項目引領下初中物理STEM-PBL教學案例的實踐與反思

摘 要：本文以“桿秤的制作”教學為例，論述了如何在項目學習引領下進行初中物理STEM-PBL教學案例的設計與教學實踐，探索初中物理項目學習教學策略，以打破“情境孤島”與“知識壁壘”給教學帶來的束縛，并對STEM-PBL教學中如何發展學生的核心素養進行反思，進而引發深度學習.

關鍵詞：初中物理;教學案例;STEM;PBL

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）02-0036-04

基金項目：安徽省教育科學研究院2019年度立項重點課題“基于項目學習的中學物理深度教學實踐研究“（項目編號：JKZ19004）.

作者簡介：胡倉兵（1971-），男，安徽蕪湖人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理教育教學研究.

STEM教育是一種重實踐的超學科教育概念，它有別于傳統的單學科重書本知識的教育方式，PBL全稱是Project-Based Learning ——項目式學習，PBL是以解決一個真實問題或項目成果——產品為核心，在真實情境下以問題為導向的動態自主學習過程，是基于現實世界的以學生為中心的教育方式， 是在教師的引導下，“以學生為中心、以問題為基礎”，通過采用小組討論的形式，學生圍繞真實的問題，獨立收集資料，發現問題、解決問題，培養學生自主學習能力和創新能力的教學模式.

1 問題的源起

筆者所在學校是一所市直屬九年制義務教育學校，近年來，在深化集團化辦學的宗旨指導下，學校非常重視課程改革和創新教育活動的開展，2018年9月成立STEM教育實驗基地，在實驗基地的基礎上，STEM課程開展得有聲有色.筆者所在的物理教研組最早參與了“STEM教育視野下基于項目學習的中學物理教學案例研究”（項目編號：DK74）市級課題的研究，深度介入課題研究的各項工作.2019年9月筆者所在學校申請了省級課題“基于項目學習的中學物理深度教學實踐研究”（項目編號：JKZ19004）的子課題——“初中物理STEM-PBL教學案例研究”.2019年4月筆者有幸參加了在無錫舉辦的“首屆全國STEM課堂教學比賽”，執教的“杠桿——桿秤的制作”榮獲現場教學評比的全國特等獎.本節課以STEM-PBL教學的模式，開展“桿秤的制作”綜合實踐與拓展，借助于物理學、工程學和數學等知識進行STEM教育，旨在課堂教學中落實物理核心素養的有效途徑，更好地培養學生的科學素養和創新能力.同時在教學的各個環節中深入貫徹“循環遞進探究教學法”，搭建一個以學生學習為主體的高效課堂.為此，本人在STEM教育理論指導下，借助于PBL（項目式學習）和循環遞進探究教學法，設計了“桿秤的制作”教學案例，在教學中進行了實踐，并對在STEM-PBL教學中如何發展學生的核心素養進行反思，進而引發深度學習.

2 STEM-PBL教學案例

2.1 教學內容分析

“杠秤的制作”教學案例是基于滬科版八年級物理第十章“機械與人”第一節“杠桿的平衡條件”內容的綜合實踐與拓展.在實際生活中，我們時常遇到“桿秤測量質量不準確”的問題，由于學生對桿枰的模型及工作原理不是很清楚，從而造成學生學習上的障礙.在以往教學中，常用的處理方法是“就題論題”或“強行拓展”，使原本就讓學生運用的生疏知識變得更加“高深莫測”，難免讓不少學生對進一步學習物理產生畏難情緒，失去學習興趣.基于以上原因，秉著解決實際問題的原則，制定如下教學目標：通過桿秤的制作過程，進一步掌握利用杠桿平衡條件分析各物理量間關系的方法與技能;通過問題的提出、產品設計和方案改進等實踐研究活動，增強理性思維、批判質疑和勇于探究的科學精神;通過產品制作和產品優化等實踐操作活動，提升勞動意識、問題解決與技術運用等多方面的實踐創新能力;通過桿秤悠久的歷史介紹，挖掘蘊含其中的古樸智慧，提升科學素養.

2.2 學情分析

學生學習了杠桿的平衡條件及其應用的知識后，已經初步具備了解簡單的杠桿，能分析杠桿平衡條件中的各物理量間的定量關系，以及形成了利用杠桿平衡條件進行簡單計算等能力，但同時也存在知識掌握尚不熟練、綜合運用能力薄弱，特別是對抽象受力分析或動態平衡缺乏興趣等問題，但學生對動手制作和實驗探究有著天然的吸引力和創造力，這需要教師對常規教學程序、知識技能、過程與方法進行優化實施，使之切合初中生的認知特點，從而滿足學生的求知欲.

2.3 教學重難點

重點：通過STEM-PBL學習，對學生綜合運用能力、實踐操作能力的提升.

難點：STEM-PBL教學方式下學科間的整合與學習策略的有效實施.

2.4 STEM-PBL案例教學流程圖

采用提出項目問題—設計項目方案—項目產品制定—項目產品交流—項目產品評價—評價反思的教學流程（如圖1所示）.

2.5 STEM-PBL案例教學實施

2.5.1 創設真實情境，培養問題意識

展示真實場景：開學初，同學們幫助老師整理辦公室，清理出很多廢紙，為了變廢為寶，同學們建議將廢紙賣給廢品回收人員，當工作人員在稱量廢紙質量時，同學們發現，明明感覺廢紙很多很重，但稱量出來的質量卻很小，這到底是廢紙實際質量小，還是稱量質量的工具不準確而導致偏小呢？同學們爭論不休，帶著滿心疑惑來問老師.

針對學生在實際生活中遇到的真實問題，老師并沒有直接下結論，而是和同學們一道來研究如何解決這一真實問題，教師引導學生思考以下問題（如圖2所示）.

問題1：實驗室中測量物體質量工具是天平，天平的工作原理是什么？

問題2：日常生活中常用什么工具測量質量？

問題3：天平與桿秤二者的區別有哪些？

問題4：日常生活和生產中為什么很少使用天平進行物體質量測量呢？

在學生逐一回答教師提出的問題后，教師進一步給學生拋出“哪種方法能夠更快速、更準確地測量質量的大小？”，進而激發知識運用中的矛盾沖突，產生學習新方法的求知欲.教師引導學生根據生產生活中的實際需要尋求解決辦法，進而引導學生設計一個兼顧“直觀與精準”“操作便捷”等優勢的測量物體質量大小的裝置——“桿秤”，那么，如何制作桿秤？如何檢驗所制作的桿秤的示數是否準確？

設計意圖：應用STEM教育理念，通過PBL項目學習法，引導學生從實際生活的需要出發，提出問題，創造性地解決問題，教師的角色不再是課堂的中心，而是教學的組織者和參與者，學生是項目問題的研究者、項目產品的開發者.教師應該將課堂還給學生，使學生成為真正的學習主人，在實踐中形成物理觀念.

2.5.2 任務驅動學習，形成物理觀念

“STEM-PBL”學習的本質是將學習活動作為一種學習方式引入物理教學中，把物理核心知識建構和物理規律的探究融入到具體的“項目產品”中，然后將項目任務分解，打破教材文本的順序和內容呈現方式，以學生為中心整合教學資源，提升學生核心素養.為此，為了完成上述項目任務，給學生提出以下進階任務.任務一：學生圍繞學習任務討論設計要求，如直觀可視、操作便捷、量程范圍、攜帶方便以及測量準確等項目設計目標;任務二：教師引導學生分解設計目標，選定“直觀可視、操作便捷、測量準確”等基礎設計目標進行初步設計;任務三：教師給學生提供限定的實驗器材，創設“運用杠桿平衡條件測量質量”的模擬實驗環境，引導學生根據 “桿秤制作”的初步設想設計方案，并填寫完成《桿秤的制作設計書》;任務四：課堂匯報交流《桿秤的制作設計書》.

設計意圖：利用任務驅動，設計問題串和問題鏈，問題之間應具有邏輯遞進關系，層層深入，循環遞進，將核心知識融入在問題中，在項目學習引領下讓深度學習真實發生，形成物理觀念.

2.5.3 項目產品設計，升華科學思維

教師在學生眾多的設計方案中選擇具有代表性的設計方案，并讓各方案的設計者介紹自己的設計思想，由設計者與其他同學進行雙向選擇，組建自己的項目研發團隊，針對該方案進行深入改進交流.在“桿秤的制作”案例教學中，為了讓學生能在限定的時間內有所建樹，獲得成功的體驗，特對項目任務和內容作了微調（如圖3所示），從而有效降低項目設計的難度.在項目設計環節上主要滲透STEM中的技術與數學部分，給學生充分的實踐空間，促進科學思維的升華.

2.5.4 方案優化改進，產品制作調試

各組在深入改進后，分別向教師匯報改進后的方案，而后進入產品制作與調試階段（如圖4所示），教師參與各組討論，幫助學生解決組內設計思想存在的矛盾障礙，保證項目研究順利推進.

設計意圖：在項目學習中，教師的任務之一是將一個大的項目分解成若干個任務或活動，任務與任務之間不是孤立的，而是圍繞項目實施，重新整合學習內容，由低到高地推進，在課堂活動中應帶著“未知”的具體任務，讓學生在全新的體驗中引發思考，以此達到深度學習的目標.

2.5.5 產品發布推介，質量功能檢測

為了激發學生的學習興趣、檢驗項目產品的性能，各小組以“產品發布會”的形式推介產品的工作原理、使用說明和優化過程，并進行模擬真實測量環境的功能檢測，多維度地展現各項目組的研發水平（知識綜合實踐運用水平）.

2.5.6 組間交流評價，促進產品優化

學生實踐活動結束后，教師及時引導各項目組對其它項目組的產品進行綜合評價并提出改進建議，幫助各組項目產品實現再優化的目的.教師展示工業成品“桿秤”，并簡單介紹其工作原理.從而引導學生對比自己的設計方案，總結項目研發的不足之處，為下一次項目研發積累經驗.

設計意圖：以學生實踐活動的開展為契機，以項目產品的制作為形式，通過“設計—制作—評估—改進”這種循環遞進的學習模式，讓學生設計出精致、實用的產品——“桿秤”，學生通過小組合作的方式開展項目學習，通過組內交流、組間評價，真正實現生生互動、師生互動，讓學生在進行項目實踐活動過程中，感受學習物理的知識性、趣味性和人文性，體會科學探究學習的方式方法，培養其創新精神和實踐能力.

3 STEM-PBL教學案例的反思

3.1 STEM-PBL打破思維固化，解決情境孤島

在STEM-PBL教學法的指導下，將創設的真實問題情境貫穿在教學的始終，能夠打破傳統的思維固化，有效解決了情境孤島的弊端.在真實的情境下解決實際問題，學生圍繞制作“真實”的產品或方案，參與課堂學習活動，分工合作協調互動，能夠最大限度地開發學生的潛能，在項目學習中人人都能體驗到成功的喜悅，學生收獲的不僅是有形的項目產品還有無形的項目設計方案，而且更增添了學生學習物理的自信心，使得學生的物理學習興趣能夠持久保持.

3.2 STEM-PBL發展核心素養，促進深度學習

STEM-PBL教學中以任務驅動為核心的“STEM-PBL”項目學習，能最大限度地激發學生的潛能，發展學生核心素養，促進深度學習的發生.因為知識的發展不再是單一線性發展，也不一定按照教師課前預設或學生心里預想的那樣發展，但是，這更容易吸引學生的注意力，激活學生的思維活動，將課前“碎片化”“單一化”習得的知識與技能遷移到真實情境中，以解決實際問題.

3.3 STEM-PBL突破知識壁壘，發展高階思維

利用STEM-PBL教學法，探索初中物理項目學習大單元教學設計方法和策略，以打破以往“情境孤島”與“知識壁壘”給教學帶來的束縛，從而達到從“知識單元”到“學習單元”，從“能力單元”到“項目學習”，從“低層結構”到“高層結構”，從“低階思維”到“高階思維”的飛躍.在培養學生核心素養為主旋律的新時代，我們借助STEM-PBL教育的學習新形式，讓問題來源于生活，從實踐中尋找答案，解決實際問題，學生真正成為學習的主體，教學達到了在“做中學，學中做”的教育教學效果.

4 結語

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，項目式學習的重點在于做什么，而不僅僅在于學什么，即做中學.由于物理學科特點，我們運用取自生活的物品設計實驗從而重溫規律的獲得;分析解決物理原始問題提高學生解決實際問題的能力;分析現有產品和制作產品，培養學生知識創新能力.所以，STEM-PBL（項目式學習）在教學實踐活動中，不僅豐富了學習的內容，啟迪了學生的思維，而且能在真實的情境下促進深度學習的發生，發展學生的核心素養.

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（收稿日期：2020-10-17）