基于PBL的中学物理STEM教育实践与思考

摘 要：STEM教育已经成为世界性教育发展趋势，仅仅依靠校本选修课或研究性学习等开展STEM教育是远远不够的，本文以《电阻的测量》为例，在学科教学领域广泛运用STEM教育理念与方法，挖掘基础学科中可以“跨”的点，构建一个项目，将项目和所学知识融合，作为与STEM教育课程的结合点，构建项目，将项目和所学知识融合，以基于真实问题情境项目式学习（PBL）推动跨学科的STEM教育的实践，培养学生利用多学科知识解决实际问题的能力，提升学生实践创新能力，实现素质教育和人才培养目标。

关键词：项目式学习（PBL）;STEM教育;物理教学实践;物理核心素养

STEM教育作为一门跨学科的教育理念，已经成为世界性教育发展趋势，越来越多的人认识到STEM教育的重要性，STEM课程的发展与推广，是未来国家必定要发展和推动的。但是我国的国家性课程是分学科课程，仅仅依靠校本选修课或研究性学习等开展STEM教育是远远不够的，如何寻找基础教育的分学科教学和跨学科教学的STEM课程之间的平衡点，在学科教学领域广泛运用STEM教育理念与方法，挖掘基础学科中可以“跨”的点，构建一个项目，将项目和所学知识融合，作为与STEM教育课程的结合点，以基于真实问题情境项目式学习（PBL）推动跨学科的STEM教育的实践，把学到的零碎知识与过程转变成一个探究世界相互联系的不同侧面的过程，培养学生利用多学科知识解决实际问题的能力，全面提升教育质量。

一、 PBL和STEM教育解读

STEM是科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写，其中科学在于认识世界、解释自然界的客观规律;技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界、实现对自然界的控制和利用、解决社会发展过程中遇到的难题;数学则作为技术与工程学科的基础工具。生活中发生的大多数问题需要应用多种学科的知识来共同解决。

PBL（Problem-Based Learning）项目式学习（也称作问题式学习）：是一种以学生为中心的教学方式，是基于现实世界的以学生为中心的教育方式。在项目式学习过程中，以学生为主体，学生在真实的问题情境中去积极地收集信息、获取知识、探讨方案，将知识学以致用，解决具有现实意义的问题，在探究和解决问题的过程中获得基本知识和技能，关键能力和必备品格，其学习方式和教学目标都是与当前基础教育教学改革相一致的。

二、 基于PBL的中学物理STEM教学实践

九年级物理第十七章第三节的内容是《电阻的测量》，教材内容是教会学生利用电压表和电流表测电阻。这是一个普通的操作性实验，学生只需按照教材的指示，连接电路、测出定值电阻和小灯泡的电阻即可。我在STEM教学理念的指导下，进行了如下设计：

（一） 根据需求，构建项目

制作一个电阻为10Ω的定值电阻。

设计意图：这个项目整合了教学内容——影响电阻的大小的因素、定值电阻的特性、电阻的测量，满足课程标准和价值导向;同时实现了物理观念和应用、科学探究和交流、科学思维和创新、科学态度和责任等体现了物理学科的核心素养的提升。

（二） 分解项目，探讨方案

提出问题1：什么叫定值电阻？电阻丝要选择什么材料來制作？铁丝？铜丝？镍铬合金丝？为什么？

提示：电流流过导体后，都会发热，而温度对导体的电阻有影响，不同材料的导体受温度影响的情况不一样，请查阅资料、收集信息，从而确定电阻丝的材料。

资料：不同材料的导体受温度影响的情况：

纯金属材料制作的电阻，温度升高时，电阻值明显增大。

合金材料制作的电阻，温度升高时，电阻值几乎不变。

学生活动：收集信息，并确定定值电阻的材料。

提出问题2：如何确定电阻值？

学生活动：明确课程的学习目标，查阅相关资料，以小组为单位展开讨论，对知识进行总结，设计测量电阻的实验方案。

教师活动：通过制定学习任务问题清单引导学生将已有的知识和经验与当前的任务建立连接，评估学生的理解程度和设计水平。

（三） 动手操作，反复调试

操作1：测量电阻的大小，计算需要截取电阻丝的长度。

学生活动：小组一起对给定的设计任务进行假设、检测，应用科学原理，按照实验方案测量一定长度的镍铬合金丝的电阻大小，应用数学知识计算

10Ω的定值电阻所需要的镍铬合金丝长度。

教师活动：引导学生在设计和探究中学习。

操作2：如何绕制定值电阻，使它兼具实用性和美观性？

学生活动：小组讨论，设计定值电阻绕制和固定方案，修改设计方案并开始制作定值电阻。

教师活动：引导学生对问题进行深入地思考，运用小组讨论、头脑风暴等方式促进学生对学习内容和工程设计的理解。

操作3：测试原型，实验改进、修正。

学生活动：测量所制作的定值电阻的阻值是否为10Ω，运用所学知识对测量结果进行修正，内化知识，提升工程、技术素养。

教师活动：根据学生实验制作成果，提出新问题，引导学生更深入地学习，并对他们的制作过程进行质量监控和评价。

（四） 项目展示，总结报告

学生活动：总结反思实验结果和心得;根据评价量化表进行评价，确认自己是否达到学习目标。

教师活动：通过询问引导学生进行交流、讨论，更正迷失概念，促使学生将所学概念与更广泛的情境相连;同时提供反馈，利用测量工具评价课程的成效。

（五） 拓展提升

实验室中小灯泡的灯丝是用纯金属材料还是合金材料制成的？如何分辨？

设计意图：变式拓展，提出新问题，引导学生更深入地学习;巩固提升所学知识，使知识网络化。

三、 教学思考

本节课结合了“科学探究”的思维和“工程设计”的实践，以设计和探索为手段，运用科学与数学的思想，通过应用技术手段，在解决实际问题中进行知识的学习，让学生在完成项目的过程中整合跨学科的知识，通过动手实践解决任务，将物理知识和生活实际相结合，使知识融会贯通并得到应用。

（一） 项目的构建是关键

教师在确立项目时，可能会遇到所选的项目与教科书编排不匹配，跨度较大，操作性不强等问题。确立项目要基于课程标准、教学内容和学生经验。在确立项目时，要多维度系统考虑该项目是否涵盖核心知识，是否承载学科思想方法和学生发展核心素养，是否贴近社会和生活，是否真实且有意义，学生是否感兴趣，是否具有可操作性。教师的任务不再是简单地引导学生得出预定答案，而是要求教师能够对教材进行重组、教学模式和学习方式进行重构，教学观念由教授者转变成学生學习的引导者、激发者。因此，对教师知识储备的深广度、驾驭课堂的能力、创新能力都提出了更高的要求。所以，教师在日常工作中要多学习，完善和丰富自己的知识体系。

（二） 做好项目学习过程的培训和指导

1. 在项目式学习中学生需要具备分工合作、交流表达等技能，老师要引导学生进行合理分工，主动承担小组责任。

2. 项目式学习需要培养学生的信息素养、媒体素养和技术素养，老师要培训学生如何通过百度百科、Google等进行快速的信息检索，并引导学生对信息进行归纳总结。

（三） 开展系统性的多元化评价

基于PBL的STEM教育，学习结果往往是一项作品，或者是解决问题的方案，要探索多样化的课程评价机制和评价技术策略，多方面展开多元评价，按调查研究、方案设计、实验过程、实验结论分析、反思与总结等过程以及结果（作品或方案的创意）开展自我评价、小组评价、老师评价结合，团体评价和个体评价结合。

（四） 统筹安排课内、课外任务

基于PBL的STEM教育，是以学生为中心，开放性较大，需要围绕一个项目主题，连续性地通过一系列课时来组织教学，但现行初中物理课一般没有连堂课，课时设置有限，导致教学时间紧张，甚至有些环节来不及完成，所以要统筹安排课上和课下任务，课上开展核心活动，如汇报、交流、实验等功能价值更大的活动，课下完成学生能够自己完成的如查阅资料，总结性质及自我评价等活动。

总之，只有在学科教学领域广泛运用STEM教育理念与方法，挖掘基础学科中可以“跨”的、能与STEM教育结合的点，以项目式学习（PBL）推动跨学科的STEM教育的实践，才能真正实现STEM教育在国家性课程中快速落地生根。

参考文献：

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[6]胡红杏.项目式学习：培养学生核心素养的课堂教学活动[J].兰州大学学报（社会科学版），2017（6）：165-172.

作者简介：聂新权，广东省广州市，广州市增城区增城中学。