摘要

STEM为英文科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering）和数学（Mathematics）的英文字母开头缩写。但所表达的意义远不止这4个学科，指的是在经济和科技高速发展过程中形成的知识的融合体系，是以活动、项目、问题解决为基础的学生全程主导的跨学科的教育形式。是培养创新型人才，适应当今时代发展的一种新型教育。因此，为使学生对未来高度不确定性的职业和生活方向做好准备，本文在查阅了中外文献基础上，了解中美教育发展现状，对美国STEM科学课教学进行研究，同国内少数案例进行对比分析，研究STEM教育中国化的意义及实施过程中的困境，探讨应对策略，并结合抛体运动实例，介绍自身在STEM理念与中学物理教学融合的实践探索方式——512模式，并对此模式进行评价分析。

 关键词：STEM理念；高中物理；512模式；抛体运动 

一、绪论

（一）选题背景

21世纪又被人们称为“信息时代”和“数字时代”，本世纪中数学、科学等理工科目变的愈加重要，很多单位也都认为应聘者需要一点科技和STEM的专业知识，理工科的教育已达到不可替代的作用。而今国内的理工科人才流失严重，高中生进入大学选择理工科目更是很少，且中国学生在国际上高分低能状况深入人心，人们关注点从分数转到素养上，国民大多认为当前高中教育没有达到理想效果，高中人才匮乏，理科生对理科兴趣低下，所学内容与大学培养理念脱节。而美国在20世纪60年代开始，研究人员用NAEP（美国国家教育进步评测）、SAT（美国学术能力评估测试）对8-12年级学生进行评测，发现存在成绩差，尤其数学和科学两个科目，而此差距在美国学者认为是当今竞争所需新技能同落后的课堂教育之间的差距。在近40年的时间进行上下一体的STEM教育改革，培养学生STEM素养缺失的问题，至今在STEM领域的改革仍在进行，科学等领域有了很大进步。国内学者于2008年开始有关STEM模式的研究，最早于2008年，陈超发表《美国的世界一流大战略与启示》，使得STEM教育理念进入国人视野。在2014年之后渐渐开始关注如何更好的将STEM教育理念渗透于本土教学中，物理学科作为经典的科学教学科目更是成为STEM融合的重中之重。

（二）研究目的及意义

我国基础教育一直被分数所统治，导致高中学生只关心考不考，不关心好不好，认为创新是大学才可以想的事情，从而使得高中生对物理或科学缺少兴趣，缺乏创新力、动手实践能力等21世纪必备能力，STEM教育弥补了这一不足，而STEM教育理念本土化，同样是一项巨大挑战，国内STEM理念与物理教学融合一般为私立高中，未找到适合在全国范围内开展物理学科与STEM理念相结合的良好策略。需要对已有案例和经验与国外案例进行对比分析，找到差异，分析原因，探索融合方案。为之后研究此方向的教师提供一些理论基础和实践参考，使得国内更好的培养出面向未来的创新型、综合型人才。

（三）研究设计

1．研究方法

文中主要采用交叉研究的方法，定性分析结合文献法、历史法、比较法、个案法等混合研究方法。从中美STEM形式与发展现状入手，重点分析少量国内高中物理教学STEM模式融合文献和相关案例，总结高中物理与STEM模式相结合的困境，分析原因，探索可行性方案。

二、STEM教育理念与高中物理教学融合可行性分析

（一）STEM理念内涵

STEM教育委员会指出：当前所搜集证据表明STEM整合教育不可取代高质量STEM分科教育，STEM不只要求学生分科知识的学习，更要求学生加强不同学科之间关联性的习得。

STEM为英文科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering）和数学（Mathematics）的英文字母开头缩写。

1． 数学

就STEM而言，数学排在首位，原因在于数学在科学、技术和工程等各种领域均应用。数学研究数、数量和空间的模式及其相关关系，依据基本假设，以逻辑论证的方式推动专业知识领域增长。在高中阶段主要讲授函数、几何、统计和概率。

2．科学

科学是人类对自然界的探索过程中所形成的对自然规律取得普适理解的学科，主要分为物理、化学、生物三个方向，而STEM教育不仅要求了解三个方向的独立领域，还包括学科间相关联的原则、概念、事实及交叉应用。科学的发展是在实践中螺旋式上升的，可为工程、技术等领域的发展提供理论基础和支撑。并且科学与数学密不可分，科学的进步会推动数学的发展。

3．技术

技术是由创造和运用技术生产产品的人、组织、知识、程序、设备等有机结合而成。它更确切的来说是一个过程而非学科，现代科技高速发展，技术被广泛应用于科学与工程领域。当前对“T”的理解共分为三个层次：

（1）技术教学。技术教师监管实验室，教授学生技术课程，用材料建造产品。

（2）教育教学技术。指的是在教学中技术的应用，比如：幻灯片的使用，视频的制作，教具的设计，电子白板的使用，网络资源搜索等。

（3）其他领域从业者的工具。随着电脑、软件、传感器等测量工具的出现，如何使用此类工具将成为一项技术问题，产生相关领域的技术人员，比如：望远镜的使用，粒子加速器的使用，对撞机的使用，电磁继电器的使用等。

4．工程

工程指的是在约束条件下设计与创造产品并最终解决问题的程序。工程的基本原则为设计，而设计环节是当前教学中最少被重视的部分。STEM教育使设计成为课堂必不可少的环节，成为与传统教育相比最大的特色之一。

首先，STEM是分科的，代表四个科学领域，STEM又是整合的，要考虑各领域的核心概念，要了解沟通每个领域的大概念。其次，STEM又是扩展和延伸的，称之为“STEMx”，“x”代表了计算机技术等一系列21世纪必备技能。

STEM教育是学生参与的教育，是以项目学习、团队合作为基础，以知识结合学生动手操作为主要过程，以发展学生科学技术技能为根本目标的教育。有如下三个特点：整合必须明确，支持单科知识深入学习，整合不一定越多越好。STEM首先是分科的教育，其次才是整合。

（二）STEM理念特征

1．项目驱动。所有的STEM内容都是以真实世界的问题作为项目进行教学活动，旨在让学生再进行活动，增长技能的同时更加深刻的认识客观世界，了解客观世界。约翰·杜威首先提出以学生为中心的动手型、体验型学习方式，让学生负责实践的全部流程，在此过程中，学生也会实践如何去分析各种问题，选择各种方法，STEM教育适合项目教学，且四个领域有明显的重叠。

2．学习共同体。包括学生学习共同体和专业学习共同体（PLC）。学生学习共同体主要意义在于互惠学习，即使在进行不同项目时，也可以实现与他人的讨论与交流，从他人那里获取经验和建议。专业学习共同体由社会相关专业人士组成，帮助学生学习，让内容容易习得，让思维可见，达到提高学生学习效果的目的。

3．设计。由于STEM知识习得的整合性，项目设计成为不可缺少的环节，学生可通过对自然世界的审视，转为对世界的设计，在此过程中为学生提供真实情景，理解抽象概念。设计为工程学解决问题的常用方式，是一个反复过程，必须考虑大量的外界因素和人为因素影响。因此，进行设计可更好的开展STEM项目研究，是培养学生能力的关键环节。

4．问题解决。STEM教育的核心为项目的开展，解决真实情景中的问题，学生可能在学习过程中进行资源整合、反复实践、情景再现等，以达到问题解决的目的。以问题的解决为最终标准，有助于学生在学习过程中清晰的衡量自身工作的进度，以问题的解决作为明确的结果，让学生思维能力的进步具有可见性。

（三）STEM理念与高中物理教学融合可行性论证

1．STEM理念与高中物理教学具有相容性

物理学科作为自然科学的基础学科，具有理论性、基础性和实践性的特点，无论是在学生科学思维的培养上还是在推动社会经济的发展中都具有特殊的社会价值和育人价值。且随着社会的高速发展，新兴学科和交叉学科的产生和成长与基础物理的研究发展密切相关。物理学推动整个自然科学的迅猛发展，导致经济结构和思想观念根本变革，其思想观念渗透到其它科学和技术领域的方方面面。物理学由于其相容性本身就蕴含着与其他领域的关联性，因此在物理教学中渗透STEM理念是十分自然且有必要的事。

2．物理教学中暗含着科学思维方法的培养

物理学被认为是对于自然不断地进行螺旋式探索的过程。STEM教育中的“科学”，不只是动态的科学过程，还是与其他学科产生联系的桥梁。对于STEM教育，主要用于人综合素质的培养。物理学所暗含的科学思维方式，可与STEM理念有机结合，使之转化为学生对真实世界的认知和探索的有效方式。

3．物理教材与STEM理念的契合

物理教材中许多内容为开展STEM教育提供平台，如飞机投弹问题、小船过河问题、核辐射问题、惯性问题、半衰期、刹车问题、弯道问题等。在物理教学中，对此类问题进行项目式学习，不仅有助于学生对物理学科单一知识的深入学习，更帮助学生用科学的视野关注自然、关注社会，形成科学的态度与价值观。

4．STEM理念与新物理课程改革目标一致

新物理课程改革中重点强调学生创新力和批判性思维能力的培养，而STEM 教育理念就是基于美国学生创新力的不足而提出的，两者的目标具有一致性，且STEM 教育改革最早也应用于物理学科领域。

三、STEM理念与高中物理教学融合理论探讨

（一）理论基础

1．建构主义教育理论

瑞士心理学家皮亚杰提出建构主义理论，他认为学习是一种发展，学习者的学习是通过在不同情境中新知识与原有知识经验的客观碰撞，在相互作用中升华自己的知识来实现的。同时建构主义理论倡导以学生为主体、以教师为主导，在教师的引导下帮助学习者知识的主动建构。学生是信息资源加工和意义建构的主体，学生在新知识的建构前都拥有独特的原有知识经验，并且在受到情境中的新知识、新信息的刺激下往往会产生不同的知识体系，这种知识体系大大依赖于主观思维，或多或少的会存在一些不同的问题；教师在学生原有知识经验的基础上，发挥引导作用，将知识进行转换处理，帮助学生发现问题、解决问题，并完成新知识体系的建构。

学生的学习不是被动的接受知识，而是需要通过自身努力和他人帮助来获得或调整知识体系的；学生的学习在情境、协作、会话、意义建构四大要素的相互作用下得到发展和调整，STEM教育中情境的创设必须有利于意义的建构，协作贯穿整个学习过程，会话则是学习成果的分享和问题的探讨，最终达到意义建构；教师的教学应以引导为主，教学方式要基于学生原有知识经验，提供不同难度的项目和课题，引导并帮助不同阶段的学生发现问题、解决问题。

2．“最近发展区”理论

维果斯基提出的“最近发展区”理论认为，学生的认知发展水平有两种：一种是学生的已经达到的发展水平，表现为独立解决问题时的水平；另一种是学生可能达到的发展水平，也就是潜在发展水平，需借助外界的帮助达到。这两种发展水平之间的差距，就是“最近发展区”，也就是学生的成长空间。学生的发展主要通过与教师或同学的帮助获得，作为教师，需要了解学生目前达到的发展水平以及学生面临的问题，提供合适的教学支持，为潜在发展水平的提升支招。

教师着眼于学生的最近发展区，走在学生发展的前面，才能调动学生的积极性，发挥学生的潜能，超越其已达到的发展水平而达到下一阶段的发展水平，为学生的发展提供强有力的支持。更重要的是一种教学观念，即教师应该有一个较为长远的目标，立足于学生可能达到的发展水平，了解学生目前的发展水平，以此制定的教学策略才能在最大程度上帮助学生达到可能达到的发展水平。这就对教师设计STEM项目提出了更高的要求。

3．元认知理论

美国心理学家弗拉维尔提出元认知理论。元认知是个体对于自己的认知过程进行自我监测及自我调节。元认知内容包括：元认知知识、元认知体验、元认知调节三个部分，它们互相联系、互相影响、互相制约。元认知知识是主体经验积累起来的关于认知活动的一般性知识，包括个体元认知知识、任务元认知知识、策略元认知知识三个方面。个体元认知知识是学习者对自身能力、认知特点差异的了解，以及这种差异对学习活动产生不同作用的了解；任务元认知知识是学习者对于学习任务、内容、目标、本身特点以及制约因素的了解；策略元认知知识是学习者对学习策略的内容、使用方法、特点、使用效果的了解，以及对自身使用不同的学习策略所产生的效果差异的了解。对于元认知体验，学习者不一定能清楚体会到自身元认知体验，但积极的元认知体验有助于调动学习者的主观能动性，激发学习者的学习热情。在整个学习过程中元认知调节应包括学习阶段前期（确立目标、制定计划、策略选择）、学习阶段中期（集中注意、选择注意、自我管理、自我监控）、学习阶段后期（自我评价、自我调整）。

学习者通过直观的成果展示和课题报告的评价方式对思维过程的感知、对与新认知相关联知识的掌握程度进行自我监控，发现其中的不足并完善，在此过程中自我调整，不断地解决问题，逐渐掌握适合自己的学习方法，不断地完善自己的认知网络，但STEM教学中需要学生具有一定的学习主动性，对自己的学习有计划、有要求。随着认知网络的不断完善，学习过程渐趋系统，从而形成一个良性思维循环。

（二）以抛体运动为例分析STEM理念与高中物理教学融合的困境

1．抛体运动教学案例

当前国内STEM与高中物理教学融合的案例众多，仅以长春市合展高中的一节STEM物理课程“力与运动的关系（平抛运动）”为例作为介绍。课堂采用探究式，大致为以下几个环节：提问、调查、创造、讨论、成果展示、反思、反思后又产生新的问题，循环往复。见图2探索式教学：

2．困境分析

根据STEM理念融入的抛体运动教学案例同当前传统物理教学的对比，笔者将STEM与高中物理教学融合的困境归纳为以下几点：

（1）缺少技术支持

教师方面：笔者以六所教育部直属师范大学为研究对象，调查教学支持技术相关课程开设情况及开设方式。见表1六所师范院校物理学师范生可学习的软件课程：

表1六所师范院校物理学师范生可学习的软件课程

研究表明：6所学校均开设计算机基础（office办公软件）可满足教师基本的日常办公需要，都开设了C语言，其中，北京师范大学、华东师范大学、东北师范大学更开设了数据处理软件学习的相关课程，但都为理论课程，作为了解，没有深入学习。但当教师进行教学活动时，如有需要可能要求教师会用matlab，origin，PS等高端软件，就东师进行调查，七十四人中只有二十人不到对此方面软件可进行基本操作。华东师范大学、东北师范大学添加了动画制作方面的课程，满足教学中无法进行真实实验时的需要，丰富课堂内容。从地区上分析，华东师范大学（上海）在软件课程的设置上是6所师范院校中做的做好的，笔者认为这可能是因为上海为STEM理念与高中物理教学融合课程尝试的前沿阵地，并且上海作为经济科技中心，在可更大程度上影响大学课程的开设。

综上，笔者认为虽然本科生课程设置已有意识同高中教学媒体接轨，但依然停留在PPT制作等基础方面，对专业数据处理、绘图、动画制作软件的学习不够深入，均为理论课程，无操作课程。且当前高中大多备有电子白板、多功能集成媒体设备、仿真物理实验室等，可关于新型多媒体的操作学习并没有在师范生的课程中得以体现。

学生方面：学生富有想法，但由于技术短缺无法实现而丧失兴趣和信心，比如：大多高中生PPT都不会制作，无法进行成果展示，更缺乏工程学等基本基础，如：千斤顶的使用、气溶胶的使用、切割机的使用、电脑绘图等。

（2）课程安排不合理

有研究表明，数学与科学的整合学习可获得最佳的学习效果，但当前数学与物理书的内容设置，使学生无法进行交叉整合的学习。例如：物理教学中极限思想第一次出现是在必修一中：

学生处于高一年级上半学期，但教学中极限思想在数学中出现在导数章节，学生处于高二下学期。高一的学生，无数学思想的支持而缺少对极限的认识，所导致的结果必然是记住，而不是理解，从而无法达到理论高度，也就无法实现灵活运用的层面。在STEM项目完成过程中，由于理论的缺乏而无法实现自己的设计，必然缺失成就感和信心，从而无法产生科学的兴趣。

（3）时间的安排与分配不当

笔者主要分析三个方面：学生完成项目需要时间，而传统的高中物理教学一课时时间为45分钟；以物理学科为基础跨学科的合作，使得不同学科的教师合作，为设计一个适合学生最近发展区的项目需要共同的集体备课时间，且学生在活动中遇到的问题不是单一的物理教师都可以解决的，可能会占用其他教师的教课时间；课程的改革都是在曲折中发展而成，美国从1983年开始进行探索，直至2013年才相对完善，而中国是2013年8月才开始正式STEM教育中国化尝试，可能会有家长和社会方面的压力而使改革终止。

（4）师资力量薄弱

①当前一线教师大多会有意识的进行实验教学，但多为演示实验，是为得到某一明确的数据或结论，也就是大多为验证实验，长此以往，会让学生形成一个错误的理解——实验的目的不是为了探索，而是为了得到一个指定的结果，例如：中学物理实验有两个验证实验，验证：

而科学实验应为：试分析加速度与什么因素有关，试求出本地区g的大小为多少？

不合适的实验教学，使得学生向获得指定结果努力，如果没有得到就是错误的，而科学实验允许失误，允许误差，允许多样性，实验后的分析，探索因果关系的过程是培养学生科学探究能力的关键，而现在的一线教师往往只进行到得到确定结果就停止了，缺少理性分析能力，批判性思维能力的培养。

②教师一言堂，把课堂还给学生。有教师研究表明，物理学科不是学生可以单独搞定的，需要有讲课的时间，但物理教学也不是物理教师一人搞定的，需要有学生的参与。所以，一般STEM教师教授时间一般有大约为20分钟左右，这对于多年教师可能是一个彻底的行为习惯的改变。如教师之声的老师曾说：“对于一开始把课堂还给学生，我是极不适应的，但后来也成功了呀”。

③语言：合适的提问方式可以促进思考而不合适的提问可以使学生放弃思考，并养成依赖教师的习惯，不利于学生自主学习能力的培养。例如：学生做小车项目，有孩子把轮子做成三角形。

教师一：你们觉得自己的轮形有助于小车在地面移动吗，那怎样做才不会影响移动呢？

教师二：三角形会有很大阻力，不利于小车移动，应该做成圆形的哟。

两位教师的语言经常会出现在高中物理教学中，合适的提问方式，可以促进思考，而不合适的方式只能够导致学生的惰性思维。虽然教师的语言同样亲切，态度可能一样和蔼，但是所产生的的效果必然不同，现在的教师往往越俎代庖，帮学生完成本可以促进学生成长的思考过程。正如中国的一句俗语：勤快的教师只能产生懒惰的学生。

（5）其他问题

首当其冲的是资金问题，学生进行成果的制作需要大量的工具，比如：钳子、镊子等，还有一些基础原料，比如：塑料、PVC管等。这些都需要大量的资金来进行支持，而高中物理教学一般很少涉及此类的资金投入，并且社会各方也没有该项的资金支持和基金立项。此外，还存在社会环境的问题，当学生完成一项项目时，首先要有真实性情景的配设，而高中物理教学大多采用一种虚拟的方式，使学生明白这不是真的，而是在进行一项有目的的实验。

如果进行STEM教学大多与现实情况为依托使学生接近于真实世界，让学生产生一种社会人的责任感，更全身心的投入到项目中去。

（三）解决策略

1．多学科教师合作，争取企业合作

大多学校在开展STEM教育中，教师缺乏专业知识，学生缺乏问题的真实场景，建议与当地企业合作，配合教学进度进行企业参观，并在参观时尽量争取专业人士的讲解。比如：清华附小以主题的形式展开的STEM整合教学。

在讲到语文课文《蒲公英找妈妈》时，科学课配合讲解蒲公英的生命周期，又请学生家长（生物系）讲了一节关于植物繁衍生息的公开课，最后当学生获得了足够的理论基础，语文课作业为写一篇关于蒲公英找妈妈的作文，虽以语文课程为依托但根据科学课和大量的其他课程的加入，对本课程进行整合，锻炼了学生的综合素养和能力，并且学生全方位的了解蒲公英的繁衍和植物的繁衍，语文课文不再是一个童话故事般的存在，让学生懂得了科学故事的内涵，在培养能力的同时又拓宽知识的广度、加大知识的深度。

2．充分利用课外时间，课堂课外相互结合

STEM教育的开展通常存在时间短缺问题和学生发展不平衡问题，建议提供课余时间来进行项目学习，比如：暑假期间，长春市合展高中于暑假根据不同学生的发展情况来针对不同学生提供暑假衔接课程和学生支持项目，针对小组特点对小组配备专业指导教师。项目都采用学生自愿原则，开学后进行成果展示。

3．注重资源日常积累，合理利用资源

（1）与家长亲属取得联系，发动家长、亲属等进行常规物品收集，比如：铁罐、PVC管、塑料薄膜等，极大的节约资本，并达到资源回收再利用的目的，还可进行环保宣传。

（2）学校和社会进行捐款，把必买的工具补齐。

（3）进行定期的成果展示，比如家长会开放日、元旦、圣诞节等来进行学生的成果展，对学生的成果进行装饰，并进行拍卖，以获取资金。

4．教师定期培训，实现生涯内再成长

由于新课改的进行使得大量的教师获得了定期培训的机会，希望学校对教师培训成果进行验收，使得教师不断地进行生涯内的再成长，使得教师在自己的实验课上调整自己的实验设计，更加符合STEM的培养目标。但更重要的是，当前的大部分教师都无法满足STEM教育的标准，所以应进行集中培训。当前，在STEM开展进行中最主要的问题不是学生可不可以学，而是老师可不可以教，对于STEM教师的培训问题应积极争取各方支持。

 结语

STEM教育在以美国为首的世界其他国家正在大规模的进行，从最初的高等教育到中小学再到幼儿园其改革的步伐逐渐扩大，影响范围越来越广，也使得越来越多国家开始加入。

而我国的教育改革也已有十多年的时间，虽与美国等国家的方式不同但目标一致，即：培养学生对于科学研究的兴趣，培养学生科学文化素养，培养21世纪的创新型人才。随着科技的发展，社会的进步，学生早已从知识的被动接受者变为知识的主动吸收者，传统的教师一言堂，早已不适用于拥有智能手机，可以灵活进行信息检索的学生，让学生安静地坐在课桌后，听从教师的单方面传输已不再合适，越来越多教育者开始提倡:应把更多的课堂自主权还给学生。STEM教育充分的肯定了学生的主体地位，让学生成为课堂的主人，提倡将现代化手段引入课堂。因此，虽国情不同、理念不同，但由于STEM教育自身特点，仍可为我国高中物理教学提供某些方面的借鉴，其效果或许难料，但前景令人期待。

因此，对于STEM教育理念与高中物理学科融合方面的研究具有非常强烈的现实意义，由于笔者能力问题，且国内高中物理STEM课程尝试有限，生成的文献较少，只能对于高中物理课程与STEM理念融合的困境进行初步分析，针对当前已有案例提供解决对策，并且笔者教学时间不足，对于教学中产生的有些问题，无法做更深层次的研究，在教案设计和对抛体运动教学案例分析方面存在诸多不足，在理论与实践方面需做进一步的充实和改善。关于其后续发展以及其背后的教育理论与学科结合，这些都将是在未来继续持续关注的内容。