STEM教育下学生科学探究能力的有效培养

义务教育阶段学生关键能力培养的有效途径是科学探究教学。STEM教育和学科教学有效整合是培养学生科学探究素养的好途径，物理学科教育更是实施的好载体。STEM教育下的科学探究教学将物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面的科学素养培养有机整合统一，有序实施，有力促进学生创新素养发展，有效地实现全面培养学生核心素养的目标。

笔者围绕核心素养下的学生自主探究能力有效培养进行了探索，有效整合STEM教育和物理学科教学，提升学生自主探究能力。

一、领会核心素养培养要求，确立STEM教育改革方向

STEM教育是指将科学、技术、工程、数学等基础学科有效融合起来的教育，强调利用科学、工程方式培养学生动手探究能力，这和新课程标准落实核心素养培养，发展学生科学探究素养高度吻合，是一种很好的培养学生探究能力的教育方式。STEM教育与物理学科核心素养培养改革实质，就是以物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等学生发展要素培养为指导，改革物理课堂内外的教育教学活动方法，创新运用STEM教育方式，激发学生主动参与课堂或生活探究活动，引导学生自主探究，逐步学会学习、学会运用，从而有效培养学生的自主创新能力，使学生逐步学会如何生活、如何做人，自主持续发展，全面提高整体素质。

有效培养学生物理学科核心素养的STEM教育，就是将STEM教育和物理教育高度整合，从激发学生探究兴趣开始，再到学生主动开展探究学习活动，最后实现学生自身自主创新发展。这是物理课程教学改革的重要方向和实施目标。

二、设计物理探究教学模式，奠定STEM教育实施基础

运用STEM教育，设计有效探究教学模式，改革课堂课内外探究教学活动，创新育人方式，为实施STEM教育和物理新课程教育创新整合打好基础。

1.有效科学探究教学模式

新物理课程标准下的探究教学，必须创设建构激励学生自主发展的多元智能教育的物理探究活动教学模式。

我们设计了STEM教育下新的物理自主探究教学活动教学模式，即“课前导探—自主探究—分享归纳—应用实践—升华创新”探究教学模式，以课前兴趣探究导入教学，运用STEM教育理念，将物理知识探究融入每个学习活动环节，学生自主探究，共同分享、归纳，实践应用解决实际问题，最终升华到创新运用知识解决生活问题。物理科学 探究教学的有效实施，能激发学生主动探究的兴趣，发展学生自主创新学习能力，培养学生核心素养。

2.自主探究教学模式依据

STEM教育理论认为，教育过程要以学生发展为本，可通过有机整合科学、技术、工程及数学等知识，把学科知识融入生活中发现问题，引导学生主动探究解决问题，激发学生主体内在的学习动机和自主解决问题的自我成就感，这和《义务教育物理课程标准（2022年版）》一脉相承。物理课程标准强调物理教学必须利用真实情景，突出问题导向，采用多种方式开展科学探究教学。选择适合学生主体需要的自主探究教学模式成为当前物理教育的必然要求。

三、实施自主探究教学改革，全面培养学生核心素养

根据制定的物理探究活动教学模式，创新开展自主探究能力培养改革实践。

1.设置课前激趣探究导学，打好课堂探究活动基础

在每节课结束时就为下一节课做好铺垫：布置预习实验，开展课前预设探究，为下一节课堂探究活动顺利开展做好准备，激发学生主动投入探究学习的兴趣。预习实验必须选择有趣且容易完成的，保证学生人人都能主动参与，都能动手完成。

例如在教学《电磁铁》的前一节课结束时，可设置生活现象引导学生进行课前实验探究：老师不小心将大头针全洒落地上，影响同学们行走安全，请你利用老师提供的器材（或自备器材），课后设计以最快速度将大头针收集起来的做法，下一节课前汇报方法并同时加以实验演示说明。

设疑激趣，课前探究，就为学生下一节课主动探究新知识打下良好基础。

2.进行预设探究成果汇报，引导主动开展课堂探究

下一节课的前五分钟，请学生将课前设计的实验展示汇报，解决前一节课提出的问题，引导学生主动投入到课堂新知识探究学习中。

《电磁铁》教学中，课堂教学活动开始，请做好预习的学生利用自备或教师提供的电池、细铜导线（圈）、铁棒、导线等器材，演示讲解课前预习的收集大头针操作方法，并说明其中的道理。

学生积极上台演示并讲解自己的方案。

教师点评：同学们都做得各有特色，那你能从物理知识的角度来解释上述做法的道理吗？为了弄懂其中的物理原理，我们一起来探究“电磁铁”的知识。

这样导入新课，激发学生主动学习的兴趣，学生很自然地主动投入到实验探究学习活动中。

3.启发学生呈现思维过程，共同分享探究成果

（1）启发学生汇报基础探究，主动呈现思维发展过程

随后，课堂探究，引导学生自主进行基础实验探究，自主分析处理实验数据，讲解自己实验结论的思维形成过程，汇报展示实验探究操作过程。特别鼓励学生在课堂后段主动展示汇报自己的探究学习、思维推理、结论形成过程，分享交流，从而得出最终实验结论。

《电磁铁》基础探究教学中，可引导学生从以下问题自主汇报，完成基本实验探究过程。

① 提出问题。电磁铁的磁性跟什么因素有关？请你提出猜想并利用老师提供或自备器材进行实验探究并验证。

② 实验探究。引导学生主动分享自己设计的实验电路图，完善后进行分组实验，得出初步探究的结论。

③ 分享汇报。学生上台展示汇报实验探究结论，分享探究结果。

通过这些基本活动步骤，采用科学、技术、数学的STEM教育基础活动，在师生共同分析、共同分享过程中，引导学生初步经历科学探究学习，并在课堂上充分展示自己的思维发展过程，主动分享基础实验探究结果，达到初步培养学生基本实验探究能力的目的。

（2）引导学生运用探究结论，主动分享原理生活理解

在前面基本探究基础上，引导学生运用基本实验探究结论，解决基本物理原理生活应用课堂分享。

在《电磁铁》课堂基本探究教学后，请学生分析生活中温度报警器的原理。

当前防疫用到的一种基本人体温度自动报警器：在水银温度计中封入一段金属丝，金属丝另一端连接电磁继电器电磁铁，当接触温度计的人体温度超过正常值37℃时，报警器会自动报警。请结合原理简图简述其工作原理。

学生上台汇报自己的思维过程，主动阐述自己对电磁铁应用的理解。在基本探究原理过程中，学生基础思维能力得到进一步发展，为学生开展课后拓展探究做好准备。

4.鼓励学生课后拓展运用，全面培养自主创新能力

利用STEM教育的工程活动，提升课后知识运用能力。课堂基本探究结束前教师要为学生课后继续探究留下伏笔，布置课外应用制作类作业，拓展课外实验探究能力训练，鼓励学生应用知识创新制作解决实际问题，培养学生的自主创新能力。

首先，教师根据探究学习内容，引导学生利用生活物品设计演示简单制作，如制作简易可控磁性强弱电磁铁等。其次，启发学生利用身边物品完成老师堂上布置的拓展制作类作业，如创新制作生活温度自动报警器等。最后，回归到下节课前的自主汇报展示，学生课前演示自己制作的作品，共同分享物理知识生活应用的体验。

第二节课前的学生生活应用创新制作展示令人惊喜：有学生利用药瓶、电池、金属线、导线等制成的生活温度自动报警器；有学生用热敏电阻代替水银温度计，将上述测温反应时间过长的水银防疫人体温度自动报警器，改装为即时反应的热敏防疫人体温度自动报警系统，提高了测温的效率。

学生上台分享的时间控制精确，重点展示汇报，演示效果明显，汇报讲解清楚，形成了良好的课堂教学氛围。

5.回归发展学生综合能力，提高核心素养培养效率

STEM教育与物理教学整合的目的是发展学生核心素养。创新运用所学物理知识解决应用题并运用于生活，是培养物理学科核心素养的重要途径，更是自主探究能力提高的重要体现。教学中，必须回归课程标准要求，加强学生综合能力训练，结合生活应用，开展课内外创新解题应用训练。此外，除了在课堂上让学生完成探究解题及汇报分享外，布置学生动手完成课堂实例课后创新制作实践作业是有效途径。

（1）引导学生进行课堂典型例题练习

课堂教学中，在完成课前5分钟的上一节课后探究汇报基础上，再引导学生完成一道对应知识点的精选习题，巩固课堂教学效果，培养学生综合运用知识解题能力。例如，在完成《电磁铁、电磁继电器》课堂基本探究教学后，下一节课前布置学生完成课堂练习：

有人利用光敏电阻和电磁继电器等器材，制成小区公园草坪夜晚自动照明工作灯，请你结合设计图说明草坪灯工作原理。（中考题）

（2）启发完成课后拓展创新应用制作

完成课堂练习后，启发学生完成相应课后创新应用制作。将上述题目进行课后拓展，要求学生利用家庭生活电路器材完成简单类的应用制作，并在下节课前和同学、老师演示分享。

结果，学生有的制作了民居夜晚噪声污染自动报警器，有的制作了防汛水位自动报警器。学生不仅加深了对课程标准的理解，更懂得创新应用解决实际问题，提高了科学探究素养，发展了自主创新能力，学科核心素养培养达到更高层次。

综上所述，运用STEM教育，实施创新科学探究模式教学，学生主动参与探究学习，主动创新运用，自主探究能力大大加强，学科核心素养全面提高，逐步走向创新发展，有效实现新课程全面育人目标。

注：本文系广东省教育科学规划2022年度中小学教师教育科研能力提升计划项目课题“新课程改革下的学生科学探究能力培养的行动研究” （课题编号：2022ZQJK003）的研究成果。

责任编辑 罗 峰