基于PBL模式的初中STEAM科学课程教学设计研究——以《制作灯泡》为例

临平第五中学 浙江 杭州 313000

一、问题缘起

在传统的科学课课堂中教授法占据了主导地位,但是这种方法只是停留在知识与技能层面,达不到提升核心素养的要求。而科学课程是一门综合性较强的学科,STEAM教育理念的引入,可以较好的融合这些学科,并且可以提升学生的核心素养。例如在学习《导体电阻的影响因素》导体电阻的影响因素时,书本中的实验将镍铬铜等金属进行实验探究,分别探究电阻大小和材料、长度、粗细以及温度之间的关系。这种实验更多作为演示实验,学生最后只是记住了结果,但却没有理解探究的过程。如何将课本中的实验开发改进,融入steam理念,这是值得我们思考的问题。而PBL教学模式刚好在某些领域和我们所急需的要求相互符合。我们可以利用PBL模式学习的流程特点结合STEAM的理念,开发教材中的内容,通过小组合作完成本节课的内容,培养学生的综合能力以及提升核心素养。

二、理论依据

(一)STEAM教育理念

STEAM教育理念最初是美国政府为了强化科学、技术、工程、数学和艺术的教育,提出了STEAM教育理念。对于当前社会单一学科的教学已经无法满足学生的需求,也将极大的影响学生未来的发展。因此将STEAM教育理念融入到中学科学的课堂教学中,不仅加强了与其他学科之间的联系,也有效地弥补了传统科学课堂教学中的不足,因此,将STEAM教育理念应用到中学科学教学中就极为必要。

(二)PBL教学模式

PBL是“基于问题式的学习”的一种学习方式。强调的是以学生为主体,在教师的整体把握和指导下,将核心知识转化到真实的问题情境中,让学生通过分析真实问题,探究在问题背后的科学知识。在这个过程中慢慢培养解决问题的技能,提升自主学习的能力,其核心在于发挥问题对学习过程的指导作用,调动学生的积极主动性。

三、教学策略

(一)PBL教学模式下科学STEAM课程教学模型建立

PBL模式下STEAM教育的开展往往是基于解决真实问题,根据以上的特点和理论基础,笔者设计了以下的教学策略,以下是设计思路(图一)

(二)PBL教学模式下科学STEAM课程教学策略的建构

如何在PBL的模式下有效开展STEAM的教学,我们应该制定相应的策略,如下图2所示:

四、应用案例分析——《制作灯泡》

(一)创设情景,产生问题

兴趣是最好的老师。激发兴趣需要良好的教学情景。因此教学情景的设计的第一原则是激发学生的学习兴趣。在本节课上课前我首先播放灯泡的发展史,认识灯泡从木炭条做灯丝到钨丝的发展历程。让孩子感受灯丝经历不同材料的挑选的过程,引发了学生们的好奇心。自然而然引发问题,怎样的材料能做灯丝?教师立刻展示今天的做灯丝可能用到的9种材料:①铜丝、②普通HB和③普通2B笔芯、④较长的HB和⑤较长的2B笔芯、⑥极细的HB和⑦极细的2B铅笔芯,立刻引起同学们的头脑风暴。1．做灯丝发光的原理是什么?2．老师提供材料哪种适合做灯丝?

设计意图:教师积极营造真实的问题背景,让学生身临其境,真实的环境

氛围激发学生的积极性。在真实背景下,学生很快与自己原有的知识经验产生联系。及时抛出了本节课所要解决的几个关键性的问题,学生们自然产生主动解决问题的动力和兴趣。

(二)小组讨论,分析问题

引出了问题之后,确定了本节课的核心问题。小组进行首先确定第一个问题,根据视频和经验,组员之间进行思维碰撞,并理解电阻的意义。第二个问题,如何对这9种材料进行选择。引导学生进行分类实验,进行简单猜测,通过组内合作分解任务。

任务一:先选择材料,在①②③中先进行选择。

任务二:选择长度,在③⑤中选择。

任务三:选择粗细,在②⑥或者③⑦中选择。

分解好任务之后,准备设计实验方案,如何来定性的鉴别电阻的大小?组长带领组员分工合作设计方案。

设计意图:在这个环节中老师并没有做过多的讲解,教师只要紧紧抓住核心问题,并将核心问题分解成几个单项任务。让学生自己去设计、分析、实践,而小组的合作讨论恰好是一个很好的机会让思维进行碰撞,还原真实问题探究的一个过程。在第一个问题结束后教师进行简单归纳,得出电阻的定义和其工作原理。

(三)明确任务,制定计划

在问题讨论结束之后组长根据组员特点合理安排任务,明确组员角色。在这个过程中让所有的成员都要积极参与进来,各自负责自己的任务。如果没有合理分配任务,那么完成任务的效果会大打折扣。通过任务驱动,促使每个同学明确自己任务并积极参与学习探究。在这个环节中,小组将自己的方案展示,并进行解释,从设计思路和现象回答需要挑选的材料。

然后展示后进行组内评比,其他小组可以提问,或者质疑展示小组的问题,例如:方案二中灯泡不灵敏,方案三中容易引起短路,方案四中现象不明显,容易引起短路。最后经过对比选出最佳方案一。

设计意图:将任务不断细化,并且让学生通过任务不断完善方案,从而得到最为合理的方案设计。教师通过任务的层层递进地引导学生在面对不同的解释和结论时学会思考与分辨,从而再展开讨论与交流。在这个环节中画图、表达、构建模型,体现了STEAM中科学、技术、工程、数学四个领域的结合,紧紧地围绕本节课的问题开展探究。很好的将PBL的教学模式和STEAM模式进行有效融合,培养了学生的综合问题解决能力和团队合作能力,落实了STEAM中T技术目标。

(四)开展实验,分析数据

在PBL教学模式中,学生由知识的被动接受者转变为自主学习者、合作者和研究者,成为学习的主体。小组成员要根据之前组内所探究出的方案,获取的数据或证据,进行科学解释或论证,从而将每个小任务的问题与数据进行对应解释,并得出自己的学习结论。

在任务一中,学生根据电流表和电灯的情况确定结果,铜丝的电阻最小,2B其次,HB的电阻最大,同时引导科学回答。同学们深入分析问题,HB和2B的区别是什么?及时提供资料,关于2B,HB的百科资料。

在任务二中,优化设计方案,并没有选择原来的方案,大家经过第一个结果一致认为HB相对比较适合,然后就不需要灯泡,不会引起短路问题。最终大家选择设计方案为方案三。

在任务三中,对于铅笔芯粗细时,学生又碰到一个新的问题,电流标的偏转都非常小,及时引导学生,那怎么办?很多同学提出建议用更多的电池,用4节电池进行实验更明显,但又有学生提出电流表的量程不够。经过小组之间的互相讨论重新优化方案,分别尝试用4节干电池和6节干电池,将电流表调到大量程。

最后有几组学生用6节电池,用最细的HB铅笔芯点制成了灯丝,其他学生看见以后积极研究,相互交流。大部分的同学都能做成功。同时还有一些学生观察到,铅笔芯发光以后,电流表的电流会变大。也提出一个新的问题,温度也会影响电阻的大小。

设计意图:这个环节中教师需要紧紧抓住核心问题,不断引发学生发现问题,提出问题,有层次地推进,使学生明确自己的任务目标。这个过程中学生需要不停的优化方案,阅读信息通过深入学习,并对核心数据进行有效分析。最后铅笔芯亮起来,是课堂到达高潮,使学生获得了成功的喜悦。这种积极的情感体验,促使学习真正发生,刺激更深层次的学习的发生,真实的感受到科学就在身边,来落实STEAM中M数学目标。

(五)小组合作,制作作品

这个环节中,小组成员需要通过相互合作,分享展示制作的小灯泡。最后,教师在对学习中的不足及学习内容加以归纳补充。灯丝的条件,需要是电阻率大,较长,较细的电阻相对较大的导体。学生补充,温度也会影响电阻大小。同时回归生活,拓展提问:为什么最后我们的白炽灯选用钨丝呢?制作灯泡还需要什么要求?在引发学生的思考,这个作为课后延伸的内容。

设计意图:小组之间分享信息,使零散的知识化,系统化,便于学生知识的重构。同时了解灯丝实际使用的还需要考虑的问题,其实细心的孩子已经发现实验中发出烧焦的味道,铅笔芯断了。PBL教学过程中教师需要学会慢慢“隐退”,仅在关键时刻起到点拨、引导的作用。同时培养孩子细心观察能力,和延续课内内容,延续问题越多越有利于同一概念信息被处理和加固,形成创新认知模式,从而达成了STEAM中E工程目标。

(六)展示作品,相互评价

评价环节是PBL模式的最后一个环节,评价与学习过程同等重要,每个阶段都包括学习评估。在STEAM的课程中评价也是一种激发学生内在动力的一种教学策略。评价内容包括小组设计的方案展现评价,讲解员的评价,和最后灯丝选择已经成功完成核心任务情况进行打分。

设计意图:同学们可以根据评价表中的内容,明确自己的核心任务和角色,强化小组之间的合作,做到人人参与。方案设计考查技能水平技能的水平,美观度和创意性。在比较中增强了科学探究的兴趣,提升鉴赏能力,完成了对于STEAM中A艺术目标的落实。

五、教学感悟

初中科学课程中STEAM跨学科的理念实施落实离不开有效的教学策略,比如PBL教学模式在STEAM中起到了很好的引导作用。让学生始终带着问题去学,带着问题去想,带着问题去解决。让最终所有的方法都指向解决问题,探究真知。在实施的过程中应注意以下几点:

(一)有效创设情景,抛出核心问题

教师应为学生创设一个良好的学习环境,而学生最熟悉的环境就是生活。在核心问题的任务设计中,情景需要根据真实场景设计。这样子可以有效激发学生的探索的欲望促进学生创新能力,充满玄机的课堂实施同时还应注意与核心问题息息相关,确保我们研究的主线不发生偏离。

(二)合理设计任务,促进深入学习

PBL教学模式强调的是“基于问题的学习”,教师应紧紧抓住核心问题,并将核心问题分解成几项单项任务,从而引发学生发现问题,提出问题,有层次地推进,使学生形成真正的学习兴趣。

综上所述,PBL教学模式在STEAM教学中起到了很好的引导作用。也可以较好的激发学生学习的积极性,提升学生的核心素养。所以除了PBL模式以外我们还应逐步探索STEAM课程的教学策略,将STEAM课程广泛应用于教育教学中,真正让学生学有所得。