STEAM教学理念下的高中物理大单元设计初探 论文

021年全国中学物理教学论文征集

STEAM教学理念下的高中物理大单元设计初探——以“相互作用”教学为例

正文STEAM教学理念下高中物理大单元设计初探

—以“相互作用”教学为例—内容提要：新课程核心素养理念下，要求对教材进行大单元教学统筹设计，以促进学生对物

理知识的深度学习，提倡以学生为中心，侧重项目式学习。物理教学可以尝试更加开放的方式，设计与物理教学有关的

STEAM项目活动，让学生通过对项目的分析和研究学习，大胆去

思考和设计，教师从旁指导相关物理知识，在做中学，激发学生的探究激情、培养创新思维和动手实践能力，最终在解决实际问题的过程中学习物理知识和提高综合实践能力。

主题词：STEAM

高中物理

大单元相互作用

重心一、“大单元教学”与“STEAM教学理念”的概述

2017年颁布的普通高中物理课程标准凝练了物理学科核心素养，重视以学科大概

念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情景化，注重科学Science）、技术（Technology）和社会（Society）的STS融合教育，促进学科核

（[1]

心素养的落实。（一）大单元教学

目前，物理教学设计主要以教材每章的各小节内容设计小节三维目标和教学活动，各小节之间的独立教学设计容易破坏知识的连贯性和层次性，导致知识碎片化现

象，教师和学生对于单元核心问题缺乏深刻的认识，不利于物理观念及科学思维的形[2]

成。大单元教学是指以整体单元核心概念为核心展开系列整合性关联性架构的教学

模式。具体而言，大单元教学设计依据新课程标准和教材内容，分析单元内容的整体地位和作用，整理单元的核心概念和思想方法，依托情境式、项目式和探究式学习方

法，将大单元重要概念有机整合学习，以学生和活动为中心，形成系统性、进阶性的整体结构式教学设计。大单元教学可以在更高的角度认知知识的内在联系，在深度学

[3]

习和综合实践过程，培养学生的核心素养和综合能力。（二）STEAM教学理念

STEAM课程的特点是注重多学科内容的整合，学习过程中不仅仅是提倡学习科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学（Mathematics）

五个学科的知识，STEAM教学理念更加注重的是一种新的教学或学习方式，提倡基于项目[4]

和活动的学习，教学模式更倾向于通过解决问题来学习和运用不同学科的知识，在做中学，[5]

从而实现学生综合能力的培养。三）STEAM教学理念与大单元教学理念的融合探讨

、教育理念相似性探讨通过上述概念描述，可以发现两种理念均依托于情景式、项目式和探究式学习方法，提

（1倡以学生为中心，设计系列活动环节，将知识的学习融入到实际问题解决的过程中，通过做

中学，做中思，在实践中更加深刻地认识核心概念。这种相似性为两者的融合提供了可能性。、融合的教育意义

大单元教学理念侧重将整单元知识进行整合形成有机整体概念，而STEAM教学理念更侧重于不同学科的知识融合，两者关系是STEAM

教学理念相对更宽泛。将STEAM

教育理

念融合到大单元教学中，可以丰富探究活动，设计及制作环节可以锻炼学生的实践能力，学[5]

习过程更贴近解决实际问题的真实过程，更有利于培养学生的综合素养。3、融合可实施性探讨

虽然两者从理论上具有融合的可能性和较好的教育意义，考虑两者融合的具体实施过程，也应该深入思考可能面临的实施性问题及解决方案。

（1）师资力量整合

将STEAM项目融合到大单元教学，教学设计需要较高的STEAM项目工程技术等综合素养，高中教学分科明显，单学科老师很难完成全部的指导工作。目前的解决办法主要有

“双师课堂“和”三师课堂”，即由不同学科的老师共同承担项目指导任务，有机配合，共同促

进项目活动的成功开展。2）课时的安排

（由于STEAM项目的融合特性，项目活动的完成需要经历学习、讨论、设计、制作和反

思等环节，再结合物理本学科教学目标和任务，在一定程度上会增加课时量。解决的策略主要有：①适当降低STEAM项目的工程设计的复杂程度；②将物理学科知识的学习尽量融合

到项目制作过程；③调研类活动和小组讨论活动可以适当放在课外时间完成。二、STEAM教学理念应用于高中物理大单元教学设计实施策略

（一）教学设计流程

、确定大单元教学项目大单元教学项目的选取应该具有以下特点：①项目来源应该来自真实生活情境；②项

目实施过程需要用到大单元所涉及的概念和知识；③项目具有一定的设计性和可实施性；1[6]

④完成项目所需课时不大于大单元教学总课时量。

设计符合大单元教学目标的STEAM项目主要的步骤如下：第一、分析学情，系统分析学生已具有的学科素养和有待提升能力，这为后面教学各环节设计提供针对性参考，选取

的项目对学生要要符合学情的，具有可现实性和挑战性；第二、深挖教材，依据新课程标准和教学大纲，结合教材内容，对大单元知识体系做出梳理和整合，对重难点和核心概念

做出分析和解决方案，这为整个大单元教学提供核心依据，项目的实施环节需要用到大单元教学内容，最好是可以在项目活动中突破单元教学的重难点；第三、确定目标，单元教

学目标不同于传统的每节小目标，它具有提纲挈领的作用，为整个大单元的教学提供明确的努力方向；第四、课时规划，根据大单元涉及的知识点难易和重要程度，合理设计课

时，选取的STEAM项目要能够在规定的课时时间内基本完成。、设计STEAM项目活动

STEAM项目活动的设计要紧密联系大单元知识。第一，每个活动内容设计有明确的目标，严格按照课程标准要求，在活动环节学习课程知识，能够锻炼学生核心素养；第

二，相邻活动之间有一定的关联和层次递进，使整个大单元教学有系统系和层次性。第三，活动时间要能够把控，能够在课时要求范围内完成。

（二）活动评价与总结

评价方式应该多种评价体系综合应用，项目活动环节要有过程性评价记录表，作为学生成长过程的记录性材料。结合自评和他评，设计多维度评价内容，总结性评价、等级性

评价和阐述性评价并举，侧重发展性评价，达到通过评价来激励学生更好发展的目的。评价活动一定要为学生提供自我展示的小舞台，让辛苦付出的成果得以展示和交流，

在交流的同时进行评价和反思，提升学生的语言表达能力和自我成就感。教师就整体教学过程学生的表现进行总结和鼓励，对学生作品提出改进意见，由学生

之间讨论交流，优化方案设计。三、教学案例展示——以《相互作用——力》为例

项目名称：屹立不倒的玄机一、大单元知识结构分析图1《相互作用》单元知识结构分析

核心概念主题概念

重要概念•相互作用观

•力与运动的关系•共点力

•平衡态

基础概念••胡克定律

牛顿第三定律•••重力、弹力

摩擦力•平行四边形定则

作用力与反作用力••合力与分力

矢量和标量图

2

《相互作用》概念层级分析图

二、物理情境021年7月25日台风“烟花”登陆并对华东地区造成持续强风暴雨的影

2响，合肥防汛抗旱指挥部发布紧急预警通告，要求市民不要在桥梁、广告牌、

大树等附近躲避。由此，开始思考物体的稳定性问题，展开研究物体受分析及重心与物体稳定的科学实践探究。

三、课程设计（一）知识图谱

表

1

跨学科知识图谱

学习主题屹立不倒的玄机

学参与本次项目学习的是高一上学期的学生。习知识储备方面，学生初中已经学习力学基础物理

者教学内容，能够对物体进行简单的受力分析，知道牛特顿运动定律，可以处理简单的共点力平衡问题，但对

征多力平衡分析和力矩的认知还停留在初中简单的二分力平衡和杠杆原理水平，对于涉及斜面体受力分析和

析力矩等复杂的情境很难分析清楚，在解决实际问题时往往不知所措；数学几何知识相对充分，能够找到规

则图形的几何中心，熟练使用二位坐标系，但对三维坐标及立体图形的认知相对薄弱。

科学素养方面，学生有一定的科学探究意识和能力，有一定的动手制作技能，能独立思考、合作交流，

在教师的引导下可以提供一定的设计方案，有初步的解决问题能力。

课时安排8课时

跨S(Science)1.学会重力、弹力和摩擦力的概念和定量分析；

2.理解牛顿第三定律；学科学

科知3.学会确定重心位置的研究方法；

4.学会共点力平衡的计算及应用分析；识

T(Technology)

1.简单的

EXCEL数据处理技术和智能手机拍摄技术；

图技术谱2.常用手工工具的使用；

3.材料的加工和组装；E(Engineering)1.设计并制作研究重心位置的实验装置；

工程2.设计并制作研究物体稳定性影响因素的实验装置；

.设计并制作广告牌模型；3A(Arts)

1.考虑作品的美观性和艺术性；艺术

2.利用本项目知识自主设计手工艺品；3.关于人为建筑的社会性思考；

M(Mathematics)1.利用坐标系计算重心的位置；数学

2.利用直角坐标系进行力的正交分解；3.三维立体图的透视和转化能力；

表

1

跨学科知识图谱

1（二）课时具体安排

表

2

课时安排表序号活动名称

课时

具体内容

分配环节一基础力学概念

3课时

1.学习重力、弹力的概念（第1课时）；

学习2.学习摩擦力的相关概念（第2课时）；

.学习牛顿第三定律（第3课时）；环节二寻

找

重

心

的

位

2课时

1.

一维状态找重心（第4课时）；

2.二维状态找重心（第5课时）；3置环节三重心与平衡

2课时

1.

调查了解广告牌的主要结构和功能并

设计合理的广告牌的草图（第6课时）；2.制作广告牌模型，并对其稳定性设计做

论述；利用吹风机模拟台风，测试广告牌的稳定性，并对广告牌倾倒时提出一定的

预警方案（第

7课时）；环节四评价交流与总

1课时

将小组作品进行展示和交流，进行评价环

结反思节，总结反思后提出改进方案（第8课时）。

（三）项目开展流程图

图

3

项目开展流程图

四、部分活动设计展示示例活动1一维状态找重心

【自制教具】等质量一维质心位置研究

图

4

等质量一维质心位置研究图

5

不等质量一维质心位置研究

一维多质点系的重心位置研究图

6

多质点系一维质心位置研究

示例活动

2

二维状态找重心（深入学习，将理论推广至一般情况）图

7

两维质点系质心位置研究

【自制教具】自制二维重心探究教具，在泡沫板上绘制坐标，插图钉改变重

心位置，请同学们根据实验器材，设计合理的实验过程，记录数据，分析总结。示例活动

3

体验重心对稳定性的影响

【趣味实验】教师展示儿童玩具“平衡小鸟”，让学生观赏和思考。

【原理再现】要求学生按照上面的装置的原理，设计一个工艺品，要求美观稳定。

图8“平衡小鸟”研究展示过程图

9

原理再现展示图

示例活动

4

物体重心位置与稳定性的关系探究图

10

探究重心位置与稳定性关系装置图

【自制教具】实验预设主要过程：

①探究重心高度与稳定程度的关系（逐渐增大斜面的倾角，观察倾倒顺序）

现象：底面积相同，高度越高，越容易翻倒。图

11

底面积相同不同高度的稳定性探究

②探究底面积与稳定程度的关系（高度相同，底面积小的先翻倒）

图

12

相同高度

不同底面积的稳定性探究③探究倾倒时重心的位置（通过装置旁边的竖直签表示重力方向）

现象：每次过左侧边的竖直签经过对角线，即当过重心的重力线经过质点时，物体便会翻倒。

图

13

倾倒瞬间重心位置的特点研究示例活动5自制广告牌并测试

头脑风暴】【创新设计】

【初步制作】

【测试修改】【【完成作品】【反思拓展】

表

3

装置设计记录表装置设计记录表

小组序号记录人序号材料名称材料尺寸

数量

用途

1234567装置设计

结构草图（初步方

案）装置设计

结构草图（调整方

案）装置功能

介绍和稳定性论证

装置设计的创新点

五、交流和评价

【展示环节】【自评环节】【互评环节】

表

4

成果分享记录表成果分享记录表（陈述性评价）

记录人小组序号

组别设计性

稳定性功能性

待改进

教师评语小组1

小组2小组3

小组4四、结语

STEAM教学理念与物理大单元教学的结合，有效融合项目教学法，通过对大单元结构的深度剖析，整合出核心概念，设计合理的项目活动，在实际的物理情境中，让小组讨

论交流，在合作中解决实际问题，使学生在项目教学中综合应用物理和其他学科知识，进[7]

而提高团结合作能力。STEAM

教学理念的融入在一定程度上改变传统单一的教学模式，促进学生的学习积极性和主动性，学生亲身参与实验过程的设计和器材的制作，在思考和

解决实际问题的同时学习相关知识点，通过科学的研究过程，学习综合运用科学（S）、技术（T）、工程（E）、艺术（A）和数学（M）等方面知识的方法，提高学生解决综合类问

题的能力，培养学生创新性思维和综合实践能力。参考文献

[[[[[1].

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教学设计》.20