科学课程有分科与综合科学课程，学校教育中的“综合科学”不仅指物理、化学、生物、地理等学科的综合知识与技能，而且包括这些知识形成的科学活动及其相关的社会、历史、文化背景，科学综合课程更有利于学生解决问题能力的培养。［1］(P13)近年来，为了更好地培养学生解决问题的能力，STEM教育逐渐走入全球教育界的视野。STEM教育是当今最具基础性、综合性、创造性和经济性的教育，是各国教育竞争力、改革力和发展力的劲爆点。［2］STEM教育的提出，是为了促进教师进行跨学科融合，帮助学生不被单一学科知识体系所束缚，鼓励学生跨学科解决问题。［3］因此在中学物理教学中，有必要渗透STEM教育的“整合性”理念。 一、STEM教育概述 20世纪80年代末，美国科学基金会（National Science Foundation,NSF）首次提出STEM。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）以及数学（Mathematics）四门学科的简称。同时美国科学基金会还联合科学家、技术家、工程师和数学家，共同提出了STEM教育。STEM教育的本质存在着争议。有人提出，从应用层面上STEM教育的本质分为两种取向：一种是“整合取向”，即认为STEM教育的核心是跨学科整合，强调在学科整合过程中培养学生的素养与能力并解决实际问题；另一种是“细分取向”，即认为STEM教育应该仔细分析四门学科整合的有效路径，找出满足社会需求发展的类型。［4］也有人提出STEM教育的本质为相关学科课程整合，有“横向整合”和“纵向整合”两种模式，横向整合模式是指跨学科、跨领域的课程整合模式；纵向整合模式是指适合各阶段学生认知水平，促使学生核心素养随着学习阶段的延伸实现连贯一致发展的模式。［5］无论是对STEM教育本质的哪种定义，都是为了让学生在学校中不仅学习科学知识，还能够培养学生学以致用、通过理性客观的方式解决问题的能力，以便学生能够更好地适应社会的发展。目前，我国中学物理教学大多采用的仍旧是分科教学，为了更好地培养学生解决问题的能力，在中学物理教学中融入STEM教育的跨学科整合教育理念是必要的。 各个国家在不断推进STEM教育。美国K-12教育主要是通过制定教育标准、加强课程融合、动员社会力量参与、建立保障机制、实现教育衔接等措施，保证学生STEM素养，培养学生创新思维和能力。［6］德国的STEM教育体系中，完善的职业教育体系以及终身教育理念仍旧占据主导地位。［7］英国针对吸收社会力量发展STEM教育提出了一些方法，这对如何借助社会力量来推进我国STEM教育的发展提供了参考性的建议。［8］ STEM教育也开始在中国不断推进和发展，在教育实践、理论研究和教育政策方面均取得明显进展。一是对于STEM教育的具体发展方式，各地均积极地展开了探索，许多学校建立了STEM专业教室或创客空间，在课堂教学中推动项目式学习；二是STEM教育呈逐渐繁荣的态势，STEM教育研究成果的数量正在不断地增加；三是STEM教育被纳入国家战略发展政策。［9］另外，我国香港地区通过大量举措支持和推进STEM教育。［10］ STEM教育的整合模式可以细分为科—技整合、科—工整合、科—数整合三种，以及这四门学科的综合整合。我国中学物理教学可以融合这种整合的思想，即物理科学知识与科技发展的整合，与工程设计任务的整合，与数学思维的整合，以及物理科学知识、科技发展、工程设计任务、数学思维均整合在一起。 二、我国物理教学中STEM教育的现状 STEM教育体现的是四门学科的综合整合，但在中学物理教学中，可以只体现其中一种整合模式，也可以体现多种整合模式，本文主要讨论科—技整合、科—工整合、科—数整合模式对我国中学物理教学的影响。其中科—数整合已属常态，如物理量的定义式、规律的表达式、解决物理问题的过程中都用到了数学知识，且该种整合方式在国内外已有很多相应研究。［11］［12］科—技整合在中学物理教学中已有所发展，但科—工整合则是我国中学物理教学过程中所欠缺的。 (一)科—技整合在物理教学中的发展 世界知识产权组织在1977年版的《供发展中国家使用的许可证贸易手册》中，给技术的定义是：“技术是制造一种产品的系统知识，所采用的一种工艺或提供的一项服务，不论这种知识是否反映在一项发明、一项外形设计、一项新型实用产品或者一种植物新品种，或者反映在技术情报或技能中，或者反映在专家为设计、安装、开办或维修一个工厂或为管理一个工商业企业或其活动而提供的服务或协助等方面。”实际上，技术一词可指代一切为满足人们需求而发明的事物。［13］物理学发展离不开技术的发展，物理教学也是如此，一方面教学内容需要与科技发展联系紧密，另一方面物理教学手段需要融入计算机技术模拟物理模型。 1.物理教学内容与科技发展联系紧密 物理是一门以实验为基础的学科，实验需要以相关的一些实验仪器以及科技的发展作为相应的支撑。例如传感器的发明就将一些实验数据的测量以及图像的制作变得更加的容易，我们可以采用力传感器来进行牛顿第三定律的相关探究实验等。另一方面，物理课程标准明确规定要关注科学技术的现状及发展趋势。在内容标准部分，有详细的对课程内容与技术结合的要求，如万有引力部分，《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）中的规定为：“通过史实，了解万有引力定律的发现过程，知道万有引力定律，认识发现万有引力定律的重要意义，认识科学定律对人类探索未知世界的作用。在活动建议部分，则明确提出要学生观看有关人造卫星、神舟飞船、航天飞机、空间站的录像片。”［14］（P15-16）这些对内容的要求，能够让学生感受到物理知识在生活中的运用。因此，在实际教学中可以添加一些与现代科技紧密相连的知识内容，如我国一共发射了多少颗卫星、目前地球的同步卫星都有哪些、卫星的发射以及运行原理等航空航天知识。这样，一方面拓宽了学生的视野，让学生能够对物理知识的认识更加深刻；另一方面可以让学生明白物理知识并不是脱离现实生活而存在的。 2.教学手段融入计算机技术模拟物理模型 多媒体、实验仪器、计算机都是技术发展的产物，这些技术手段也与物理教学结合在一起。其中，计算机模拟物理模型的方法，对学生更加清晰地认识物理模型，起到了极为重要的作用。有些模型的构建是没有办法在现实生活中呈现的，需要采用计算机模拟的方式呈现给学生。如牛顿的力学体系是贯穿整个力学部分，而现实生活中就没有办法达到牛顿力学的理想状态环境，所以可以根据该种整合思路，利用Netlogo平台来创建模拟微环境“Dynaturtle”。［15］中学物理教学中已经有了利用计算机模拟物理模型的实例，如：利用3DS Max软件制作地球同步卫星模型与一般地球卫星模型，探究地球同步卫星的基本运行规律［16］；利用3D虚拟增强现实技术研究平抛运动。［17］物理实验的设计与探究同样需要物理模型的构建，而物理模型的构建与计算机模拟之间的关系也得到越来越多的重视。［18］［19］ 因此，物理教学与技术发展之间的联系已经有了相关的研究［20］，科—技整合的思想在我国中学物理教学过程中已经有所发展。 (二)科—工整合在物理教学中有待发展 科—工整合模式对培养学生科学探究能力有着重要的作用，有三种思路：应用延伸型整合思路，工程框架型整合思路，设计与探究型整合思路。在这三种思路中，由于科学与工程所占比重的不同，对物理教学过程中培养学生科学探究能力的影响也有所不同，根据具体比重，工程框架型整合思路的影响更为明显。 1.教学内容需要添加工作设计任务 工程框架型整合的具体思路是：以工程设计任务为框架创设物理学习情境，激发学生的探究兴趣；根据工程任务的设计需求开展具体的科学探究；再通过假设检验和解释建构为设计改进提供依据。这样的一堂课显得更加的完整。以胡克定律教学为例，课程标准对这一部分的要求是“知道胡克定律，制作一个简易弹簧测力计，再用胡克定律解释工作原理”。该种思路是以工程设计任务展开学习，进而探究胡克定律，从实际问题出发，为了解决问题，进行“弹簧弹力与伸长量的关系”的科学探究过程。这种教学设计，一方面可以更好地激发学生的学习兴趣，另一方面可以让学生充分认识到物理知识的实用价值。 2.采用工程设计任务框架教学引导学生科学探究 “新课标”提出的物理学科核心素养包括科学探究等。科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素。［14］（P2-3）工程框架型整合思路并不是要摒弃这些要素，而是让整个探究过程变得更加完整。当前，我国中学物理课程以工程为框架展开科学探究的方法并不常见，但在国外基础教育中，该种整合思路应用到了具体教育过程中，如Lachapelle等人描述的“降落伞设计”案例［21］。同样以胡克定律教学为例，作为框架的工程设计任务为“用一根弹簧测量一个质量未知钩码的重力”。学生先讨论完成任务需要的必要的信息，学生已经清楚弹簧测力计可以直接测量物体重力，那么将弹簧改装成弹簧测力计就可以测量钩码的重力，弹簧测力计的工作原理就成了完成此项任务的必要信息。进而展开对弹簧测力计实验原理的探究过程，即探究工程设计任务中所给弹簧的弹力大小与弹簧形变量的关系，在得出规律之后，再回到开始的工程设计任务，将该弹簧改装成弹簧测力计，并测量出质量未知钩码重力，最后还要用标准的弹簧测力计测量该钩码的重力，对改装好的弹簧测力计进行校准，如不准确则需进一步改进。整个探究过程完整，并且能够增强学生的学习成就感。 在中学物理的教学内容中添加工程设计任务，可以引导学生的学习，在搭建学习情境的过程中，激发学生的探究兴趣；采用以工程设计任务为框架引导学生进行科学探究的教学方式，能够在培养学生科学探究能力的同时，更好地培养学生解决问题的能力。 三、物理教学中渗透STEM教育的可行性 在物理教学中渗透STEM教育是可行的。一方面，我国越来越重视对STEM教育的研究，对其教育理念和教学模式的认识越来越深刻；另一方面是因为STEM教育与中学物理教学联系紧密，其教学方式及教学目标上有共通的地方。 (一)STEM教育与中学物理教育联系紧密 STEM教育是当今知识经济时代下全新的教育范式，以培养具有善于质疑、勇于实践和敢于创新的学习品质，以及具有跨学科知识素养和解决真实问题能力的人才为根本目标，已经成为了各国教育领域的重要发展战略。［22］也可以说，STEM教育是基于真实问题情境的跨学科式教育，而中学物理教学同样强调创设问题情境的重要性［23］，同样强调培养学生解决问题的能力，STEM教育与中学物理教学在其目标以及教学方式上并不矛盾，并且存在紧密联系，因此中学物理教学中渗透STEM教育是可行的。 (二)中学物理实验已体现科—工整合思想 STEM教育是基于真实情境的跨学科式教育，其整合模式主要有科—技整合、科—工整合和科—数整合。前面已经说过，在这三种整合模式中，中学物理教学中相对欠缺的是科—工整合。在中学物理教学中进行科—工整合的一般模式是：首先创设物理情境，提出工程设计任务；然后通过科学探究解决实际问题的同时完成工程设计任务，或制作某种物品或模型。 中学物理教学实践教材，实际上已体现了渗透科—工整合的思想，主要体现在物理实验中。例如：人教版物理教材中的实验“用圆锥摆粗略验证向心力的表达式”。实验探究之前，提出工程设计任务为“制作游乐场中的旋转飞椅模型”，以该工程设计为框架，同时创设物理情境，即游乐场中的旋转飞椅所蕴含的向心力表达式，进而简化成圆锥摆模型，进行向心力表达式的验证，得出结果后，再完成工程设计任务。再如：“滑轮”教学以“如何用两个滑轮一根绳子在地面将一袋面粉运到5楼”为工程设计任务展开等。 (三)大量物理教学内容可渗透STEM教育理念 人教版八年级上册物理教材的前言中提出，若想学好物理，则需要善于观察，乐于动手，勤于思考，重在理解，联系实际，联系社会。这与STEM教育的基于实际情境的跨学科整合理念是不谋而合的，乐于动手体现科—工整合的思想，联系社会体现科—技整合的思想，联系实际则是需要创设物理情境。 “新课标”明确规定了课程目标，要求学生能解决实际问题，具有构建模型的意识和能力，具有科学探究意识等。培养学生解决实际问题的能力，体现了STEM教育中科—工整合的思想，培养学生构建物理模型的能力、科学探究意识等都需要在教学过程中创设物理情境。以物理情境展开教学，学生发现问题，进而解决问题，学习相应的物理知识，将这样的教学模式贯穿整个高中物理教学过程，以渗透STEM教育理念。 由此可见，大量的中学物理教学内容均可渗透STEM教育理念，以科—工整合的思想为例，我们列举部分可以融入科—工整合思想的教学内容，如表1所示。 表1.人教版物理教材中部分可融合科—工整合思想的教学内容模块八年级上册八年级下册必修1选修3-4教学内容用刻度尺测量长度声音由物体的震动产生音调的高低与频率有关温度计的工作原理重力的方向竖直向下连通器原理物体浮沉条件杠杆平衡条件自由落体运动的规律胡克定律单摆全反射工程设计任务要求用刻度尺测量出课桌的宽度制作一个可以在音乐声中“翩翩起舞”的纸人用玻璃瓶和水制作一组水瓶琴制作一个简易温度计制作一个可以检验墙是否竖直的仪器设计一个茶壶模型制作一个小船模型制作一个跷跷板模型解释苹果落地的运动模型用一根弹簧测量未知物体的重力制作一个单摆模型制作一个潜望镜 四、物理教学中渗透STEM教育的路径 综上所述，STEM教育融入物理教学中是可行的，从上述研究中可以得到以下三条具体实施路径。 (一)将科技发展与学习技术融入物理课堂 “新课标”明确规定了要关注科学技术的现状及发展趋势，并且在内容标准部分，有详细的对课程内容与科技发展结合的要求。因此，教师应当在物理教学中有效融合现代科技发展，以便让学生了解物理并不是脱离生活而独立存在的。 教育技术目前已经是一门具体学科，并且渐趋成熟。每年由美国新媒体联盟发布的《地平线报告》都会总结典型的潜在影响教育和学习过程的学习技术。［24］中学物理课堂中需要学习技术辅助教学，如增强现实技术的应用是比较实用的，主要的技术手段是计算机模拟物理模型，能够帮助学生更加容易地理解物理概念和物理规律。 (二)将工程设计任务的整合融入物理课堂 我国已经有了一些关于工程取向的STEM教育的研究，如对于6E设计性学习模式与物理课程的融合。该种学习模式结合了“科学探究”的思维和“工程设计”的实践，具体包括了参与（Engage）、探索（Explore）、解释（Explain）、工程（Engineer）、深化（Enrich）以及评价（Evaluate）六个阶段，能够更好地培养学生解决问题的能力。［25］以工程设计任务为框架，创设实际教学情境，在实际情景中提出问题，引发学生的思考，进而解决问题，完成工程设计任务。 与单纯的科学探究相比，将工程设计任务有效整合到中学物理课堂中，可以创设情境，在情境中解决问题，再将所学物理知识付诸实践，在任务完成过程中同时强调对学生设计能力及解决问题能力的培养。 (三)对物理教师进行STEM教育的相关培训 为了让中学物理教师更好地将STEM教育融入到物理教学实践中，一方面需要对中学物理教师进行有关STEM教育理论的培训，让其对STEM教育理念、教学模式有深入的了解。只有这样，他们才能在教学中做好中学物理与STEM教育理念的有效融合，才能更好地在教学过程中培养学生解决问题的能力。另一方面，在培训过程中要引导他们进行STEM教育融入中学物理教学的研究，以便能够更好地促进物理教学改革，提高物理教学质量与效率。教学实践需要理论的指导，中学教师的专业化发展是促进本学科改革和发展的非常重要的一个因素，教学研究是促进教师专业成长的根本途径。［26］培训方式可以是多种多样的，一方面可以请一些教育专家为一线教师做讲座，另一方面可以为一线教师开设专门的关于STEM教育理论知识的课程，同时集体学习一些权威的教学研究类文章。 ［1］刘健智.综合科学课程与分科科学课程的比较研究［M］.长沙：湖南师范大学出版社,2009. ［2］詹青龙，许瑞.国外STEM教育研究的热题表征与进路预判——基于ERIC（2005-2015）的量化考察［J］.中国电化教育，2016(10)． ［3］杨晓哲，任友群.数字化时代的STEM教育与创客教育［J］.开放教育研究，2015(5)． ［4］赵兴龙，许林.STEM教育的五大争议及回应［J］.中国电化教育，2016(10)． ［5］李春密，赵芸赫.STEM相关学科课程整合模式国际比较研究［J］.比较教育研究，2017(5)． ［6］王甲旬，李祖超.美国K-12 STEM教育及启示［J］.外国中小学教育，2017(1)． ［7］杨亚平.美国、德国与日本中小学STEM教育比较研究［J］.外国中小学教育，2015(8). ［8］樊文强，张海燕.如何吸引社会力量开展STEM教育——英国“STEM大使”项目解析［J］.现代教育技术，2019(6). ［9］田慧生.中国STEM教育白皮书发布：提高学科的本质认知和科学素养［N］.中国教育报，2017-08-26(03)． ［10］刘健智，李湘黔.香港STEM教育的推进和支持举措［J］.物理教学探讨，2018(2)． ［11］崔继海.数学方法在物理教学中的渗透［J］.中学物理教学参考，2017(4)． ［12］Kneubil F B,Robilotta M R.Physics Teaching:Mathematics as an Epistemological Tool［J］.Science&Education,2015(5-6). ［13］唐小为，王唯真.整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析［J］.教育研究，2014(9)． ［14］教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）［M］.北京：人民教育出版社，2018. ［15］ Sherin B.,et al.Dynaturtle Revisited:Learning Physics through Collaborative Design of a Computer Model［J］.Interactive Learning Environments,1993(2). ［16］刘军.用“3DS Max”制作地球同步卫星［J］.物理教学探讨，2003(6)． ［17］侯丹，宋昊泽.3D虚拟增强现实技术在中学物理教学中的应用研究［J］.天津师范大学学报(基础教育版)，2018(3). ［18］Ranjan P,Lu W,Bingham D,et al.Follow-Up Experimental Designs for Computer Models and Physical Processes［J］.Journal of Statistical Theory&Practice,2011(1). ［19］Morris M D.Physical Experimental Design in Support of Computer Model Development［J］.Technometrics,2015(1). ［20］郭志勇，安琳，王瑜.信息技术——物理教学的加油站［J］.中学物理教学参考，2017(14)． ［21］Lachapelle C P,Sargianis K,Cunningham C M.Engineering Encounters:Engineer It,Learn It:Science and Engineering Practices in Action［J］.Science&Children,2013(3). ［22］秦瑾若，傅钢善.STEM教育：基于真实问题情景的跨学科式教育［J］.中国电化教育，2017(4)． ［23］王较过，刘海涛，朱贺.物理探究教学中问题情境的创设［J］.天津师范大学学报(基础教育版)，2008(2). ［24］蔡慧英，顾小清.设计学习技术支持STEM课堂教学的案例分析研究［J］.电化教育研究，2016(3)． ［25］谢丽，李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究与实践［J］.物理教师，2017(4)． ［26］李兰，刘健智.教学研究是中学教师专业化发展的根本途径——以中学物理教学研究为例［J］.天津师范大学学报(基础教育版)，2017(2). 科学课程有分科与综合科学课程，学校教育中的“综合科学”不仅指物理、化学、生物、地理等学科的综合知识与技能，而且包括这些知识形成的科学活动及其相关的社会、历史、文化背景，科学综合课程更有利于学生解决问题能力的培养。［1］(P13)近年来，为了更好地培养学生解决问题的能力，STEM教育逐渐走入全球教育界的视野。STEM教育是当今最具基础性、综合性、创造性和经济性的教育，是各国教育竞争力、改革力和发展力的劲爆点。［2］STEM教育的提出，是为了促进教师进行跨学科融合，帮助学生不被单一学科知识体系所束缚，鼓励学生跨学科解决问题。［3］因此在中学物理教学中，有必要渗透STEM教育的“整合性”理念。一、STEM教育概述20世纪80年代末，美国科学基金会（National Science Foundation,NSF）首次提出STEM。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）以及数学（Mathematics）四门学科的简称。同时美国科学基金会还联合科学家、技术家、工程师和数学家，共同提出了STEM教育。STEM教育的本质存在着争议。有人提出，从应用层面上STEM教育的本质分为两种取向：一种是“整合取向”，即认为STEM教育的核心是跨学科整合，强调在学科整合过程中培养学生的素养与能力并解决实际问题；另一种是“细分取向”，即认为STEM教育应该仔细分析四门学科整合的有效路径，找出满足社会需求发展的类型。［4］也有人提出STEM教育的本质为相关学科课程整合，有“横向整合”和“纵向整合”两种模式，横向整合模式是指跨学科、跨领域的课程整合模式；纵向整合模式是指适合各阶段学生认知水平，促使学生核心素养随着学习阶段的延伸实现连贯一致发展的模式。［5］无论是对STEM教育本质的哪种定义，都是为了让学生在学校中不仅学习科学知识，还能够培养学生学以致用、通过理性客观的方式解决问题的能力，以便学生能够更好地适应社会的发展。目前，我国中学物理教学大多采用的仍旧是分科教学，为了更好地培养学生解决问题的能力，在中学物理教学中融入STEM教育的跨学科整合教育理念是必要的。各个国家在不断推进STEM教育。美国K-12教育主要是通过制定教育标准、加强课程融合、动员社会力量参与、建立保障机制、实现教育衔接等措施，保证学生STEM素养，培养学生创新思维和能力。［6］德国的STEM教育体系中，完善的职业教育体系以及终身教育理念仍旧占据主导地位。［7］英国针对吸收社会力量发展STEM教育提出了一些方法，这对如何借助社会力量来推进我国STEM教育的发展提供了参考性的建议。［8］STEM教育也开始在中国不断推进和发展，在教育实践、理论研究和教育政策方面均取得明显进展。一是对于STEM教育的具体发展方式，各地均积极地展开了探索，许多学校建立了STEM专业教室或创客空间，在课堂教学中推动项目式学习；二是STEM教育呈逐渐繁荣的态势，STEM教育研究成果的数量正在不断地增加；三是STEM教育被纳入国家战略发展政策。［9］另外，我国香港地区通过大量举措支持和推进STEM教育。［10］STEM教育的整合模式可以细分为科—技整合、科—工整合、科—数整合三种，以及这四门学科的综合整合。我国中学物理教学可以融合这种整合的思想，即物理科学知识与科技发展的整合，与工程设计任务的整合，与数学思维的整合，以及物理科学知识、科技发展、工程设计任务、数学思维均整合在一起。二、我国物理教学中STEM教育的现状STEM教育体现的是四门学科的综合整合，但在中学物理教学中，可以只体现其中一种整合模式，也可以体现多种整合模式，本文主要讨论科—技整合、科—工整合、科—数整合模式对我国中学物理教学的影响。其中科—数整合已属常态，如物理量的定义式、规律的表达式、解决物理问题的过程中都用到了数学知识，且该种整合方式在国内外已有很多相应研究。［11］［12］科—技整合在中学物理教学中已有所发展，但科—工整合则是我国中学物理教学过程中所欠缺的。(一)科—技整合在物理教学中的发展世界知识产权组织在1977年版的《供发展中国家使用的许可证贸易手册》中，给技术的定义是：“技术是制造一种产品的系统知识，所采用的一种工艺或提供的一项服务，不论这种知识是否反映在一项发明、一项外形设计、一项新型实用产品或者一种植物新品种，或者反映在技术情报或技能中，或者反映在专家为设计、安装、开办或维修一个工厂或为管理一个工商业企业或其活动而提供的服务或协助等方面。”实际上，技术一词可指代一切为满足人们需求而发明的事物。［13］物理学发展离不开技术的发展，物理教学也是如此，一方面教学内容需要与科技发展联系紧密，另一方面物理教学手段需要融入计算机技术模拟物理模型。1.物理教学内容与科技发展联系紧密物理是一门以实验为基础的学科，实验需要以相关的一些实验仪器以及科技的发展作为相应的支撑。例如传感器的发明就将一些实验数据的测量以及图像的制作变得更加的容易，我们可以采用力传感器来进行牛顿第三定律的相关探究实验等。另一方面，物理课程标准明确规定要关注科学技术的现状及发展趋势。在内容标准部分，有详细的对课程内容与技术结合的要求，如万有引力部分，《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）中的规定为：“通过史实，了解万有引力定律的发现过程，知道万有引力定律，认识发现万有引力定律的重要意义，认识科学定律对人类探索未知世界的作用。在活动建议部分，则明确提出要学生观看有关人造卫星、神舟飞船、航天飞机、空间站的录像片。”［14］（P15-16）这些对内容的要求，能够让学生感受到物理知识在生活中的运用。因此，在实际教学中可以添加一些与现代科技紧密相连的知识内容，如我国一共发射了多少颗卫星、目前地球的同步卫星都有哪些、卫星的发射以及运行原理等航空航天知识。这样，一方面拓宽了学生的视野，让学生能够对物理知识的认识更加深刻；另一方面可以让学生明白物理知识并不是脱离现实生活而存在的。2.教学手段融入计算机技术模拟物理模型多媒体、实验仪器、计算机都是技术发展的产物，这些技术手段也与物理教学结合在一起。其中，计算机模拟物理模型的方法，对学生更加清晰地认识物理模型，起到了极为重要的作用。有些模型的构建是没有办法在现实生活中呈现的，需要采用计算机模拟的方式呈现给学生。如牛顿的力学体系是贯穿整个力学部分，而现实生活中就没有办法达到牛顿力学的理想状态环境，所以可以根据该种整合思路，利用Netlogo平台来创建模拟微环境“Dynaturtle”。［15］中学物理教学中已经有了利用计算机模拟物理模型的实例，如：利用3DS Max软件制作地球同步卫星模型与一般地球卫星模型，探究地球同步卫星的基本运行规律［16］；利用3D虚拟增强现实技术研究平抛运动。［17］物理实验的设计与探究同样需要物理模型的构建，而物理模型的构建与计算机模拟之间的关系也得到越来越多的重视。［18］［19］因此，物理教学与技术发展之间的联系已经有了相关的研究［20］，科—技整合的思想在我国中学物理教学过程中已经有所发展。(二)科—工整合在物理教学中有待发展科—工整合模式对培养学生科学探究能力有着重要的作用，有三种思路：应用延伸型整合思路，工程框架型整合思路，设计与探究型整合思路。在这三种思路中，由于科学与工程所占比重的不同，对物理教学过程中培养学生科学探究能力的影响也有所不同，根据具体比重，工程框架型整合思路的影响更为明显。1.教学内容需要添加工作设计任务工程框架型整合的具体思路是：以工程设计任务为框架创设物理学习情境，激发学生的探究兴趣；根据工程任务的设计需求开展具体的科学探究；再通过假设检验和解释建构为设计改进提供依据。这样的一堂课显得更加的完整。以胡克定律教学为例，课程标准对这一部分的要求是“知道胡克定律，制作一个简易弹簧测力计，再用胡克定律解释工作原理”。该种思路是以工程设计任务展开学习，进而探究胡克定律，从实际问题出发，为了解决问题，进行“弹簧弹力与伸长量的关系”的科学探究过程。这种教学设计，一方面可以更好地激发学生的学习兴趣，另一方面可以让学生充分认识到物理知识的实用价值。2.采用工程设计任务框架教学引导学生科学探究“新课标”提出的物理学科核心素养包括科学探究等。科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素。［14］（P2-3）工程框架型整合思路并不是要摒弃这些要素，而是让整个探究过程变得更加完整。当前，我国中学物理课程以工程为框架展开科学探究的方法并不常见，但在国外基础教育中，该种整合思路应用到了具体教育过程中，如Lachapelle等人描述的“降落伞设计”案例［21］。同样以胡克定律教学为例，作为框架的工程设计任务为“用一根弹簧测量一个质量未知钩码的重力”。学生先讨论完成任务需要的必要的信息，学生已经清楚弹簧测力计可以直接测量物体重力，那么将弹簧改装成弹簧测力计就可以测量钩码的重力，弹簧测力计的工作原理就成了完成此项任务的必要信息。进而展开对弹簧测力计实验原理的探究过程，即探究工程设计任务中所给弹簧的弹力大小与弹簧形变量的关系，在得出规律之后，再回到开始的工程设计任务，将该弹簧改装成弹簧测力计，并测量出质量未知钩码重力，最后还要用标准的弹簧测力计测量该钩码的重力，对改装好的弹簧测力计进行校准，如不准确则需进一步改进。整个探究过程完整，并且能够增强学生的学习成就感。在中学物理的教学内容中添加工程设计任务，可以引导学生的学习，在搭建学习情境的过程中，激发学生的探究兴趣；采用以工程设计任务为框架引导学生进行科学探究的教学方式，能够在培养学生科学探究能力的同时，更好地培养学生解决问题的能力。三、物理教学中渗透STEM教育的可行性在物理教学中渗透STEM教育是可行的。一方面，我国越来越重视对STEM教育的研究，对其教育理念和教学模式的认识越来越深刻；另一方面是因为STEM教育与中学物理教学联系紧密，其教学方式及教学目标上有共通的地方。(一)STEM教育与中学物理教育联系紧密STEM教育是当今知识经济时代下全新的教育范式，以培养具有善于质疑、勇于实践和敢于创新的学习品质，以及具有跨学科知识素养和解决真实问题能力的人才为根本目标，已经成为了各国教育领域的重要发展战略。［22］也可以说，STEM教育是基于真实问题情境的跨学科式教育，而中学物理教学同样强调创设问题情境的重要性［23］，同样强调培养学生解决问题的能力，STEM教育与中学物理教学在其目标以及教学方式上并不矛盾，并且存在紧密联系，因此中学物理教学中渗透STEM教育是可行的。(二)中学物理实验已体现科—工整合思想STEM教育是基于真实情境的跨学科式教育，其整合模式主要有科—技整合、科—工整合和科—数整合。前面已经说过，在这三种整合模式中，中学物理教学中相对欠缺的是科—工整合。在中学物理教学中进行科—工整合的一般模式是：首先创设物理情境，提出工程设计任务；然后通过科学探究解决实际问题的同时完成工程设计任务，或制作某种物品或模型。中学物理教学实践教材，实际上已体现了渗透科—工整合的思想，主要体现在物理实验中。例如：人教版物理教材中的实验“用圆锥摆粗略验证向心力的表达式”。实验探究之前，提出工程设计任务为“制作游乐场中的旋转飞椅模型”，以该工程设计为框架，同时创设物理情境，即游乐场中的旋转飞椅所蕴含的向心力表达式，进而简化成圆锥摆模型，进行向心力表达式的验证，得出结果后，再完成工程设计任务。再如：“滑轮”教学以“如何用两个滑轮一根绳子在地面将一袋面粉运到5楼”为工程设计任务展开等。(三)大量物理教学内容可渗透STEM教育理念人教版八年级上册物理教材的前言中提出，若想学好物理，则需要善于观察，乐于动手，勤于思考，重在理解，联系实际，联系社会。这与STEM教育的基于实际情境的跨学科整合理念是不谋而合的，乐于动手体现科—工整合的思想，联系社会体现科—技整合的思想，联系实际则是需要创设物理情境。“新课标”明确规定了课程目标，要求学生能解决实际问题，具有构建模型的意识和能力，具有科学探究意识等。培养学生解决实际问题的能力，体现了STEM教育中科—工整合的思想，培养学生构建物理模型的能力、科学探究意识等都需要在教学过程中创设物理情境。以物理情境展开教学，学生发现问题，进而解决问题，学习相应的物理知识，将这样的教学模式贯穿整个高中物理教学过程，以渗透STEM教育理念。由此可见，大量的中学物理教学内容均可渗透STEM教育理念，以科—工整合的思想为例，我们列举部分可以融入科—工整合思想的教学内容，如表1所示。表1.人教版物理教材中部分可融合科—工整合思想的教学内容模块八年级上册八年级下册必修1选修3-4教学内容用刻度尺测量长度声音由物体的震动产生音调的高低与频率有关温度计的工作原理重力的方向竖直向下连通器原理物体浮沉条件杠杆平衡条件自由落体运动的规律胡克定律单摆全反射工程设计任务要求用刻度尺测量出课桌的宽度制作一个可以在音乐声中“翩翩起舞”的纸人用玻璃瓶和水制作一组水瓶琴制作一个简易温度计制作一个可以检验墙是否竖直的仪器设计一个茶壶模型制作一个小船模型制作一个跷跷板模型解释苹果落地的运动模型用一根弹簧测量未知物体的重力制作一个单摆模型制作一个潜望镜四、物理教学中渗透STEM教育的路径综上所述，STEM教育融入物理教学中是可行的，从上述研究中可以得到以下三条具体实施路径。(一)将科技发展与学习技术融入物理课堂“新课标”明确规定了要关注科学技术的现状及发展趋势，并且在内容标准部分，有详细的对课程内容与科技发展结合的要求。因此，教师应当在物理教学中有效融合现代科技发展，以便让学生了解物理并不是脱离生活而独立存在的。教育技术目前已经是一门具体学科，并且渐趋成熟。每年由美国新媒体联盟发布的《地平线报告》都会总结典型的潜在影响教育和学习过程的学习技术。［24］中学物理课堂中需要学习技术辅助教学，如增强现实技术的应用是比较实用的，主要的技术手段是计算机模拟物理模型，能够帮助学生更加容易地理解物理概念和物理规律。(二)将工程设计任务的整合融入物理课堂我国已经有了一些关于工程取向的STEM教育的研究，如对于6E设计性学习模式与物理课程的融合。该种学习模式结合了“科学探究”的思维和“工程设计”的实践，具体包括了参与（Engage）、探索（Explore）、解释（Explain）、工程（Engineer）、深化（Enrich）以及评价（Evaluate）六个阶段，能够更好地培养学生解决问题的能力。［25］以工程设计任务为框架，创设实际教学情境，在实际情景中提出问题，引发学生的思考，进而解决问题，完成工程设计任务。与单纯的科学探究相比，将工程设计任务有效整合到中学物理课堂中，可以创设情境，在情境中解决问题，再将所学物理知识付诸实践，在任务完成过程中同时强调对学生设计能力及解决问题能力的培养。(三)对物理教师进行STEM教育的相关培训为了让中学物理教师更好地将STEM教育融入到物理教学实践中，一方面需要对中学物理教师进行有关STEM教育理论的培训，让其对STEM教育理念、教学模式有深入的了解。只有这样，他们才能在教学中做好中学物理与STEM教育理念的有效融合，才能更好地在教学过程中培养学生解决问题的能力。另一方面，在培训过程中要引导他们进行STEM教育融入中学物理教学的研究，以便能够更好地促进物理教学改革，提高物理教学质量与效率。教学实践需要理论的指导，中学教师的专业化发展是促进本学科改革和发展的非常重要的一个因素，教学研究是促进教师专业成长的根本途径。［26］培训方式可以是多种多样的，一方面可以请一些教育专家为一线教师做讲座，另一方面可以为一线教师开设专门的关于STEM教育理论知识的课程，同时集体学习一些权威的教学研究类文章。参考文献：［1］刘健智.综合科学课程与分科科学课程的比较研究［M］.长沙：湖南师范大学出版社,2009.［2］詹青龙，许瑞.国外STEM教育研究的热题表征与进路预判——基于ERIC（2005-2015）的量化考察［J］.中国电化教育，2016(10)．［3］杨晓哲，任友群.数字化时代的STEM教育与创客教育［J］.开放教育研究，2015(5)．［4］赵兴龙，许林.STEM教育的五大争议及回应［J］.中国电化教育，2016(10)．［5］李春密，赵芸赫.STEM相关学科课程整合模式国际比较研究［J］.比较教育研究，2017(5)．［6］王甲旬，李祖超.美国K-12 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