大单元视角下初中物理STEM-PBL教学案例研究

胡仓兵 李密

摘 要：本文在大单元视角下以“室内电路的设计与制作：双控开关电路”为例，论述如何在初中物理教学中进行STEM-PBL教学实践研究.探索大单元大任务指引下实施项目式学习的教学策略，在物理教学中实施大单元设计，以改变学科知识的碎片化教学，实现教学设计与深度学习的有机融合.

关键词：大单元;初中物理;STEM;PBL;教学案例

中图分类号：G633.7     文獻标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）20-0027-05

基金项目：中国陶行知研究会2019年度立项的课题“陶行知教育思想引领下初中物理深度教学研究”（项目编号：2019B17）;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：中学物理教育教学研究;

李密（1989-），男，安徽芜湖人，本科，中学二级教师，研究方向：中学物理教育教学研究.

传统教材的单元通常按照知识体系独立成章，单元内的每节内容都是由单个知识点组合而成，各个碎片化的知识点构成单元.我们所研究的“大单元教学”是指在STEM-PBL教学理念指导下，以学科核心素养为目标，通过“系列任务和核心知识形成的大问题、大项目”的名义组织或结构化要学的知识、技能、问题、情境、活动、评价等，使之成为一个完整的学习故事或事件.系列任务是指基于真实情境的由一个个彼此相关，又呈现某种内在逻辑关联的多个任务组成的“任务群”.

为了探索STEM-PBL在初中物理教学中的应用，笔者在大单元视角下以STEM和“做中学”为理论指导，借助于PBL教学法，设计“室内电路的设计与制作：双控开关电路”的教学案例，进行实践研究，实现学生“做中学”，教师“做中教”，从而促进学生构建物理观念、发展科学思维、形成科学态度，最终达到发展物理核心素养的目的.

1 选题依据

《义务教育物理课程标准（2011年版）》在课程性质上明确指出：“义务教育物理课程作为科学教育的组成部分，是以提高全体学生科学素养为目标的自然科学基础课程.此阶段的物理课程不仅应注重科学知识的传授和技能的训练，还应注重对学生的学习兴趣、探究能力、创新意识以及科学态度、科学精神等方面的培养.”在课程的基本理念中提出“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念.即：物理课程要做到“贴近学生生活，符合学生认知特点，激发并保持学生的学习兴趣，让学生通过学习和探索掌握物理学的基础知识与基本技能，并能将其应用于实践，为以后的学习、生活和工作打下基础”.

《普通高中物理课程标准（2017 年版 2020 年修订）》在课程的基本理念中提出：“引导学生自主学习，提倡教学方式的多样化：高中物理课程通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境，培养和发展学生的自主学习能力.通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认识自然界，形成科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力.”

2 单元教学建构与重组——“室内电路的设计与制作：双控开关电路”

2.1 单元教材分析与学情分析

“家庭电路”在生活中是最为常见的电路之一，但是学生对其内部构造、电路安全等方面却不甚了解.“室内电路的设计与制作：双控开关电路”的教学案例是基于沪科版九年级物理第十四章“了解电路”和第十五章“探究电路”内容的综合实践与拓展.在物理课程标准的指导下，以STEM-PBL教学模式，开展“双控开关电路”设计与制作的实践教学.

在学生未接触电学知识的情况下，教师不可能让学生直接去设计家庭电路，因此，本单元教学在整合第十四和十五章部分内容的基础上，打破原有教材的知识架构，重组学生学习的逻辑，对单元知识结构进行重组和建模，以适应学生在完成本项目学习的同时可以最大程度减轻学生的学习压力，落实物理学科核心素养.

2.2 单元学科核心素养水平要求

物理观念：形成初步的物理观念，能从物理学的视角解释一些自然现象.

科学思维：经历观察物理现象的过程，能简单描述所观察物理现象的主要特征，能在观察和学习中发现问题，具有初步的观察能力及提出问题的能力.能书面或口头表述自己的观点，能与他人交流，有自我反思和听取意见的意识，有初步的信息交流能力.

科学探究：通过参与科学探究活动，学习拟订简单的科学探究计划和实验方案，有控制实验条件的意识，能通过实验收集数据，会利用多种渠道收集信息，有初步的信息收集能力.

科学态度与责任：有将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识，乐于探究日常用品或新产品中的物理学原理，乐于参与观察、实验、制作、调查等科学实践活动，有团队精神.

2.3 单元教学策略

项目式学习策略：以学生为主体，以学生的经验和活动为中心，基于真实的生活情境，学生之间主动协作，进行开放式的探究.

发现式学习策略： 通过对比、实验探究、建模实现教学目标.

问题驱动式学习策略：以问题为导向，通过解决实际问题完成知识的构建和学习，在做中学，在做中悟.

循环递进式探究法：以问题解决为目标，以任务为主线，以学生活动为载体，循环探究，逐步深入，完成知识建构.

2.4 单元学习活动及课时安排（见表1）

3 STEM-PBL课时教学实践——设计与制作双控开关电路

3.1 STEM-PBL课时教学流程图（如图1所示）

3.2 创设真实情境，设置驱动问题

王同学家准备装修新房，原客厅灯由单控开关控制，每次外出或入室休息时，开关灯十分不便，因而他想在新房装修时，将客厅灯设计双控开关控制，即在卧室和客厅门口处都可以控制客厅灯.为了实现双控的效果，需要哪些元件？如何设计双控电路？如何判定设计的电路符合要求？同学们围绕这些问题展开讨论.

设计意图：课例源于真实的生活情境，围绕设计“室内双控开关电路”实际问题进行大单元设计，突破传统课堂教学的时空限制，采用合作探究的方式，以问题为中心，将问题贯穿于教学全过程，对原有教材进行重组，在解决真实问题的过程中完成相关知识的学习，让学习在真实情境中发生，课堂学习内容紧紧围绕学习需求进行设计，将学科核心素养落实到课堂教学之中，培养学生的创新精神和实践能力.

3.3 明确课时任务，设计项目计划

任务一 识别双控开关电路

活动1：看一看——展示双控开关电路.

展示生活中的双控开关，介绍其作用：双控开关电路是家庭电路中常见的一种电路，其作用是通过两个独立的开关实现异地控制同一盏灯.思考如下问题.

问题1：双控开关电路中至少需要几只开关？

问题2：双控开关与所控制的用电器是哪种连接方式？

活动2：试一试——解剖双控开关电路.

拆解一只双控开关（如图2所示），可以看到双控开关内部具有常开、常闭两个触点，将两只双控开关按照一定的方式接入电路，能独立地控制同一盏灯，如楼道中的照明灯可以用楼下和楼上开关独立控制.思考如下问题.

问题1：双控开关电路中的开关与普通的单控开关是否相同？

问题2：连接电路时，双控开关的接线与单控开关的接线有何不同？

设计意图：运用STEM-PBL教育理念，通过“看一看”“试一试”的真实体验，引导学生提出问题，并思考如何解决问题.在教学中，教师的角色不再是课堂的中心，而是学习的参与者和合作者，学生才是课堂的中心和主人.

任务二 设计双控开关电路

需要的器材：电灯、单刀双掷开关（两个）、电源、导线若干.

活动1：设计电路.

看一看：双控开关有三个接线柱，中间的接线柱可以与两侧的两个接线柱形成通路，而两侧的两个接线柱不相通.将两个开关进行编号，分别为1、2标识，则三个接线柱分别标为1a、1m、1b、2a、2m、2b，1m 和2m是中间的接线柱.在设计电路时，需要考虑将这六个接线柱如何接入相应的电路.

畫一画：学生分组讨论并自行设计电路，画出设计电路图.

想一想：每个双掷开关都有两种状态，根据表1分析，如将开关1置于1a，分析开关2能否控制电灯;再将开关1置于1b，分析开关2能否控制电灯;再将开关2置于以上两种状态时，分析开关1的功能是否完整，将分析结果记录在表2中.

设计电路图如下.

记录表格如下.

表3

设计意图：双控开关电路难度较大，为了降低学习难度，帮助学生建立知识的内在联系，笔者从设计基本单元电路入手，让学生获得知识的途径更简单，有效消除学生的畏难情绪，从而引导学生积极思考，达到知识的迁移和内化，促进学生深度学习的达成.

任务三 制作双控开关电路

器材（如图3所示）：双控开关（两只）、LED灯、电池盒（电源）、KT板（室内模型）、导线若干.

活动1：制作电路模型.

连一连：各小组先检验电路双控的可行性，检验成功的小组按照设计电路进行实物连接;未检验成功的小组重新设计，选择好电路的连接方式，完成电路设计，再进行实物连接.

理一理：各小组按照设计好的电路进行连接，连接电路前，注意区分接线柱，严格按照设计电路进行连接，避免连错接线柱而达不到预期的效果.

做一做：连接完成后，将各个模块组装起来，完成室内模型的搭建，形成家庭电路中双控开关电路的模型的最终成果.

设计意图：借助于“做中学”的教育思想，向学生提供独立思考的时空，在小组合作探究的过程，引导学生理论联系实际，发展学生的核心素养，培养学生的关键能力和必备品格.

任务四 展示项目成果，开展项目评价

活动1：评一评——自评与互评.

可行性评价（见表4）：可行性是电路设计的重要指标之一，各小组设计的电路是否符合要求，关键在于：（1）是否能实现双控目的;（2）在实际操作中是否可行.因此，在完成模型的制作后，需要进行可行性评价.

过程性评价（见表5）：学生在项目的实施过程中，学生在小组中的表现不尽相同，因此需要针对每位组员进行过程性评价，包括五个方面：参与程度、合作情况、创新情况、学习态度和自主探究.

结果性评价（见表6）：小组间互评的方式进行量化评价，包括三个方面，分别是实现双控、电路安全和电路复杂程度.

设计意图：通过“设计与制作双控开关电路”，将知识的学习与方法的运用贯穿在整个活动过程，在实践活动中，学生对知识的理解更加深刻，深切体会到“物理即生活，生活即物理”.同时，学生在设计和制作过程中，加深知识学习与应用的深度，学习不是仅为解题服务，而是寻求解决实际问题的方法，促进深度学习的发生.

4 STEM-PBL大单元教学的反思

4.1 以“STEM-PBL”为导向，促进深度学习

在真实的情境中，笔者以“STEM-PBL”为导向，整合学科知识，提炼出有内在逻辑联系的学习故事，通过项目式学习的方式生成新的问题，在解决问题的过程中，完成知识的学习，这种以解决项目问题为导向的学习方式，强烈地激发学生学习的内驱力，促进深度学习得以发生.

4.2 知识问题化，问题情境化，情境体验化，体验系列化

大单元视角下STEM-PBL教学设计能有效地将碎片化的知识点，通过系列任务有梯度的呈现，由任务生成系列问题，问题与问题之间不仅是知识的集合，更是有逻辑的递进关系，问题提出是在真实的情境下产生，正是真实的情境给予学生真切的体验，这种真实的体验不再孤立地发生，而是贯穿学生学习的始终，让学生在系列化的体验中习得知识，提升素养.

4.3 评价贯穿始终，自评和互评相得益彰

常规教学的评价只注重终结性评价，评价的实施者往往是教师，学生只是被动的评价对象.而大单元视角下“STEM-PBL”的教学评价更加注重自评与互评，学生在自评中认识自我，剖析自我，更好地审视自己的不足，在互评中辩证地思考彼此的优劣;在评价内容上更注重表现性评价，评价伴随着“教”与“学”的全过程，过程性评价嵌入教与学的各个环节，与教学过程有机融合，真正發挥评价的育人功能，助力核心素养的落实.

5 结语

大单元视角下的STEM-PBL教学案例研究是落实立德树人、发展核心素养、深化课程改革的必然要求，也是落实学科核心素养的关键途径.本节课将STEM-PBL学习模式有机融入物理教学，既是一次有益尝试，更是教学方式和学习方式的一次变革，强烈地激发学生的内在驱动力，促进深度学习的发生.大单元视角下的STEM-PBL教学真正实现将核心知识问题化，关键问题情境化，真实情境体验化，深度体验系列化.通过项目任务的开展，完成项目产品，发展学生核心素养，培养学生创新精神和实践能力.

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（收稿日期：2021-04-16）