STEM视域下PBL模式在初中物理实验教学中的应用研究

摘 要：教师将融合科学、技术、工程、数学的STEM理念应用于初中物理实验教学中，构建PBL模式，能在实现科学、技术、工程、数学渗透，并弥补初中物理实验教学的不足之处，促进学生知识迁移、系统、整体学习与运用，在提高学生分析理解、知识应用、思考表达能力方面发挥着重要的作用。鉴于此，文章基于初中物理实验教学需求，在STEM视域下，进行理论概述、可行性与重要性分析，并重点探究PBL模式在初中物理实验教学中应用的策略，希望能对初中物理教师提高实验教学效率与质量有所启示。

关键词：STEM理念；PBL模式；初中物理；实验教学；应用策略

中图分类号：G633.7   文献标识码：A   文章编号：1673-8918（2024）48-0127-04

随着人才战略的全面落实，党和国家愈发关注人才培养过程与结果。教育部牵头颁布相关政策文件，推进教育改革持续深化，对各学段、各学科教师都提出了新的教育要求。STEM是较强应用性学科有机融合的教育理念，强调科学、技术、工程以及数学四门学科全方面关联、融合。在STEM教育理念指导下，初中物理教师构建PBL教学模式，以问题为导向，开展物理实验教学工作，具有较强可行性、重要性。如何高效运用PBL模式，提高物理实验教学效率与水平深受教师关注，是教师推进课程改革深化的研究重点。以下融合STEM理念、PBL模式，基于《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”），按照问题情境创设、假设提出、小组合作、分析与解决问题、学习成果评价的教学流程，探究初中物理实验教学有效运用PBL模式的方法。

一、 理论概述

（一）STEM理念概述

STEM即科学、技术、工程、数学教育总称，科学解释了世界、自然界的客观规律；技术和工程师在尊重自然规律的基础上，对世界进行的改造、控制、利用，从而解决社会发展过程中的难题；数学则是技术与工程的基础性工具。将科学、技术、工程以及数学四门学科有机融合在一起，构成STEM教育模式。STEM理念强调在系统运用四门学科知识、技能开展教学工作的过程中，培养学生的科学素养、技术素养、工程素养以及数学素养，提高学生认知、理解世界，发现、表达、解释、解决问题的能力。

（二）PBL模式概述

PBL是Problem-Based Learning的简称，即，问题式学习，强调以问题为导向，是以学生为中心的教学方式。问题驱动、情境探索、协作解决问题是PBL模式的典型特征，强调以问题为驱动、以学生为主体开展教学工作。PBL模式区别于以学科为基础的教学方法，强调学生主动学习为主，将学习与任务、问题挂钩，创设问题情境，引导学生投入问题，研究、分析并解决问题。

二、 PBL模式在初中物理实验教学中应用的可行性

在初中物理学习过程中，学生核心素养的形成与发展离不开科学探究。教育部牵头推进的教材改版，调整、完善教材内容，以教材为载体向学生呈现系统、完善的物理知识体系，不仅有利于学生知识整体学习、实验探究，还为新理念、新教学模式的应用提供落脚点。PBL模式在初中物理实验教学中的应用，具有较强的可行性。

一方面，各学段、各学科教材随着教育改革的持续深化，以服务学生知识学习、掌握与应用为方向不断改变。从物理教材角度而言，人教版教材物理知识点、实验等的选编、设计等不断优化，与初中生认知规律更加契合。初中物理教材为学生由浅入深、系统学习物理知识提供良好载体，不仅适合学生学习，助力学生由浅入深学习、掌握物理知识；还对课堂创新、课程改革具有实际意义。

另一方面，从教学内容角度而言，PBL强调以问题为导向，学生的自主参与、分析尤其重要；物理实验教学强调学生动手实践，PBL模式与初中物理实验教学都对学生学习自主性、能动性提出较高要求。初中物理实验教学构建PBL模式，恰能为问题的提出、分析与解决创建良好的学习环境。在以学生为主体的物理实验教学情境中，教师基于物理实验现象，直接提出问题或引导学生提出问题，能以问题为学生指明实验探究、分析思考的自主学习方向；PBL模式以问题的提出、分析与解决问题为重点，PBL模式与初中物理实验在教学内容方面的关联性。

简而言之，初中物理实验教学与PBL模式都强调学生的主体性，物理实验基于真实情境的实验现象促进学生知识学习、思考与运用；PBL教学模式基于真实情境提出问题，引导学生思考，在提高学生思维能力方面产生显著效果。初中物理实验教学运用PBL模式具有较强的可行性，共同致力于促进学生掌握知识、解决问题、建构知识体系。

三、 PBL模式在初中物理实验教学中应用的重要性

在STEM视域下，初中物理教师在实验教学全过程，推进PBL模式落实，强调问题与物理实验探究有机融合的重要性，引导教师将问题的提出、分析与解决贯穿于实验教学全过程。以问题为学生实验操作、观察、思考、探究指明方向，对学生深度学习、思维发展具有重要作用。换言之，PBL模式在初中物理实验教学中的应用，能充分运用物理实验教学素材，遵循学生认知规律，促进学生自主、能动、高效学习，强化学生物理学习效果，提高学生综合能力。

（一）合理提出问题，指明实验探究、思考方向

PBL模式即以问题为导向的教学模式，将其应用于物理实验教学环节，将问题的提出、分析与解决贯穿于实验教学全过程，是该模式的主要特征，也是对师生的必然要求。PBL教学模式的构建将问题放置于物理实验教学中心点，以问题引导学生动手操作实验器材，观察并分析物理实验现象，为学生指明实验探究、问题思考的方向。学生在物理实验学习的过程中分析并解决问题，对其思维发展具有实际意义。

此外，PBL模式构建过程中，问题情境的创设，不仅以教师为问题提出主体，还强调学生在问题提出环节的主体地位，强调师生各自提出问题。教师从物理教学的专业角度入手，根据班级学情、教学需求，合理提出问题，为学生实验操作、思考指明方向。同时，教师还要充分发挥教学引导作用，通过适当的语言引导、工具辅助，助力学生从实验操作、物理学习的角度入手，将自己在学习过程中存在的问题提出来，引起学生对问题的广泛讨论。

（二）创设问题情境，增强物理实验教学吸引力

初中物理教师构建PBL教学模式，最关键的是创设问题情境，基于师生需求，在物理实验教学过程中提出问题，并共同分析、思考、解决问题。教师根据教材内容，从生活中挖掘、运用与物理知识相关的现象、素材等，将其开发为物理实验教学资源，促使学生对生活中具体的物理现象进行实验探究，能有效激发学生对物理实验现象、原理以及相关物理知识的兴趣。

STEM教育理念引导下的初中物理实验教学，融合科学、技术、工程以及数学多学科知识，对物理实验素材、资源等进行补充以及拓展延伸，对物理实验进行跨学科精心设计；并在丰富、真实生活素材的支持下，让学生在观察、分析物理实验的过程中，充分调动积极性、主动性。

简而言之，PBL模式强调问题导向性，在具有较强探究性的初中物理实验教学过程中，构建PBL教学模式，创设问题情境，能在引导、启发学生思考的过程中，增强物理实验教学对学生的吸引力，充分调动学生物理学习积极性。

四、 STEM视域下PBL模式在初中物理实验教学中的应用策略

STEM视域下，初中物理教师坚持问题导向性原则，构建PBL教学模式，补充物理教学内容，灵活运用教学问题，驱动学生自主学习、实验探究，在引导学生提出、分析、思考、解决问题的过程中，提高学生物理实验学习效率与质量。初中物理教师要在实验教学环节全面落实STEM理念与PBL模式，就要从资源整合、框架构建两个方面入手，基于STEM教育理念，将科学、技术、工程、数学学科知识与初中物理实验教学融合，促进知识迁移、跨学科学习，从整体上提高学生知识学习、技能掌握与运用能力。

（一）基于STEM理念挖掘、整合教学资源

新课标明确初中物理实验教学四个维度的核心素养，即物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。初中物理教师要在新课标核心素养培育四个维度的教育要求下，整合科学、技术、工程、数学以及物理多学科教学资源，目标明确地挖掘、开发并利用丰富且优质的教学资源，补充初中物理实验教学资源。基于STEM理念，初中物理教师整合教学资源，要强调物理作为自然科学课程的属性，整合多学科内容，引导学生正确认知科学、技术、工程、数学以及物理之间的关系，培养学生科学的学习态度、正确的价值观念；并在引导学生物理实验观察、探究的过程中，促进其掌握多学科知识、实验研究方法，并从物理走向生活，提高学生思维能力、解决实际问题的能力；将物理知识、实验探究能力等转化为学生的生活经验。教师挖掘、整合教学资源，要摆脱单一课程教学的限制，分析、研究中考物理试卷命题特点、考查重点，以中考改革倒逼物理实验教学内容与形式改革，全面落实STEM教育理念。

以人教版《物理》八年级下册“重力”教学为例，教师要从教材研读、课外补充拓展两个环节入手，将课内外相关资源整合在一起，作为物理实验教学主要内容。一方面，教师对人教版教材本节内容进行研读可知，教材主要包括物理概念、物理实验以及思维拓展模块，“想想议议”“想想做做”以及“动手动脑学物理”都是物理教材思维拓展模块的主要内容，也是物理教材融合STEM理念选编内容的表现。具体而言，“想想议议”模块以飞机在地球投放物资时受到的重力为例子，假设没有重力的生活情境，引导学生深入思考、理解“重力”这一物理概念，将物理知识融入日常生活，以学生熟悉的生活事物，促进学生深入理解物理概念；并涉及科学领域内容，引导学生从科学角度分析、思考物理概念以及相关现象。“想想做做”模块的“用一根细线拴住橡皮甩起来做圆周运动”的内容，与STEM理念的“技术”学科相对应，引导学生在动手实操的过程中，感受物体围绕圆心做圆周运动全过程力的变化。“动手动脑学物理”模块结合具体的物理习题，引导学生运用具体的数字，深入学习、理解物体受力情况以及力的大小变化。这一模块涉及工程、数学学科内容，是STEM理念中“E”与“M”的具体体现。此外，“科学世界”从人类对地球之外太空探索的角度，对本节物理知识进行补充拓展。另一方面，教师要基于STEM理念，挖掘、开发并运用课外教学资源，对课内物理实验教学内容进行补充、拓展延伸。围绕本节物理实验“探究重力的大小跟质量的关系”，教师整合器材工具资源，引导学生使用测重器测量钩码以及生活中常见物体的重力；使用电子秤测量物体的实际质量，并在直角坐标系中标注物体质量与重力的具体数值，直观呈现物体质量与重力的关系。除了在物理实验中，教师选用可使用工具测量质量与重力的物体，增加实验对象；还要列举生活中真实的案例，为学生提供物理实验观察、分析的丰富素材，促进学生整体学习与理解物体重力与质量关系相关物理知识。

（二）以STEM为核心，搭设实验+PBL框架

初中物理教师在实验教学环节，渗透STEM理念，并坚持问题导向性原则，构建“物理实验+PBL”教学模式，能充分发挥问题启发、引导学生实验观察、分析、思考、操作的作用。教师要在STEM理念要求下，搭设“实验+PBL”框架，将初中物理实验教学覆盖于框架引导下。PBL模式提供方法支持，初中物理实验教学提供内容支持，STEM教育理念提供策略支持，搭设STEM视域下初中物理实验PBL教学框架。教学框架支持初中物理实验教学，推动物理实验教学摆脱传统教学模式的限制与影响，在助力提高物理实验教学效率与质量方面发挥着重要的作用。

以人教版《物理》八年级下册“杠杆”为例，在本节物理实验“探究杠杆的平衡条件”教学过程中，教师基于科学、技术、工程、数学多学科及跨学科教育理念要求，将以物理知识为主要内容的实验素材进行部分替换，渗透、融合多学科知识，推进STEM理念具体落实到杠杆平衡条件物理实验探索全过程，对学生进行有效的知识补充、拓展、延伸，促进学生以“杠杆平衡条件”物理实验为载体，系统、整体学习与之相关的多学科知识，逐步完善学生知识体系。杠杆在生活中随处可见，生活中的常见物体，晾衣竿、木板、尺子等均可被看作杠杆，且能以学生更加熟悉的物体，激励学生自主进行物理实验探索。教师选择晾衣架为本次实验研究的杠杆，在衣架两端的挂衣钩上挂上各种物体，从衣架不平衡的状态将其调整为平衡状态。在衣架状态改变的过程中，教师引导学生从两端挂钩取下、增加各种物体，以生活中熟悉的直观现象，激发学生实验探究兴趣，引导其进一步探究杠杆平衡条件、原理等。例如，教师基于PBL模式提出问题：“在处于平衡状态的衣架一端增加袜子、浴巾、毛巾等物体，衣架增加物体的一端会下沉，衣架处于不平衡的状态。那么如何操作能让衣架恢复平衡状态？”基于这一原始问题，教师提出3个探究性问题：“如何判定杠杆的平衡状态？当挂有物体的衣架发生倾斜，则衣架是否处于平衡状态？”“衣架平衡状态被打破的原因是什么？”“当衣架处于不平衡状态，则如何在两端悬挂衣服等物体，让其恢复平衡状态？”教师将全班学生划分为3个小组，3个小组分别对应上述3个问题，动手操作衣架，控制衣架两端物体的数量、重量等，让衣架在平衡—不平衡的状态调整，结合具体的物体实验现象，促进学生对杠杆平衡条件以及原理进行深度探索。

在“物理实验+PBL”框架指引下，教师将物理实验落实到日常生活层面，以生活中常见的现象激发学生实验探索兴趣，并将衣架平衡与不平衡状态与物理“杠杆平衡条件”学科知识有机融合，深化学生对生活现象、物理知识的整体理解，从整体上强化学生综合学习效果。

五、 结论

在新课标要求下，STEM教育理念与PBL教学模式出现，并被要求广泛应用于学科教学实践过程中，推进课程改革深化，为学生创造更好的学习环境。初中物理教师在实践性较强的物理实验教学环节，落实STEM理念、PBL模式，需要明确两个教育概念、可行性以及重要性，从资源挖掘、整合以及框架搭设、优化两个方面入手，坚持问题导向性原则，设计、提出合理问题，引导、启发学生思考及实验探究，从整体上提高学生学习效率与质量。

参考文献：

［1］许忠林.探究性实验教学在初中物理教学中的应用研究［J］.名师在线，2024（21）：53-55.

［2］郭秉柏.“让学引思”在初中物理实验教学中的应用［J］.甘肃教育，2024（13）：107-110.

［3］王安良.基于问题生成的初中物理实验教学方法的应用［J］.中学课程辅导，2024（7）：18-20.

［4］袁洁.基于PBL教学模式的初中物理实验教学研究［D］.贵阳：贵州师范大学，2023.

［5］李靖.PBL教学模式在初中物理实验教学中的应用［D］.杭州：杭州师范大学，2022.

［6］李小霜.STEM视域下PBL模式在初中物理实验教学中的应用研究［D］.湘潭：湖南科技大学，2022.

作者简介：卢志江（1972～），男，白族，贵州毕节人，大方县三元彝族苗族白族乡三元中学，研究方向：初中物理教学。