大單元視角下初中物理STEM-PBL教學(xué)案例研究

胡倉(cāng)兵 李密

摘 要：本文在大單元視角下以“室內(nèi)電路的設(shè)計(jì)與制作：雙控開關(guān)電路”為例，論述如何在初中物理教學(xué)中進(jìn)行STEM-PBL教學(xué)實(shí)踐研究.探索大單元大任務(wù)指引下實(shí)施項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)策略，在物理教學(xué)中實(shí)施大單元設(shè)計(jì)，以改變學(xué)科知識(shí)的碎片化教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與深度學(xué)習(xí)的有機(jī)融合.

關(guān)鍵詞：大單元;初中物理;STEM;PBL;教學(xué)案例

中圖分類號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）20-0027-05

基金項(xiàng)目：中國(guó)陶行知研究會(huì)2019年度立項(xiàng)的課題“陶行知教育思想引領(lǐng)下初中物理深度教學(xué)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2019B17）;安徽省教育科學(xué)研究院2019年度立項(xiàng)重點(diǎn)課題“基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的中學(xué)物理深度教學(xué)實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：JKZ19004）.

作者簡(jiǎn)介：胡倉(cāng)兵（1971-），男，安徽蕪湖人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教育教學(xué)研究;

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

傳統(tǒng)教材的單元通常按照知識(shí)體系獨(dú)立成章，單元內(nèi)的每節(jié)內(nèi)容都是由單個(gè)知識(shí)點(diǎn)組合而成，各個(gè)碎片化的知識(shí)點(diǎn)構(gòu)成單元.我們所研究的“大單元教學(xué)”是指在STEM-PBL教學(xué)理念指導(dǎo)下，以學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，通過“系列任務(wù)和核心知識(shí)形成的大問題、大項(xiàng)目”的名義組織或結(jié)構(gòu)化要學(xué)的知識(shí)、技能、問題、情境、活動(dòng)、評(píng)價(jià)等，使之成為一個(gè)完整的學(xué)習(xí)故事或事件.系列任務(wù)是指基于真實(shí)情境的由一個(gè)個(gè)彼此相關(guān)，又呈現(xiàn)某種內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)的多個(gè)任務(wù)組成的“任務(wù)群”.

為了探索STEM-PBL在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用，筆者在大單元視角下以STEM和“做中學(xué)”為理論指導(dǎo)，借助于PBL教學(xué)法，設(shè)計(jì)“室內(nèi)電路的設(shè)計(jì)與制作：雙控開關(guān)電路”的教學(xué)案例，進(jìn)行實(shí)踐研究，實(shí)現(xiàn)學(xué)生“做中學(xué)”，教師“做中教”，從而促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建物理觀念、發(fā)展科學(xué)思維、形成科學(xué)態(tài)度，最終達(dá)到發(fā)展物理核心素養(yǎng)的目的.

1 選題依據(jù)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》在課程性質(zhì)上明確指出：“義務(wù)教育物理課程作為科學(xué)教育的組成部分，是以提高全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程.此階段的物理課程不僅應(yīng)注重科學(xué)知識(shí)的傳授和技能的訓(xùn)練，還應(yīng)注重對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、探究能力、創(chuàng)新意識(shí)以及科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神等方面的培養(yǎng).”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(huì)”的課程理念.即：物理課程要做到“貼近學(xué)生生活，符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，激發(fā)并保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)和探索掌握物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能，并能將其應(yīng)用于實(shí)踐，為以后的學(xué)習(xí)、生活和工作打下基礎(chǔ)”.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版 2020 年修訂）》在課程的基本理念中提出：“引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提倡教學(xué)方式的多樣化：高中物理課程通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實(shí)驗(yàn)、勤于思考的學(xué)習(xí)情境，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力.通過多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，整體認(rèn)識(shí)自然界，形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題的能力.”

2 單元教學(xué)建構(gòu)與重組——“室內(nèi)電路的設(shè)計(jì)與制作：雙控開關(guān)電路”

2.1 單元教材分析與學(xué)情分析

“家庭電路”在生活中是最為常見的電路之一，但是學(xué)生對(duì)其內(nèi)部構(gòu)造、電路安全等方面卻不甚了解.“室內(nèi)電路的設(shè)計(jì)與制作：雙控開關(guān)電路”的教學(xué)案例是基于滬科版九年級(jí)物理第十四章“了解電路”和第十五章“探究電路”內(nèi)容的綜合實(shí)踐與拓展.在物理課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，以STEM-PBL教學(xué)模式，開展“雙控開關(guān)電路”設(shè)計(jì)與制作的實(shí)踐教學(xué).

在學(xué)生未接觸電學(xué)知識(shí)的情況下，教師不可能讓學(xué)生直接去設(shè)計(jì)家庭電路，因此，本單元教學(xué)在整合第十四和十五章部分內(nèi)容的基礎(chǔ)上，打破原有教材的知識(shí)架構(gòu)，重組學(xué)生學(xué)習(xí)的邏輯，對(duì)單元知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組和建模，以適應(yīng)學(xué)生在完成本項(xiàng)目學(xué)習(xí)的同時(shí)可以最大程度減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng).

2.2 單元學(xué)科核心素養(yǎng)水平要求

物理觀念：形成初步的物理觀念，能從物理學(xué)的視角解釋一些自然現(xiàn)象.

科學(xué)思維：經(jīng)歷觀察物理現(xiàn)象的過程，能簡(jiǎn)單描述所觀察物理現(xiàn)象的主要特征，能在觀察和學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)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(diǎn)，能與他人交流，有自我反思和聽取意見的意識(shí)，有初步的信息交流能力.

科學(xué)探究：通過參與科學(xué)探究活動(dòng)，學(xué)習(xí)擬訂簡(jiǎn)單的科學(xué)探究計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)方案，有控制實(shí)驗(yàn)條件的意識(shí)，能通過實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)，會(huì)利用多種渠道收集信息，有初步的信息收集能力.

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：有將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于日常生活、社會(huì)實(shí)踐的意識(shí)，樂于探究日常用品或新產(chǎn)品中的物理學(xué)原理，樂于參與觀察、實(shí)驗(yàn)、制作、調(diào)查等科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，有團(tuán)隊(duì)精神.

2.3 單元教學(xué)策略

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)策略：以學(xué)生為主體，以學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)和活動(dòng)為中心，基于真實(shí)的生活情境，學(xué)生之間主動(dòng)協(xié)作，進(jìn)行開放式的探究.

發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)策略： 通過對(duì)比、實(shí)驗(yàn)探究、建模實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo).

問題驅(qū)動(dòng)式學(xué)習(xí)策略：以問題為導(dǎo)向，通過解決實(shí)際問題完成知識(shí)的構(gòu)建和學(xué)習(xí)，在做中學(xué)，在做中悟.

循環(huán)遞進(jìn)式探究法：以問題解決為目標(biāo)，以任務(wù)為主線，以學(xué)生活動(dòng)為載體，循環(huán)探究，逐步深入，完成知識(shí)建構(gòu).

2.4 單元學(xué)習(xí)活動(dòng)及課時(shí)安排（見表1）

3 STEM-PBL課時(shí)教學(xué)實(shí)踐——設(shè)計(jì)與制作雙控開關(guān)電路

3.1 STEM-PBL課時(shí)教學(xué)流程圖（如圖1所示）

3.2 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，設(shè)置驅(qū)動(dòng)問題

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

設(shè)計(jì)意圖：課例源于真實(shí)的生活情境，圍繞設(shè)計(jì)“室內(nèi)雙控開關(guān)電路”實(shí)際問題進(jìn)行大單元設(shè)計(jì)，突破傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時(shí)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(xué)全過程，對(duì)原有教材進(jìn)行重組，在解決真實(shí)問題的過程中完成相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)習(xí)在真實(shí)情境中發(fā)生，課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容緊緊圍繞學(xué)習(xí)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，將學(xué)科核心素養(yǎng)落實(shí)到課堂教學(xué)之中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力.

3.3 明確課時(shí)任務(wù)，設(shè)計(jì)項(xiàng)目計(jì)劃

任務(wù)一 識(shí)別雙控開關(guān)電路

活動(dòng)1：看一看——展示雙控開關(guān)電路.

展示生活中的雙控開關(guān)，介紹其作用：雙控開關(guān)電路是家庭電路中常見的一種電路，其作用是通過兩個(gè)獨(dú)立的開關(guān)實(shí)現(xiàn)異地控制同一盞燈.思考如下問題.

問題1：雙控開關(guān)電路中至少需要幾只開關(guān)？

問題2：雙控開關(guān)與所控制的用電器是哪種連接方式？

活動(dòng)2：試一試——解剖雙控開關(guān)電路.

拆解一只雙控開關(guān)（如圖2所示），可以看到雙控開關(guān)內(nèi)部具有常開、常閉兩個(gè)觸點(diǎn)，將兩只雙控開關(guān)按照一定的方式接入電路，能獨(dú)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(guān)獨(dú)立控制.思考如下問題.

問題1：雙控開關(guān)電路中的開關(guān)與普通的單控開關(guān)是否相同？

問題2：連接電路時(shí)，雙控開關(guān)的接線與單控開關(guān)的接線有何不同？

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用STEM-PBL教育理念，通過“看一看”“試一試”的真實(shí)體驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生提出問題，并思考如何解決問題.在教學(xué)中，教師的角色不再是課堂的中心，而是學(xué)習(xí)的參與者和合作者，學(xué)生才是課堂的中心和主人.

任務(wù)二 設(shè)計(jì)雙控開關(guān)電路

需要的器材：電燈、單刀雙擲開關(guān)（兩個(gè)）、電源、導(dǎo)線若干.

活動(dòng)1：設(shè)計(jì)電路.

看一看：雙控開關(guān)有三個(gè)接線柱，中間的接線柱可以與兩側(cè)的兩個(gè)接線柱形成通路，而兩側(cè)的兩個(gè)接線柱不相通.將兩個(gè)開關(guān)進(jìn)行編號(hào)，分別為1、2標(biāo)識(shí)，則三個(gè)接線柱分別標(biāo)為1a、1m、1b、2a、2m、2b，1m 和2m是中間的接線柱.在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要考慮將這六個(gè)接線柱如何接入相應(yīng)的電路.

畫一畫：學(xué)生分組討論并自行設(shè)計(jì)電路，畫出設(shè)計(jì)電路圖.

想一想：每個(gè)雙擲開關(guān)都有兩種狀態(tài)，根據(jù)表1分析，如將開關(guān)1置于1a，分析開關(guān)2能否控制電燈;再將開關(guān)1置于1b，分析開關(guān)2能否控制電燈;再將開關(guān)2置于以上兩種狀態(tài)時(shí)，分析開關(guān)1的功能是否完整，將分析結(jié)果記錄在表2中.

設(shè)計(jì)電路圖如下.

記錄表格如下.

表3

設(shè)計(jì)意圖：雙控開關(guān)電路難度較大，為了降低學(xué)習(xí)難度，幫助學(xué)生建立知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，筆者從設(shè)計(jì)基本單元電路入手，讓學(xué)生獲得知識(shí)的途徑更簡(jiǎn)單，有效消除學(xué)生的畏難情緒，從而引導(dǎo)學(xué)生積極思考，達(dá)到知識(shí)的遷移和內(nèi)化，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的達(dá)成.

任務(wù)三 制作雙控開關(guān)電路

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

活動(dòng)1：制作電路模型.

連一連：各小組先檢驗(yàn)電路雙控的可行性，檢驗(yàn)成功的小組按照設(shè)計(jì)電路進(jìn)行實(shí)物連接;未檢驗(yàn)成功的小組重新設(shè)計(jì)，選擇好電路的連接方式，完成電路設(shè)計(jì)，再進(jìn)行實(shí)物連接.

理一理：各小組按照設(shè)計(jì)好的電路進(jìn)行連接，連接電路前，注意區(qū)分接線柱，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)電路進(jìn)行連接，避免連錯(cuò)接線柱而達(dá)不到預(yù)期的效果.

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

設(shè)計(jì)意圖：借助于“做中學(xué)”的教育思想，向?qū)W生提供獨(dú)立思考的時(shí)空，在小組合作探究的過程，引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力和必備品格.

任務(wù)四 展示項(xiàng)目成果，開展項(xiàng)目評(píng)價(jià)

活動(dòng)1：評(píng)一評(píng)——自評(píng)與互評(píng).

可行性評(píng)價(jià)（見表4）：可行性是電路設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一，各小組設(shè)計(jì)的電路是否符合要求，關(guān)鍵在于：（1）是否能實(shí)現(xiàn)雙控目的;（2）在實(shí)際操作中是否可行.因此，在完成模型的制作后，需要進(jìn)行可行性評(píng)價(jià).

過程性評(píng)價(jià)（見表5）：學(xué)生在項(xiàng)目的實(shí)施過程中，學(xué)生在小組中的表現(xiàn)不盡相同，因此需要針對(duì)每位組員進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)，包括五個(gè)方面：參與程度、合作情況、創(chuàng)新情況、學(xué)習(xí)態(tài)度和自主探究.

結(jié)果性評(píng)價(jià)（見表6）：小組間互評(píng)的方式進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，包括三個(gè)方面，分別是實(shí)現(xiàn)雙控、電路安全和電路復(fù)雜程度.

設(shè)計(jì)意圖：通過“設(shè)計(jì)與制作雙控開關(guān)電路”，將知識(shí)的學(xué)習(xí)與方法的運(yùn)用貫穿在整個(gè)活動(dòng)過程，在實(shí)踐活動(dòng)中，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更加深刻，深切體會(huì)到“物理即生活，生活即物理”.同時(shí)，學(xué)生在設(shè)計(jì)和制作過程中，加深知識(shí)學(xué)習(xí)與應(yīng)用的深度，學(xué)習(xí)不是僅為解題服務(wù)，而是尋求解決實(shí)際問題的方法，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生.

4 STEM-PBL大單元教學(xué)的反思

4.1 以“STEM-PBL”為導(dǎo)向，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

在真實(shí)的情境中，筆者以“STEM-PBL”為導(dǎo)向，整合學(xué)科知識(shí)，提煉出有內(nèi)在邏輯聯(lián)系的學(xué)習(xí)故事，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式生成新的問題，在解決問題的過程中，完成知識(shí)的學(xué)習(xí)，這種以解決項(xiàng)目問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)烈地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)得以發(fā)生.

4.2 知識(shí)問題化，問題情境化，情境體驗(yàn)化，體驗(yàn)系列化

大單元視角下STEM-PBL教學(xué)設(shè)計(jì)能有效地將碎片化的知識(shí)點(diǎn)，通過系列任務(wù)有梯度的呈現(xiàn)，由任務(wù)生成系列問題，問題與問題之間不僅是知識(shí)的集合，更是有邏輯的遞進(jìn)關(guān)系，問題提出是在真實(shí)的情境下產(chǎn)生，正是真實(shí)的情境給予學(xué)生真切的體驗(yàn)，這種真實(shí)的體驗(yàn)不再孤立地發(fā)生，而是貫穿學(xué)生學(xué)習(xí)的始終，讓學(xué)生在系列化的體驗(yàn)中習(xí)得知識(shí)，提升素養(yǎng).

4.3 評(píng)價(jià)貫穿始終，自評(píng)和互評(píng)相得益彰

常規(guī)教學(xué)的評(píng)價(jià)只注重終結(jié)性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的實(shí)施者往往是教師，學(xué)生只是被動(dòng)的評(píng)價(jià)對(duì)象.而大單元視角下“STEM-PBL”的教學(xué)評(píng)價(jià)更加注重自評(píng)與互評(píng)，學(xué)生在自評(píng)中認(rèn)識(shí)自我，剖析自我，更好地審視自己的不足，在互評(píng)中辯證地思考彼此的優(yōu)劣;在評(píng)價(jià)內(nèi)容上更注重表現(xiàn)性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)伴隨著“教”與“學(xué)”的全過程，過程性評(píng)價(jià)嵌入教與學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，與教學(xué)過程有機(jī)融合，真正發(fā)揮評(píng)價(jià)的育人功能，助力核心素養(yǎng)的落實(shí).

5 結(jié)語(yǔ)

大單元視角下的STEM-PBL教學(xué)案例研究是落實(shí)立德樹人、發(fā)展核心素養(yǎng)、深化課程改革的必然要求，也是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵途徑.本節(jié)課將STEM-PBL學(xué)習(xí)模式有機(jī)融入物理教學(xué)，既是一次有益嘗試，更是教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式的一次變革，強(qiáng)烈地激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生.大單元視角下的STEM-PBL教學(xué)真正實(shí)現(xiàn)將核心知識(shí)問題化，關(guān)鍵問題情境化，真實(shí)情境體驗(yàn)化，深度體驗(yàn)系列化.通過項(xiàng)目任務(wù)的開展，完成項(xiàng)目產(chǎn)品，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力.

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（收稿日期：2021-04-16）