大單元視角下初中物理STEM-PBL教學案例研究

胡倉兵 李密

摘 要：本文在大單元視角下以“室內電路的設計與制作：雙控開關電路”為例，論述如何在初中物理教學中進行STEM-PBL教學實踐研究.探索大單元大任務指引下實施項目式學習的教學策略，在物理教學中實施大單元設計，以改變學科知識的碎片化教學，實現教學設計與深度學習的有機融合.

關鍵詞：大單元;初中物理;STEM;PBL;教學案例

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）20-0027-05

基金項目：中國陶行知研究會2019年度立項的課題“陶行知教育思想引領下初中物理深度教學研究”（項目編號：2019B17）;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;

李密（1989-），男，安徽蕪湖人，本科，中學二級教師，研究方向：中學物理教育教學研究.

傳統教材的單元通常按照知識體系獨立成章，單元內的每節內容都是由單個知識點組合而成，各個碎片化的知識點構成單元.我們所研究的“大單元教學”是指在STEM-PBL教學理念指導下，以學科核心素養為目標，通過“系列任務和核心知識形成的大問題、大項目”的名義組織或結構化要學的知識、技能、問題、情境、活動、評價等，使之成為一個完整的學習故事或事件.系列任務是指基于真實情境的由一個個彼此相關，又呈現某種內在邏輯關聯的多個任務組成的“任務群”.

為了探索STEM-PBL在初中物理教學中的應用，筆者在大單元視角下以STEM和“做中學”為理論指導，借助于PBL教學法，設計“室內電路的設計與制作：雙控開關電路”的教學案例，進行實踐研究，實現學生“做中學”，教師“做中教”，從而促進學生構建物理觀念、發展科學思維、形成科學態度，最終達到發展物理核心素養的目的.

1 選題依據

《義務教育物理課程標準（2011年版）》在課程性質上明確指出：“義務教育物理課程作為科學教育的組成部分，是以提高全體學生科學素養為目標的自然科學基礎課程.此階段的物理課程不僅應注重科學知識的傳授和技能的訓練，還應注重對學生的學習興趣、探究能力、創新意識以及科學態度、科學精神等方面的培養.”在課程的基本理念中提出“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念.即：物理課程要做到“貼近學生生活，符合學生認知特點，激發并保持學生的學習興趣，讓學生通過學習和探索掌握物理學的基礎知識與基本技能，并能將其應用于實踐，為以后的學習、生活和工作打下基礎”.

《普通高中物理課程標準（2017 年版 2020 年修訂）》在課程的基本理念中提出：“引導學生自主學習，提倡教學方式的多樣化：高中物理課程通過創設學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習情境，培養和發展學生的自主學習能力.通過多樣化的教學方式，利用現代信息技術，引導學生理解物理學的本質，整體認識自然界，形成科學思維習慣，增強科學探究能力和解決實際問題的能力.”

2 單元教學建構與重組——“室內電路的設計與制作：雙控開關電路”

2.1 單元教材分析與學情分析

“家庭電路”在生活中是最為常見的電路之一，但是學生對其內部構造、電路安全等方面卻不甚了解.“室內電路的設計與制作：雙控開關電路”的教學案例是基于滬科版九年級物理第十四章“了解電路”和第十五章“探究電路”內容的綜合實踐與拓展.在物理課程標準的指導下，以STEM-PBL教學模式，開展“雙控開關電路”設計與制作的實踐教學.

在學生未接觸電學知識的情況下，教師不可能讓學生直接去設計家庭電路，因此，本單元教學在整合第十四和十五章部分內容的基礎上，打破原有教材的知識架構，重組學生學習的邏輯，對單元知識結構進行重組和建模，以適應學生在完成本項目學習的同時可以最大程度減輕學生的學習壓力，落實物理學科核心素養.

2.2 單元學科核心素養水平要求

物理觀念：形成初步的物理觀念，能從物理學的視角解釋一些自然現象.

科學思維：經歷觀察物理現象的過程，能簡單描述所觀察物理現象的主要特征，能在觀察和學習中發現問題，具有初步的觀察能力及提出問題的能力.能書面或口頭表述自己的觀點，能與他人交流，有自我反思和聽取意見的意識，有初步的信息交流能力.

科學探究：通過參與科學探究活動，學習擬訂簡單的科學探究計劃和實驗方案，有控制實驗條件的意識，能通過實驗收集數據，會利用多種渠道收集信息，有初步的信息收集能力.

科學態度與責任：有將科學技術應用于日常生活、社會實踐的意識，樂于探究日常用品或新產品中的物理學原理，樂于參與觀察、實驗、制作、調查等科學實踐活動，有團隊精神.

2.3 單元教學策略

項目式學習策略：以學生為主體，以學生的經驗和活動為中心，基于真實的生活情境，學生之間主動協作，進行開放式的探究.

發現式學習策略： 通過對比、實驗探究、建模實現教學目標.

問題驅動式學習策略：以問題為導向，通過解決實際問題完成知識的構建和學習，在做中學，在做中悟.

循環遞進式探究法：以問題解決為目標，以任務為主線，以學生活動為載體，循環探究，逐步深入，完成知識建構.

2.4 單元學習活動及課時安排（見表1）

3 STEM-PBL課時教學實踐——設計與制作雙控開關電路

3.1 STEM-PBL課時教學流程圖（如圖1所示）

3.2 創設真實情境，設置驅動問題

王同學家準備裝修新房，原客廳燈由單控開關控制，每次外出或入室休息時，開關燈十分不便，因而他想在新房裝修時，將客廳燈設計雙控開關控制，即在臥室和客廳門口處都可以控制客廳燈.為了實現雙控的效果，需要哪些元件？如何設計雙控電路？如何判定設計的電路符合要求？同學們圍繞這些問題展開討論.

設計意圖：課例源于真實的生活情境，圍繞設計“室內雙控開關電路”實際問題進行大單元設計，突破傳統課堂教學的時空限制，采用合作探究的方式，以問題為中心，將問題貫穿于教學全過程，對原有教材進行重組，在解決真實問題的過程中完成相關知識的學習，讓學習在真實情境中發生，課堂學習內容緊緊圍繞學習需求進行設計，將學科核心素養落實到課堂教學之中，培養學生的創新精神和實踐能力.

3.3 明確課時任務，設計項目計劃

任務一 識別雙控開關電路

活動1：看一看——展示雙控開關電路.

展示生活中的雙控開關，介紹其作用：雙控開關電路是家庭電路中常見的一種電路，其作用是通過兩個獨立的開關實現異地控制同一盞燈.思考如下問題.

問題1：雙控開關電路中至少需要幾只開關？

問題2：雙控開關與所控制的用電器是哪種連接方式？

活動2：試一試——解剖雙控開關電路.

拆解一只雙控開關（如圖2所示），可以看到雙控開關內部具有常開、常閉兩個觸點，將兩只雙控開關按照一定的方式接入電路，能獨立地控制同一盞燈，如樓道中的照明燈可以用樓下和樓上開關獨立控制.思考如下問題.

問題1：雙控開關電路中的開關與普通的單控開關是否相同？

問題2：連接電路時，雙控開關的接線與單控開關的接線有何不同？

設計意圖：運用STEM-PBL教育理念，通過“看一看”“試一試”的真實體驗，引導學生提出問題，并思考如何解決問題.在教學中，教師的角色不再是課堂的中心，而是學習的參與者和合作者，學生才是課堂的中心和主人.

任務二 設計雙控開關電路

需要的器材：電燈、單刀雙擲開關（兩個）、電源、導線若干.

活動1：設計電路.

看一看：雙控開關有三個接線柱，中間的接線柱可以與兩側的兩個接線柱形成通路，而兩側的兩個接線柱不相通.將兩個開關進行編號，分別為1、2標識，則三個接線柱分別標為1a、1m、1b、2a、2m、2b，1m 和2m是中間的接線柱.在設計電路時，需要考慮將這六個接線柱如何接入相應的電路.

畫一畫：學生分組討論并自行設計電路，畫出設計電路圖.

想一想：每個雙擲開關都有兩種狀態，根據表1分析，如將開關1置于1a，分析開關2能否控制電燈;再將開關1置于1b，分析開關2能否控制電燈;再將開關2置于以上兩種狀態時，分析開關1的功能是否完整，將分析結果記錄在表2中.

設計電路圖如下.

記錄表格如下.

表3

設計意圖：雙控開關電路難度較大，為了降低學習難度，幫助學生建立知識的內在聯系，筆者從設計基本單元電路入手，讓學生獲得知識的途徑更簡單，有效消除學生的畏難情緒，從而引導學生積極思考，達到知識的遷移和內化，促進學生深度學習的達成.

任務三 制作雙控開關電路

器材（如圖3所示）：雙控開關（兩只）、LED燈、電池盒（電源）、KT板（室內模型）、導線若干.

活動1：制作電路模型.

連一連：各小組先檢驗電路雙控的可行性，檢驗成功的小組按照設計電路進行實物連接;未檢驗成功的小組重新設計，選擇好電路的連接方式，完成電路設計，再進行實物連接.

理一理：各小組按照設計好的電路進行連接，連接電路前，注意區分接線柱，嚴格按照設計電路進行連接，避免連錯接線柱而達不到預期的效果.

做一做：連接完成后，將各個模塊組裝起來，完成室內模型的搭建，形成家庭電路中雙控開關電路的模型的最終成果.

設計意圖：借助于“做中學”的教育思想，向學生提供獨立思考的時空，在小組合作探究的過程，引導學生理論聯系實際，發展學生的核心素養，培養學生的關鍵能力和必備品格.

任務四 展示項目成果，開展項目評價

活動1：評一評——自評與互評.

可行性評價（見表4）：可行性是電路設計的重要指標之一，各小組設計的電路是否符合要求，關鍵在于：（1）是否能實現雙控目的;（2）在實際操作中是否可行.因此，在完成模型的制作后，需要進行可行性評價.

過程性評價（見表5）：學生在項目的實施過程中，學生在小組中的表現不盡相同，因此需要針對每位組員進行過程性評價，包括五個方面：參與程度、合作情況、創新情況、學習態度和自主探究.

結果性評價（見表6）：小組間互評的方式進行量化評價，包括三個方面，分別是實現雙控、電路安全和電路復雜程度.

設計意圖：通過“設計與制作雙控開關電路”，將知識的學習與方法的運用貫穿在整個活動過程，在實踐活動中，學生對知識的理解更加深刻，深切體會到“物理即生活，生活即物理”.同時，學生在設計和制作過程中，加深知識學習與應用的深度，學習不是僅為解題服務，而是尋求解決實際問題的方法，促進深度學習的發生.

4 STEM-PBL大單元教學的反思

4.1 以“STEM-PBL”為導向，促進深度學習

在真實的情境中，筆者以“STEM-PBL”為導向，整合學科知識，提煉出有內在邏輯聯系的學習故事，通過項目式學習的方式生成新的問題，在解決問題的過程中，完成知識的學習，這種以解決項目問題為導向的學習方式，強烈地激發學生學習的內驅力，促進深度學習得以發生.

4.2 知識問題化，問題情境化，情境體驗化，體驗系列化

大單元視角下STEM-PBL教學設計能有效地將碎片化的知識點，通過系列任務有梯度的呈現，由任務生成系列問題，問題與問題之間不僅是知識的集合，更是有邏輯的遞進關系，問題提出是在真實的情境下產生，正是真實的情境給予學生真切的體驗，這種真實的體驗不再孤立地發生，而是貫穿學生學習的始終，讓學生在系列化的體驗中習得知識，提升素養.

4.3 評價貫穿始終，自評和互評相得益彰

常規教學的評價只注重終結性評價，評價的實施者往往是教師，學生只是被動的評價對象.而大單元視角下“STEM-PBL”的教學評價更加注重自評與互評，學生在自評中認識自我，剖析自我，更好地審視自己的不足，在互評中辯證地思考彼此的優劣;在評價內容上更注重表現性評價，評價伴隨著“教”與“學”的全過程，過程性評價嵌入教與學的各個環節，與教學過程有機融合，真正發揮評價的育人功能，助力核心素養的落實.

5 結語

大單元視角下的STEM-PBL教學案例研究是落實立德樹人、發展核心素養、深化課程改革的必然要求，也是落實學科核心素養的關鍵途徑.本節課將STEM-PBL學習模式有機融入物理教學，既是一次有益嘗試，更是教學方式和學習方式的一次變革，強烈地激發學生的內在驅動力，促進深度學習的發生.大單元視角下的STEM-PBL教學真正實現將核心知識問題化，關鍵問題情境化，真實情境體驗化，深度體驗系列化.通過項目任務的開展，完成項目產品，發展學生核心素養，培養學生創新精神和實踐能力.

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（收稿日期：2021-04-16）