5 梁** 1 91 A 15 霍杓 3 66 C
6 黃** 2 74 C 16 潘** 4 63 D
7 蔡** 2 63 D 17 黃** 4 76 B
8 陳** 2 88 A 18 盧林 4 74 C
9 黃** 2 86 A 19 吳" 4 72 C
10 黃** 2 77 B 20 莫** 4 82 B
將85分以上的評為A級，75至85分評為B級，65至75分為C級，65分以下為D級。從 評分表可以看出，達到A等級的有5個人，占總人數的25%,達到B等級的有8個人，占總人 數的40%,達到C等級的有5個人，占總人數的25%, D等級的有2個人，占總人數的10%。 可以看出，學生的STEM素養通過項目，在工作單的引導下，可以慢慢地表現出來，從而得到提 高。
在對學生的總體STEM素養做出了整體評價后，我們還要對學生STEM各方面的素養進行評 估。根據STEM的教育目標，通過工作單和評價表，對學生的STEM素養進行一個定性評價。
-46 -
（一）科學素養
在本次項目中，主要還是以物理的科學素養為基礎，因此在評價學生的科學素養時，就可以 從物理核心素養為標準進行評價。物理核心素養主要從以下幾個途徑來體現：
（1） 學生的工作單。主要體現在學生能否在工作單上寫下本次項目應用到的密度的計算公 式，量筒和天平的具體使用方法，本次項目的探究步驟設計，對物理學科的地位和概念的理解等。
（2） 項目過程中學生與學生、師生的交流。教師在與學生進行交流時，以及在學生在做實 驗過程中的表現進行觀察。觀察的重心放在學生的是否能夠根據證據來構建自己的解釋，是否能 夠對其他小組的探究流程做出自己的評價，在探究過程中的積極程度等。
通過分析發現學生在科學知識的掌握上都是比較好的，收集的20份工作單中，都能準確說 出本次探究所應用的物理原理。有一兩個學生在探究過程中，積極度不是很高，整體來說還是非 常熱情的。但是在設計探究流程的步驟時，還是略顯不足，學生較少嚴謹地去設計整個探究的流 程，僅僅是大致寫下步驟。因此，在科學素養方面，在設計項目時還是要引導學生多注意整個探 究的過程，注意學生讀寫能力的提升，才能在探究的過程中對科學知識形成的過程及方法有更深 一步的理解。
a b
圖6-5部分學生科學素養的體現
（二）技術素養
技術素養是指學生能通過技術認識和改造這個世界的一種能力。在本次項目過程中，技術素 養主要體現在學生能不能利用圖書館、互聯網以及一些實驗儀器來幫助自己完成整個探究流程。 學生在項目過程中，利用了互聯網來搜集一些常見物質的密度，利用書本來獲取自己的需要的公 式、儀器的使用方法，利用實驗儀器來測量未知物理量從而計算岀密度。這種素養在這次的項目 中其實是潛移默化的得到發展，在他們以后遇到問題時，也能夠通過多種方式來幫助自己達到想 要的目標，而不是一出問題，就向別人求助。
（三）工程素養
工程素養是指能通過科學知識和技術手段研究、設計、開發、制作出目標產品的一種實踐應 用能力。在本次項目中，雖然沒有通過一些工具動手制作出物品，但是筆者認為，工作單其實就 是調查報告，這也是學習者的一種產出。在項目過程中，學生主要的工程素養是體現在，能不能 對整一個探究的流程的進行整體設計，包括項目目標的限制，項目每一步的做法，最后得出結論 后，能不能對流程進行改進，并且能夠考慮到實際問題的能力。本次項目中，在提出整體目標后， 學生其實很少會從整體去設計和考慮流程，僅僅是做一步試一步，從這也可以看出學生工程素養 的缺乏。因此，筆者在項目過程中，也一直在強調，在解決一個問題時，一定要先進行一個整體 的設計，這樣才能使我們的整個流程井然有序。如果出現問題，再進行個別的完善。另外，本次 項目中，筆者也設計了一些問題，讓學生能夠考慮到生活中成本和實際解決方案的問題，讓學生 能意識到工程學科與物理學科的聯系。
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圖6-7部分學生工程素養的體現
（四） 數學素養
數學素養是指能夠應用數學模型及計算方式解決科學、工程和技術上的現實問題的能力。在 本次項目中，數學素養主要體現在學生通過數學的計算得岀密度，從而判斷物質種類。還有質量、 體積等物理量的測量，也是數學素養的體現。
（五） 跨學科概念
本次項目中涉及到的跨學科概念有以下幾點：
一是因果關系。在本次項目中的體現就在于學生會思考通過密度的不同判斷物質的不同，密 度是物質本身的特有屬性，當密度不同時，物質也不相同。還體現在學生會通過成本問題來思考 出現假冒偽劣產品的原因，在這個過程中，因果關系思維就得到發展。
二是規模，比例和數量。在本次項目中的體現在于學生能夠通過測量不同的物理量來利用不 同的器材來測量，例如質量、體積。學生也能夠通過密度來判斷物質本身的屬性，比如說密度小 的物體會在密度大的物體中會上浮，比如說油會浮在水的表面。
三是模式思維。在本次項目中，其實也運用到了科學探究的思想。學生在之前的學習中己經 大概知道了科學探究模式的流程，因此在遇到問題時也會根據所學的科學探究模型思維來進行， 在項目中也得到鞏固和發展。
從以上的分析中我們可以看岀，學生的基本STEM素養在本次項目過程中都能很清楚的體現 出來。科學知識是學生們接觸的比較多的，中學現在也是比較重視科學探究在教學中的地位，因 此學生們的科學素養是基本具備的，但在實驗設計方面，還需進一步加強；在技術素養方面，學 生們已經會利用一些常見手段進行信息的收集，比如互聯網，圖書館等，但在一些實際動手時的 工具使上，學生顯得還是比較陌生；在工程素養方面，學生是比較欠缺的，在以往的學習中，知 識和應用一般會被割裂，能將科學知識應用到實際生活的一些問題解決的情況少之又少，因此在 本次項目過程中，就能看岀學生是缺少整體設計的思想。但是通過問題的設計，學生也可以開始 注意到物理知識與實際生活的聯系，同時也能考慮到實際生產生活中的一些成本和設計問題。在 數學素養方面，在本次項目中也可以看到學生可以通過公式，計算出密度的大小，理解數學在跨 學科中的基礎地位。在這么多學科的融合下，學生也體會和養成了學科之間的一些通用思維，比 如說因果關系思維、規模，比例和數量、模式思維。這對學生在進行下一次項目時，或者說在以 后的學習和生活中解決實際問題時，提供了理論知識和思維工具，這也是實施STEM教育的原因。
6.2 “按壓式噴水壺的設計與制作”案例實踐及效果評析
初二學生剛上完氣體壓強的知識，需要利用一些生活中的產品原理和制作來鞏固知識。剛好 看到課室有消毒用的按壓式噴水壺，便打算以按壓式噴水壺為項目驅動問題，先對噴水壺進行原 理解析，然后再根據此原理進行模仿制作。本次項目是在筆者在佛山市某中學的校本課程中進行， 用時一個小時，學生數量是33人。
621學習者分析
（一）學習需求分析
本次項目對象是初二的學生。學生剛學完大氣壓的存在和氣壓的基本概念，初中的學生好奇 心很強，對生活有著強烈的求知欲，但是學生只是知道這些知識，并不會應用到生活中，更不用 說利用這些知識來動手制作一些東西。在八年級上學期也進行過項目的學習，有一定的實踐能力 和動手能力。學生還需要培養將壓強知識應用到實際生活的意識，才能學以致用，明白科學技術 -49 -
社會之間的關系。
(二)學情分析
(1)知識儲備：學生已經學習過氣壓的產生和氣壓的特點，會解釋生活中一些利用氣壓工 作的產品，已經具備了一定的探究能力。
(2)認知發展：初二的學生還處于形象思維階段，很難理解一些抽象的概念。習慣通過想 象和生活經驗去解釋問題，很少通過模型思維來解決問題。
(3)心理特征：初二的學生對于一些物理現象的好奇心強，對感興趣的問題有強烈的學習 動機。還不能很熟練的將生活中的現象抽象為物理模型。
6.2.2實施過程
教學過程根據第五章中設計的流程相同，分為提出問題、原理探尋、設計制作、評價交流四 個大階段來進行。
(一)階段一：提出問題(5min)
教師：同學在生活中有沒有見過這種按壓式噴水壺呢？我們在生活中既可以將它用于綠植的
澆水，也可以用于噴消毒液。同學們知道這個噴水壺的原理是什么嗎？小組討論一下你們的猜想,
學生對原理進行猜想，并填寫工作單。
小組1：我們覺得是利用了氣壓的原理。
小組2：我們覺得是按壓了之后把里面的水擠出來了。
教師：同學們都回答地很好，那么我們接下來把這個壺拆開看看，它的原理是什么。
設計意圖：從生活中的產品提出問題，培養學生從日常生活中提出問題的習慣，培養學生對
-50 -
事物進行探究的好奇心。
(二)階段二：原理探尋(lOmin)
教師將噴水壺拆開，讓學生進行觀察。
教師：同學們可以看到什么？
學生：看到了兩根管子。
教師：在按壓了按壓桿之后，出現了什么現象？
學生：有氣體噴出來了。另外一個應該是出水口。
教師：了解了壺的基本構造和作用后，請同學們嘗試畫圖來解釋原理，將圖和原理記錄在工 作單上。
學生將原理圖和原理寫在工作單上。
教師：好，我們現在每個小組長來說一下你們小組討論出來的結果。
小組3:我覺得是利用氣筒往里面打氣，里面的氣壓增大，然后大于外面的氣壓，所以水就 被氣壓壓著從另外一個管子流出來了。
教師引導各小組都嘗試用自己的語言說出原理。
教師：好，各位同學都說得很好，現在老師總結一下大家想法，來解釋一下這個水壺的原理
圖6-9對噴水壺原理的探尋a, b
設計意圖：通過對噴氣壺原理的探尋，引入項目的驅動問題，確定本次項目的目標。
(三)階段三：設計制作(30min)
教師：那我們可不可以利用這個原理，制作一個利用氣壓工作的噴水壺呢？現在我們有塑料 瓶、針筒和針管、還有熱熔膠槍，熱熔膠槍是通過加熱膠棒，來密封瓶口的工具。請同學們思考 一下工作單上的兩個問題，然后將自己設計圖畫在工作單上，一會老師將材料發放給你們，再進 行制作。
學生思考問題并在工作單上畫出設計圖。
a b
圖6-10學生對模型進行設計a、b
教師：好，我相信各個小組都有自己的想法了，那么現在小組長上來領取制作的材料，我們 開始制作。
學生們拿到材料后，開始進行制作。
a
c
圖6-"學生開始制作噴水壺模型a、b、c
設計意圖：學生利用手中的材料進行模型的在制作，確定了學生在學習過程的主體性，在制 作中獲得直接經驗，培養學生對知識的遷移與應用，自主對知識進行建構。
（四）階段四：評價交流（15min）
圖672小組上臺進行匯報a、b
教師：相信大家都已經完成了自己的作品，現在請各個小組長來上臺匯報一下你們的成果吧，內 容包括制作的原理、制作過程、小組的感受等。
教師：下面的同學對臺上匯報的同學進行評價，最好寫上你對他們的改進的建議。
小組1:這是我們的設計圖，我們在瓶口上開了兩個洞，其中一個插入針筒，用于打氣，另 外一個用于出水。在往里打氣后，里面的氣壓增大，水在氣壓作用下流出來。我覺得我們小組的 作品不足的地方在于還沒有把那兩個口封好，如果封好了，效果應該會更好。
小組依次進行匯報。
教師進行總結：通過這節課，我們知道了按壓式噴水壺的原理，就是利用了我們剛學到的大 氣壓強的知識。然后我們利用了這個原理，制作出了這樣的一個按壓壺的模型。通過這節課，我 們知道了物理與生活之間的緊密聯系，在之后的學習生活中，同學們也要善于提出問題，將我們 學習到的物理知識應用到日常生活中。這節課就到這里，請同學們將工作單和評價表上交，下課。
設計意圖：通過學生對同學作品的評價，培養批判性思維和利用證據進行論證的能力，最后 引導學生要善于從生活中提出問題，培養提岀問題的習慣。
623提升學生STEM素養的效果分析
本次對學生成果的檢驗，也是從項目學習工作單、學生自我評價表、量化STEM素養評價表 進行評價。根據第五章設計出來的STEM素養總體評價表，我們對學生在項目過程中的STEM素 養總體發展進行評估。對每個學生的STEM素養進行量化評價后，得到表6-2所示成績表。
表6-2 "按壓式噴水壺”項目成績表
序號 姓名 組別 STEM成績 等級 序號 姓名 組別 STEM成績 等級
1 李材 1 77 B 18 羅** 5 95 A
2 黃** 1 78 B 19 伍* 5 89 A
3 劉** 1 76 B 20 莫** 5 83 B
4 陳** 1 80 B 21 霍** 6 80 B
5 蔡** 2 76 B 22 陳** 6 78 B
6 黃** 2 78 B 23 秦* 6 82 B
7 朱* 2 75 B 24 張卄 6 76 B
8 黎** 2 76 B 25 鄧” 7 78 B
9 方襯 3 85 A 26 溫" 7 76 B
10 曾X 3 80 B 27 陳** 7 78 B
11 張** 3 76 B 28 蔡** 7 64 D
12 陳** 3 72 C 29 劉** 8 62 D
13 歐** 4 82 B 30 梁** 8 66 C
14 黃** 4 80 B 31 陳** 8 68 C
15 梁** 4 90 A 32 蔡** 8 70 B
16 黃** 4 85 A 33 陳** 8 65 C
17 李卄 5 88 A
從以上成績我們可以看出，達到A等級的有6個人，B等級的有21個人，C等級的有4人, D等級的有2人。可以看出，學生的STEM素養總體上都得到了發展。
對學生的總體成績做出評價后，還要對STEM素養的每個部分進行評價。
（一）科學素養
在本次項目中，科學素養以學生的物理學科核心素養為主。科學素養主要通過兩個途徑體現:
（1）過程中學生的工作單。學生在過程中將原理、噴水壺的模型圖畫在了工作單上，通過 工作單可以看出學生是否能夠準確描述噴水壺中蘊含的物理原理，是否會用物理模型來解釋現實 生活中復雜的事物等等。
（2） 小組互評表。學生在其他小組評價時，利用工作單對其進行評價和提出建議，體現了 學生是否具有批判性思維，是否具有質疑精神，是否具有改進作品的能力。
（3） 上課過程中師生和生生之間的交流。學生在匯報原理過程，是否能夠準確說出了利用 氣壓的原理，是否會根據自己的想法和證據來和同學表達自己的想法等。
通過以上途徑，分析了學生在項目過程中科學素養的發展。學生在此次項目中，基本上都能 說出噴水壺中蘊含的物理原理，也能根據自己的思考和生活中的一些例子來證明自己的想法，從 而與同學進行論證。在解釋噴水壺模型時，還需要教師的引導才能畫出模型圖，可見學生的模型 建構思維還有待加強。在進行表達時，有些小組表達的邏輯不是很到位，語言也不是很科學，有 些小組不愛表達自己的想法，由此可見，學生的動嘴能力也要進一步提高。
（二） 技術素養
本次項目中，技術素養主要體現在針筒的利用和熱熔膠槍的使用。通過本節課的學習，學生 都基本掌握了熱熔膠槍的使用方法和注意事項，也養成了利用生活中的常見的物品，來幫助自己 的達到目的的思維習慣。
（三） 工程素養
本次項目工程素養主要體現在模型制作流程的設計和設計圖繪制上。從學生的表現中可以看 岀，大多數學生在制作前都沒有進行流程設計的習慣，也還沒有繪制設計圖的習慣。在教師的引 導下，學生也能夠逐漸地理解，在制作前進行整體設計的意義。在繪制設計圖方面，大多數學生 都沒有利用尺規作圖，也沒有標注尺寸，由此可見，學生的工程素養是比較缺乏的。在教師的引 導下，也都逐漸能夠規范作圖。
（四） 數學素養
本次項目數學素養滲透地較少，體現在模型圖尺寸的測量和設計圖的尺寸標注上。在項目過 后進行了思考，如果可以將壺內氣壓測量計算出來從而驗證噴壺原理，可能會更好地提高學生的 數學素養。這可以在之后的教學實踐再進行完善。
（五） 跨學科概念
本次項目中涉及到的跨學科概念有以下幾點：
一是因果關系。學生在與教師進行原理探討時，往往會根據實際操作來猜測現象的發生。比 如說，在用按壓桿往壺內打氣時，里面的氣壓就會增大，里面氣壓大于外界氣壓，水就會在壓強 差的作用下噴出來，這就是因果思維的體現。
二是規模，比例和數量概念。在本次項目中的具體體現就是學生如何解釋壺內氣壓為何增大。 學生會從氣體數量的層面來解釋。往壺內打氣，里面的氣體數量增加，壓強就增大。從數量導致 了氣體性質的改變，這種思維也得到了發展。
三是系統和系統模型。在本次項目中，具體體現就是利用模型圖、實物模型來還原實際生活 中的噴水壺。通過這樣的模型，來為解釋和測試科學和工程提供了工具。
從以上的分析中可以看出，通過物理課上的學習，學生的科學素養掌握的還是不錯的，尤其 是原理方面。但是學生缺乏探究意識，在說出原理之后，沒有進一步進行驗證的意識。學生的動 嘴能力也是有待加強，包括科學語言的運用和邏輯的清晰度。在技術素養方面，學生通過訓練其 實是可以很好地掌握一些工具的使用方法，不管是實際操作的工具還是搜集信息的工具。在工程
方面，學生的缺乏是最明顯的，學生對于這方面是很少接觸的，在平時的學習生活中，都是以理 論知識為主，很少能夠聯系到現實生活中的現實問題。由此可見，在之后設計項目或者進行項目 的過程中，還是要側重于工程素養的滲透，學生才能夠真正擁有解決現實問題的能力。
6.3中學物理中滲透STEM理念的結果反饋
教師訪談實錄見附件3。
在項目實施后，設計了面對教師和面對學生的訪談設計，來體現滲透STEM理念后的結果反 饋，本次訪談選取了所在實習學校的三名教師與三名學生。訪談問題主要以三個維度展開。
(-)教師訪談結果分析
(1)維度一：目前學校實驗課、項目化學習的實施情況
從第2、3、4題來看，由于課程緊張，學生很少去實驗室進行分組實驗，但是教師們都很重 視實驗，認為實驗能夠幫助理解物理知識，培養學生的動手能力，一般在課上也會做演示實驗。 項目化學習在學校中也有實行，每周的校本課程一般都會讓學生進行一些小制作，有些用時長一 些，有些短一些。
(2)維度二：STEM教育的實施情況
從第4、5題來看，雖然教師對STEM教育的了解較少，所以很少會在實際教學中滲透STEM 教育，不過教師們對這種新興的教育理念都持肯定態度。在實施后，教師都認為學生學習物理的 興趣都有所提高，鞏固了物理知識，培養了學生的動手能力和動嘴能力，實踐能力和創新意識都 有所提升。
(3)維度三：物理課程融入STEM理念的可行性
從第6題來看，大多數教師都對物理課程中融入STEM教育持肯定態度，但是也認為這種理 念融入物理課程是具有困難的。主要是體現在以下幾點：一是目前還是應試教育，學生最主要的 學習任務還是做題，不做題就沒有辦法考試，所以很少有時間去進行這種項目學習。二是這種理 念的實施需要的準備時間較長，教師也比較匱乏。三是學生不是很習慣這種教學方式，也需要時 間來習慣。
(二)學生訪談結果分析
(1)維度一：對于實驗和項目學習的態度
從第1、2題來看，學生很喜歡上實驗課，對校本課程這種能夠動手制作物品的小項目也很 感興趣，覺得這種學習方式可以聯系生活實際，比較容易接受。
(2)維度二：實施基于項目的STEM教育后的物理學科知識掌握情況
從第3、4、5、6題來看,學生認為這種學習方式可以加深自己對物理概念的理解，也有助 于幫助他們學習新知識，比如說一些工具的使用，生活中一些實際產品的原理等。同時他們也開 始覺得物理是一門與生活聯系非常密切的學科，也逐漸會注意到生活中的一些物理問題。在實施 項目后，他們也覺得在之后的生活中，遇到實際問題他們也可以對問題進行構思，在進行解決， 這就是工程的理念，說明學生已經逐漸開始地具備這種解決實際問題的能力。同時，他們也認為 這種教學方式有助于團結同學，鍛煉自己的動嘴能力。
6.4本章小結
本章主要是實踐環節，將設計的兩個項目“測量生活中物質的密度”和“按壓式噴水壺的設 計與制作項目”在實際教學中進行實踐，一個是課后項目，一個是校本課程進行的項目。通過教 學實踐，得出如下結論：
(1)在實踐后發現，雖然在物理課程中融入基于項目的STEM教育是比較困難的，但是通 過教師的思考，還是可行的。教師釆用多種方式，比如說在學校的校本課程上進行，也可以在物 理課中進行滲透，也可以作為課后的調查或者制作任務來進行。不管如何，最終目的都是提高學 生的問題解決能力和跨學科素養。
(2)課程效果還有待提高。在兩個項目的實踐中可以看出來，還是有一些學生獲得了 D等 級，在這個過程中有可能是學生人數太多，沒有辦法全部顧及到，導致有些學生的學習積極性不 高，沒有參與到項目進行的過程中，于是素養的發展就很有限。另外，學生的成績也是集中在B、 C等級，這說明學生的STEM素養還有待提高。相信通過前面一兩個項目的熟悉過程，后面再進 行項目學習的話，學生會有長足的進步。
(3)通過實踐后發現，學生對物理學科會有新的認識，可以感受到物理知識與生活的聯系， 通過項目獲得的成就感，也可以有效的促進學生在后續學習的主動性。學生主動性上來了，就能 夠進行積極的有意義的建構，對于學習效果的提升是非常明顯的。
學生通過在項目中積極探索、積極動手，不僅能鞏固物理知識的學習，還能讓學生熟悉一些 實驗的基本操作和模式，讓學生能夠完成學校的學習任務。在這之外，學生還通過直接經驗的獲 取，感受到物理學科的本質，明白各學科之間的有機聯系，提高問題解決能力和創新精神，成為 一個完整的人，為以后的生活打下了堅實的基礎。實踐證明，在物理課程中融入基于項目的STEM 教育是可行的，并且對學生的發展起到很大的作用。
第七章 結論與反思
7.1研究結論
通過理論研究，對STEM教育理念和項目式學習的本質和特點進行了總結，尤其是對STEM 教育在物理學科中的本土化進行了重點研究。還對中美的物理課程特點和STEM教育的聯系進行 了研究，探索出了一條能夠進行實際進行STEM教育操作的路徑，并在實際的教學過程中予以實 踐，取得了一定的成效，但也還有些許不足。教學探索就是要不斷地實踐與反思，以便充分發揮 STEM教育理念的優勢與長處，為STEM教育與物理學科的融合盡到一點綿薄之力。本研究的研 究結論如下：
(1)筆者通過梳理STEM教育和項目式學習的文獻，分析了中美物理課程標準中對物理學 科的要求，與STEM理念進行了對比，發現由于物理具有基于實驗的學科特點，與STEM教育理 念比較契合。于是進一步探索了 STEM教育與物理學科融合的路徑，設計了在物理學科中融入基 于項目的STEM教育的整體流程、案例進行流程、工作單和教學評價表等，將STEM素養的科學、 技術、工程和數學素養滲透到項目的過程中，發現在物理學科的基礎上滲透基于項目的STEM教 育是理論可行的。
(2)在“測量生活中物質的密度”項目和“按壓式噴水壺的設計與制作”實踐中，通過設 計能夠體現STEM素養的工作單和學生課堂的實際表現以及評價表，對學生每個環節中所體現出 來的跨學科素養、學科的核心思維、動手能力、實踐能力、創新意識、動手記錄能力和動嘴表述 能力等方面進行定量評價，發現學生在項目進行過程中各方面能力都得到了培養，學生的STEM 素養也得到提升，基于項目的STEM教育也為學生能力的發展提供了探索抽象物理概念的實踐經 驗。
(3)通過調查和實踐后的訪談，發現教師和學生對基于項目的學習都持肯定的態度。這種 學習方式不僅有利于學生對于跨學科知識的掌握，也能讓學生體會到將物理知識應用到實際生活 中的樂趣。還有助于提高學生們的學習效率，進行有效學習，提高自我效能感。
實踐證明，將這種基于項目的STEM教育滲透到物理學科是完全可行的，學生不僅對物理學 科有一個全新的認識，也拓寬了知識面，逐漸形成了將物理知識應用到生活，解決生活中實際問 題的意識，在應對急劇變化的環境時，也能利用自身的創新意識和實踐能力，來適應和改造社會， 真正做到學以致用。
7.2不足與展望
7.2.1不足
(1)雖然我國現在的學者己經逐漸地開始研究STEM教育，但落實到教學的案例比較少， 能提供的有用的經驗也就比較少。而且國內現在對于項目學習這種學習方式的接受程度低，很多 學校和教師沒有了解過，也不會去嘗試這種教學方式。在這種情況下，對于STEM教育的理解和 表述也許就稍顯不足，尤其是在工程和技術素養方面的闡述和滲透。
(2)在論文實踐階段，“測量生活中物質的密度”項目是在課后進行，因此學生的工作單的 真實性就不能完全保證，而且學生的素養也無法進行細致的觀察，部分學生的積極性也較低，因 此在引入部分可能做的不是很好。“按壓式噴水壺的設計與制作”則是數學素養滲透的比較少， 后續還要思考如何更好地將各學科有機融入到項目中。
(3)在項目實施階段，由于實習時間較為緊張，材料的準備、教學流程的設計不盡完善。 在我國，項目式學習還是起步階段，因此這種教學模式還需要更多的嘗試和反復地錘煉，也需要 廣大一線教師的積極實踐和反饋。
7.2.2展望
在進行項目過程中，展現出了許多不足。在后續的教學工作中，還要有意識地在實踐中將其 理論進行完善和補充，然后再進行實踐，最終能夠讓學生在流暢的教學過程中發展其跨學科知識 和思維能力，也需要廣大教師在物理學科知識的基礎上，設計出更多新穎的、有趣的項目，讓學 生能夠感受到物理學科的魅力，體會科學的本質。雖然由于課程緊張、學生硬件設施等多方面因 素限制了項目學習的實施，但教師也可以再繼續多思考在物理課程中STEM理念的滲透的路徑， 比如通過在課后進行一些簡單的調查，在課堂上進行一些簡單的小制作等方式。
STEM教育作為外來品，必定要經歷取其精華去其糟粕的過程。要如何好地發揮STEM教育 在物理學科中的作用，還要不斷地進行探索。STEM教育作為一種跨學科教育理念，目的就是為 了幫助學生發展成為一個更加完整的人，幫助學生具備獨立思考的能力。近十幾年來，隨著科學 技術的發展，社會也發生了急劇的變化，教育也就不能僅僅停留在知識的層面。讓學生學會學習， 學會處理生活中的問題，學會生活，這需要教育者不斷思考教學的可能性，教師任重而道遠。
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