從“點亮燈泡”到“智慧照明”

〔摘" "要〕" 基于青島版五四制科學四年級上冊《燈泡亮了》一課，本文打破傳統的電路教學模式，基于培養學生工程思維、批判性思維和合作能力，以生活化項目任務為載體，以分層實驗工具包為支撐，以可視化評價工具為保障，采用STEAM教育理念，實施“問題驅動—探究分層工具包—生活遷移”的深度學習模式，開展簡易電路設計與制作活動，促進學生科學核心素養和創新能力的發展。本文以案例分析為切入點，闡述該教學模式在課堂上的實施。結果表明，該模式能有效發展學生的高階思維，促進知識的遷移與學習興趣的提升。

〔關鍵詞〕" 小學科學；電路設計；教學設計

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）24" " 0064-03

《義務教育科學課程標準（2022年版）》強調“做中學”“創中學”，要求科學教育從知識傳遞轉向能力培養。然而，傳統電路教學常局限于“電池—導線—燈泡”的單一實驗，學生被動驗證結論，缺乏深度思考與創新實踐。以青島版《燈泡亮了》為例，許多課堂仍停留在“點亮燈泡”的基礎操作上，未能充分挖掘電路設計的教育價值。本文以《燈泡亮了》為基礎，通過重構課程內容將電路設計與真實問題相結合，引導學生在工程實踐中理解閉合電路原理，培養解決復雜問題的能力。

一、課程重構：從知識驗證到工程設計

（一）目標升級：融合三維素養

科學思維：通過故障排查理解電流路徑，培養邏輯推理能力。在實驗中設置“燈泡不亮”的情境，引導學生分析可能的原因，并通過實驗驗證假設。幫助學生理解電路的完整性，培養其批判性思維與問題解決能力。

探究實踐：設計多燈泡并聯照明方案，提升動手操作與問題解決能力。要求學生掌握電路連接方法，需考慮實際應用中的效率與穩定性。

態度責任：討論安全用電與節能意識，增強社會責任感。學會科學知識，樹立正確的用電觀念。

（二）內容拓展：跨學科任務設計

為打破學科界限，引入“迷你城市燈光秀”項目，整合數學、藝術、技術，要求學生團隊合作完成從草圖繪制到原型測試的全流程。具體任務如下。

燈光布局設計。學生需根據“城市地圖”設計燈光布局，考慮美觀與實用性。

成本計算與優化。學生需計算所需材料成本，優化資源配置。

電路原型制作與測試。學生利用實驗材料制作電路原型，并通過測試發現問題、改進設計。

二、創新實踐：分層工具包與可視化學習

（一）實驗材料分層化

基礎包：包含電池、導線、燈泡等基礎材料，適合初次接觸電路的學生。任務目標為驗證閉合電路的基本原理。

進階包：在基礎包的基礎上增加開關、二極管等元件，適合已掌握基礎電路知識的學生。任務目標為探究電路的控制與單向導電特性。

挑戰包：提供太陽能板、蜂鳴器、電阻等復雜元件，適合能力較強的學生。任務目標為設計多功能電路，拓展能源轉換與復雜電路的知識。

（二）問題鏈驅動深度探究

一級問題：怎樣讓燈泡一直亮起來？

引導學生思考電池的能量和電路消耗能量之間的關系。如學生通過比較不同型號電池在燈光電路中的使用時間發現，電池的容量越大，燈泡點亮的時間越長，還會發現并嘗試減少電路中的能量損耗，如采用更短的導線或更省電的燈泡。

二級問題：如何用1節電池點亮3個燈泡？

引導學生探究串聯電路和并聯電路的不同。如學生通過電路連接發現串聯電路中燈泡的亮度一樣暗，并且一個燈泡出現問題，整個電路都不工作；并聯電路中燈泡亮度一樣亮，且各燈泡工作獨立，并進而比較不同連接方式后發現連接不同對電流分配的不同影響。

三級問題：怎樣設計一款可以調節燈光亮度的臺燈？

引導學生引入變阻器的概念，設計能夠改變燈光亮度的電路。如學生通過改變變阻器的阻值，進而改變電路中的電流大小，來控制燈泡的亮度。在這個過程中，學生對電阻的作用加深理解，同時學生的工程能力和問題解決能力也得到鍛煉。

（三）可視化評價工具

為幫助學生外顯思維過程，開發“電路設計思維圖”作為可視化評價工具。

電流路徑標記：學生用紅色箭頭表示電流方向，標注從正極到負極的流動路徑。

元件功能標注：學生用藍色區域標注各元件的功能。

故障排查記錄：學生用黃色標記標注電路中的故障點，并記錄排查過程。

三、教學案例：從“點亮燈泡”到“智慧照明”

（一）真實情境導入

為將科學知識與現實生活緊密結合，以“夜景燈光供電故障”為背景，設計真實情境任務。某日夜晚海濱的景觀燈突然熄滅，導致游客無法欣賞美麗的夜景，甚至影響城市形象和旅游業的發展。作為“小小工程師”，學生需要設計一套備用照明系統，要求亮度均勻、可獨立控制，并能適應不同天氣條件。

在導入環節教師通過播放城市夜景視頻，引導學生觀察燈光布局與功能，并提出問題：“如果讓你設計一套照明系統，你會考慮哪些因素？”學生提出“亮度”“節能”“美觀”“安全性”等關鍵詞。接著，教師分發任務卡，明確設計要求：系統需包含至少3個燈泡，亮度均勻；每個燈泡可獨立開關；盡可能使用環保能源，如太陽能；系統需具備一定的智能性，如自動感應光線變化。

（二）原型設計與迭代

在任務驅動下，學生以小組為單位，利用紙板、導電膠帶、LED燈泡、電池、開關等材料制作電路模型。

初版設計：單回路連接。讓學生先用連接3盞燈泡的電路做實驗。在實驗中發現3盞燈泡亮度不一，并且一個燈泡出現問題，整個電路都不工作。例如某小組在實驗時發現，第三個燈泡不怎么亮，而第一個燈泡特別亮。經過分析學生發現單回路連接有以下缺點：電流在單回路連接中不能平均分配；一個點出現問題，整個電路都不能工作。學生記錄下缺點：亮度不夠，不便于控制。

改進版設計：用雙回路并聯。讓學生到網上查找有關電路的知識，學習并聯電路的相關知識，設計出合理的電路。經過改進，學生設計出了雙回路并聯電路，亮度均勻并且可以分別控制。例如某小組設計出了雙回路并聯系統，一個回路中的兩個燈泡由一個開關控制，另一個回路中的一個燈泡由一個開關控制。經過實驗，學生發現并聯電路不僅解決了亮度不均的問題，還具有較高的穩定性。學生提出了新的問題：如何使設計更智能？

創新版設計：增加光敏電阻。某些小組在電路中加入光敏電阻，使電路能夠實現自動控制。例如某小組設計出了路燈，白天不工作，夜晚點亮。經過測試，學生發現光敏電阻會隨著光線的強弱發生變化，進而控制電路的通斷。經過多次測試和改進，學生制作出了具有照明功能的產品，并進行展示。例如某小組的智能路燈能夠在夜晚點亮，還能調節亮度，比較有創新性。

（三）技術賦能：虛擬仿真輔助

利用“Circuit Builder”App，在模擬環境中提前發現和規避電路錯誤，以降低實物實驗風險和成本。例如，學生在搭建并聯電路時，通過該軟件測試不同連接方式發現，導線過長會導致電壓下降，從而避免這一錯誤。虛擬仿真技術可以幫助學生規避錯誤，還可以幫助學生理解抽象內容。例如，通過軟件觀察電流變化，理解“光強—電阻—電流”關系。一名同學使用“Circuit Builder”App模擬不同光線下燈泡不亮的情形，從而發現光強增加，電阻降低，電流增大，進而燈泡點亮。

四、教學反思與優化

（一）成效分析

學生的知識掌握情況：學生能掌握雙控電路的相關知識，并能自主設計和制作雙控電路。

學生的能力發展情況：自主嘗試在電路中加入光敏傳感器、蜂鳴器等。

學生具有較強的工程思維和創造力。經過小組討論和幾次嘗試，改進為并聯電路，并加入光敏傳感器，最終制作出能隨著光線強弱變化而變化亮暗的路燈。

（二）面臨的挑戰及優化對策

盡管項目的開展效果明顯，但還存在很多不足之處。學生的工程思維不足，喜歡不斷進行嘗試和改進，沒有基本的系統思維，對電路的改進沒有合理的思考和改進?？鐚W科的整合工作不足，對教師的跨學科學習能力和知識掌握有較高的要求。材料成本高，制作成本高，耗費學校經費。評價體系不健全，對學生的軟性技能要求關注不足。

對策建議：設計“電路故障診斷卡”。預設一系列故障情況，引導學生逐步排查，學會思考；建立校本STEAM資源庫。收集和整理優質案例、視頻、設計圖等資源，方便跨年級教師使用；利用廢舊材料，降低成本。聯系家長提供廢舊電子產品（如廢舊手機充電器、舊玩具等），經教師改造后，成為學生的實驗材料；建立評價指標。在原有評價工具基礎上，增加對學生的創造性、合作能力、表達能力等方面的評價。

五、結語

學生通過參加研究性學習和創新實踐，提高電路知識的學習水平，以及在工程思維、合作學習、解決問題等方面的能力。學生在真實任務情境中學習，將課堂知識與生活緊密聯系，通過合作設計制作出具有實用性的電路模型。在實施過程中，學生遇到工程思維挑戰、跨學科學習挑戰、實驗材料費用挑戰和評價挑戰，通過改進策略提高效果，激發了創新潛能，為未來的學習和生活打下基礎。

【本文系山東省淄博市淄川區教育科學“十四五”規劃2025年度立項課題“基于核心素養的小學科學學業述評優化研究”的部分研究成果，課題編號：2025ZCJY02】

參考文獻

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