项目引领下初中物理STEM-PBL教学案例的实践与反思

摘 要：本文以“杆秤的制作”教学为例，论述了如何在项目学习引领下进行初中物理STEM-PBL教学案例的设计与教学实践，探索初中物理项目学习教学策略，以打破“情境孤岛”与“知识壁垒”给教学带来的束缚，并对STEM-PBL教学中如何发展学生的核心素养进行反思，进而引发深度学习.

关键词：初中物理;教学案例;STEM;PBL

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）02-0036-04

基金项目：安徽省教育科学研究院2019年度立项重点课题“基于项目学习的中学物理深度教学实践研究“（项目编号：JKZ19004）.

作者简介：胡仓兵（1971-），男，安徽芜湖人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教育教學研究.

STEM教育是一种重实践的超学科教育概念，它有别于传统的单学科重书本知识的教育方式，PBL全称是Project-Based Learning ——项目式学习，PBL是以解决一个真实问题或项目成果——产品为核心，在真实情境下以问题为导向的动态自主学习过程，是基于现实世界的以学生为中心的教育方式， 是在教师的引导下，“以学生为中心、以问题为基础”，通过采用小组讨论的形式，学生围绕真实的问题，独立收集资料，发现问题、解决问题，培养学生自主学习能力和创新能力的教学模式.

1 问题的源起

笔者所在学校是一所市直属九年制义务教育学校，近年来，在深化集团化办学的宗旨指导下，学校非常重视课程改革和创新教育活动的开展，2018年9月成立STEM教育实验基地，在实验基地的基础上，STEM课程开展得有声有色.笔者所在的物理教研组最早参与了“STEM教育视野下基于项目学习的中学物理教学案例研究”（项目编号：DK74）市级课题的研究，深度介入课题研究的各项工作.2019年9月笔者所在学校申请了省级课题“基于项目学习的中学物理深度教学实践研究”（项目编号：JKZ19004）的子课题——“初中物理STEM-PBL教学案例研究”.2019年4月笔者有幸参加了在无锡举办的“首届全国STEM课堂教学比赛”，执教的“杠杆——杆秤的制作”荣获现场教学评比的全国特等奖.本节课以STEM-PBL教学的模式，开展“杆秤的制作”综合实践与拓展，借助于物理学、工程学和数学等知识进行STEM教育，旨在课堂教学中落实物理核心素养的有效途径，更好地培养学生的科学素养和创新能力.同时在教学的各个环节中深入贯彻“循环递进探究教学法”，搭建一个以学生学习为主体的高效课堂.为此，本人在STEM教育理论指导下，借助于PBL（项目式学习）和循环递进探究教学法，设计了“杆秤的制作”教学案例，在教学中进行了实践，并对在STEM-PBL教学中如何发展学生的核心素养进行反思，进而引发深度学习.

2 STEM-PBL教学案例

2.1 教学内容分析

“杠秤的制作”教学案例是基于沪科版八年级物理第十章“机械与人”第一节“杠杆的平衡条件”内容的综合实践与拓展.在实际生活中，我们时常遇到“杆秤测量质量不准确”的问题，由于学生对杆枰的模型及工作原理不是很清楚，从而造成学生学习上的障碍.在以往教学中，常用的处理方法是“就题论题”或“强行拓展”，使原本就让学生运用的生疏知识变得更加“高深莫测”，难免让不少学生对进一步学习物理产生畏难情绪，失去学习兴趣.基于以上原因，秉着解决实际问题的原则，制定如下教学目标：通过杆秤的制作过程，进一步掌握利用杠杆平衡条件分析各物理量间关系的方法与技能;通过问题的提出、产品设计和方案改进等实践研究活动，增强理性思维、批判质疑和勇于探究的科学精神;通过产品制作和产品优化等实践操作活动，提升劳动意识、问题解决与技术运用等多方面的实践创新能力;通过杆秤悠久的历史介绍，挖掘蕴含其中的古朴智慧，提升科学素养.

2.2 学情分析

学生学习了杠杆的平衡条件及其应用的知识后，已经初步具备了解简单的杠杆，能分析杠杆平衡条件中的各物理量间的定量关系，以及形成了利用杠杆平衡条件进行简单计算等能力，但同时也存在知识掌握尚不熟练、综合运用能力薄弱，特别是对抽象受力分析或动态平衡缺乏兴趣等问题，但学生对动手制作和实验探究有着天然的吸引力和创造力，这需要教师对常规教学程序、知识技能、过程与方法进行优化实施，使之切合初中生的认知特点，从而满足学生的求知欲.

2.3 教学重难点

重点：通过STEM-PBL学习，对学生综合运用能力、实践操作能力的提升.

难点：STEM-PBL教学方式下学科间的整合与学习策略的有效实施.

2.4 STEM-PBL案例教学流程图

采用提出项目问题—设计项目方案—项目产品制定—项目产品交流—项目产品评价—评价反思的教学流程（如图1所示）.

2.5 STEM-PBL案例教学实施

2.5.1 创设真实情境，培养问题意识

展示真实场景：开学初，同学们帮助老师整理办公室，清理出很多废纸，为了变废为宝，同学们建议将废纸卖给废品回收人员，当工作人员在称量废纸质量时，同学们发现，明明感觉废纸很多很重，但称量出来的质量却很小，这到底是废纸实际质量小，还是称量质量的工具不准确而导致偏小呢？同学们争论不休，带着满心疑惑来问老师.

针对学生在实际生活中遇到的真实问题，老师并没有直接下结论，而是和同学们一道来研究如何解决这一真实问题，教师引导学生思考以下问题（如图2所示）.

问题1：实验室中测量物体质量工具是天平，天平的工作原理是什么？

问题2：日常生活中常用什么工具测量质量？

问题3：天平与杆秤二者的区别有哪些？

问题4：日常生活和生产中为什么很少使用天平进行物体质量测量呢？

在学生逐一回答教师提出的问题后，教师进一步给学生抛出“哪种方法能够更快速、更准确地测量质量的大小？”，进而激发知识运用中的矛盾冲突，产生学习新方法的求知欲.教师引导学生根据生产生活中的实际需要寻求解决办法，进而引导学生设计一个兼顾“直观与精准”“操作便捷”等优势的测量物体质量大小的装置——“杆秤”，那么，如何制作杆秤？如何检验所制作的杆秤的示数是否准确？

设计意图：应用STEM教育理念，通过PBL项目学习法，引导学生从实际生活的需要出发，提出问题，创造性地解决问题，教师的角色不再是课堂的中心，而是教学的组织者和参与者，学生是项目问题的研究者、项目产品的开发者.教师应该将课堂还给学生，使学生成为真正的学习主人，在实践中形成物理观念.

2.5.2 任务驱动学习，形成物理观念

“STEM-PBL”学习的本质是将学习活动作为一种学习方式引入物理教学中，把物理核心知识建构和物理规律的探究融入到具体的“项目产品”中，然后将项目任务分解，打破教材文本的顺序和内容呈现方式，以学生为中心整合教学资源，提升学生核心素养.为此，为了完成上述项目任务，给学生提出以下进阶任务.任务一：学生围绕学习任务讨论设计要求，如直观可视、操作便捷、量程范围、携带方便以及测量准确等项目设计目标;任务二：教师引导学生分解设计目标，选定“直观可视、操作便捷、测量准确”等基础设计目标进行初步设计;任务三：教师给学生提供限定的实验器材，创设“运用杠杆平衡条件测量质量”的模拟实验环境，引导学生根据 “杆秤制作”的初步设想设计方案，并填写完成《杆秤的制作设计书》;任务四：课堂汇报交流《杆秤的制作设计书》.

设计意图：利用任务驱动，设计问题串和问题链，问题之间应具有逻辑递进关系，层层深入，循环递进，将核心知识融入在问题中，在项目学习引领下让深度学习真实发生，形成物理观念.

2.5.3 项目产品设计，升华科学思维

教师在学生众多的设计方案中选择具有代表性的设计方案，并让各方案的设计者介绍自己的设计思想，由设计者与其他同学进行双向选择，组建自己的项目研发团队，针对该方案进行深入改进交流.在“杆秤的制作”案例教学中，为了让学生能在限定的时间内有所建树，获得成功的体验，特对项目任务和内容作了微调（如图3所示），从而有效降低项目设计的难度.在项目设计环节上主要渗透STEM中的技术与数学部分，给学生充分的实践空间，促进科学思维的升华.

2.5.4 方案优化改进，产品制作调试

各组在深入改进后，分别向教师汇报改进后的方案，而后进入产品制作与调试阶段（如图4所示），教师参与各组讨论，帮助学生解决组内设计思想存在的矛盾障碍，保证项目研究顺利推进.

设计意图：在项目学习中，教师的任务之一是将一个大的项目分解成若干个任务或活动，任务与任务之间不是孤立的，而是围绕项目实施，重新整合学习内容，由低到高地推进，在课堂活动中应带着“未知”的具体任务，让学生在全新的体验中引发思考，以此达到深度学习的目标.

2.5.5 产品发布推介，质量功能检测

为了激发学生的学习兴趣、检验项目产品的性能，各小组以“产品发布会”的形式推介产品的工作原理、使用说明和优化过程，并进行模拟真实测量环境的功能检测，多维度地展现各项目组的研发水平（知识综合实践运用水平）.

2.5.6 组间交流评价，促进产品优化

学生实践活动结束后，教师及时引导各项目组对其它项目组的产品进行综合评价并提出改进建议，帮助各组项目产品实现再优化的目的.教师展示工业成品“杆秤”，并简单介绍其工作原理.从而引导学生对比自己的设计方案，总结项目研发的不足之处，为下一次项目研发积累经验.

设计意图：以学生实践活动的开展为契机，以项目产品的制作为形式，通过“设计—制作—评估—改进”这种循环递进的学习模式，让学生设计出精致、实用的产品——“杆秤”，学生通过小组合作的方式开展项目学习，通过组内交流、组间评价，真正实现生生互动、师生互动，让学生在进行项目实践活动过程中，感受学习物理的知识性、趣味性和人文性，体会科学探究学习的方式方法，培养其创新精神和实践能力.

3 STEM-PBL教学案例的反思

3.1 STEM-PBL打破思维固化，解决情境孤岛

在STEM-PBL教学法的指导下，将创设的真实问题情境贯穿在教学的始终，能够打破传统的思维固化，有效解决了情境孤岛的弊端.在真实的情境下解决实际问题，学生围绕制作“真实”的产品或方案，参与课堂学习活动，分工合作协调互动，能够最大限度地开发学生的潜能，在项目学习中人人都能体验到成功的喜悦，学生收获的不仅是有形的项目产品还有无形的项目设计方案，而且更增添了学生学习物理的自信心，使得学生的物理学习兴趣能够持久保持.

3.2 STEM-PBL发展核心素养，促进深度学习

STEM-PBL教学中以任务驱动为核心的“STEM-PBL”项目学习，能最大限度地激发学生的潜能，发展学生核心素养，促进深度学习的发生.因为知识的发展不再是单一线性发展，也不一定按照教师课前预设或学生心里预想的那样发展，但是，这更容易吸引学生的注意力，激活学生的思维活动，将课前“碎片化”“单一化”习得的知识与技能迁移到真实情境中，以解决实际问题.

3.3 STEM-PBL突破知识壁垒，发展高阶思维

利用STEM-PBL教学法，探索初中物理项目学习大单元教学设计方法和策略，以打破以往“情境孤岛”与“知识壁垒”给教学带来的束缚，从而达到从“知识单元”到“学习单元”，从“能力单元”到“项目学习”，从“低层结构”到“高层结构”，从“低阶思维”到“高阶思维”的飞跃.在培养学生核心素养为主旋律的新时代，我们借助STEM-PBL教育的学习新形式，让问题来源于生活，从实践中寻找答案，解决实际问题，学生真正成为学习的主体，教学达到了在“做中学，学中做”的教育教学效果.

4 结语

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，项目式学习的重点在于做什么，而不仅仅在于学什么，即做中学.由于物理学科特点，我们運用取自生活的物品设计实验从而重温规律的获得;分析解决物理原始问题提高学生解决实际问题的能力;分析现有产品和制作产品，培养学生知识创新能力.所以，STEM-PBL（项目式学习）在教学实践活动中，不仅丰富了学习的内容，启迪了学生的思维，而且能在真实的情境下促进深度学习的发生，发展学生的核心素养.

参考文献：

[1]余胜泉.胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教学研究，2015，21（04）：13-22

[2]郭华.深度学习及其意义[J].课程·教材·教法，2016，36（11）：25-32.

[3]杨勇诚.基于项目学习的初中物理教学探究——以“密度”教学为例[J].中学教学参考，2017（02）：57-58.

[4]蒋文远.核心素养引导下的单元复习设计及策略——以“力与运动”单元复习为例[J].物理教学探讨，2019，37（04）：32-36.

[5]陈婷.基于PBL的初中科学复习教学模式实践探索——以“电与磁”为例[J].中学物理教学参考，2020，49（01）：5-7.

[6]阿岩松，周欣彦.基于PBL的物理单元教学设计研究——以初中物理《浮力》为例[J].教育现代化，2018，05（39）：205-207+209.

[7]谢丽，李春密.物理课程融入STEM教育理念的研究和实践[J].物理教师，2017，38（04）：2-4.

[8]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

（收稿日期：2020-10-17）