從“點(diǎn)亮燈泡”到“智慧照明”

〔摘" "要〕" 基于青島版五四制科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)《燈泡亮了》一課，本文打破傳統(tǒng)的電路教學(xué)模式，基于培養(yǎng)學(xué)生工程思維、批判性思維和合作能力，以生活化項(xiàng)目任務(wù)為載體，以分層實(shí)驗(yàn)工具包為支撐，以可視化評(píng)價(jià)工具為保障，采用STEAM教育理念，實(shí)施“問(wèn)題驅(qū)動(dòng)—探究分層工具包—生活遷移”的深度學(xué)習(xí)模式，開展簡(jiǎn)易電路設(shè)計(jì)與制作活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的發(fā)展。本文以案例分析為切入點(diǎn)，闡述該教學(xué)模式在課堂上的實(shí)施。結(jié)果表明，該模式能有效發(fā)展學(xué)生的高階思維，促進(jìn)知識(shí)的遷移與學(xué)習(xí)興趣的提升。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；電路設(shè)計(jì)；教學(xué)設(shè)計(jì)

〔中圖分類號(hào)〕" G424" " " " " " " " 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕" A" " " " 〔文章編號(hào)〕" 1674-6317" " （2025）24" " 0064-03

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，要求科學(xué)教育從知識(shí)傳遞轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng)。然而，傳統(tǒng)電路教學(xué)常局限于“電池—導(dǎo)線—燈泡”的單一實(shí)驗(yàn)，學(xué)生被動(dòng)驗(yàn)證結(jié)論，缺乏深度思考與創(chuàng)新實(shí)踐。以青島版《燈泡亮了》為例，許多課堂仍停留在“點(diǎn)亮燈泡”的基礎(chǔ)操作上，未能充分挖掘電路設(shè)計(jì)的教育價(jià)值。本文以《燈泡亮了》為基礎(chǔ)，通過(guò)重構(gòu)課程內(nèi)容將電路設(shè)計(jì)與真實(shí)問(wèn)題相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生在工程實(shí)踐中理解閉合電路原理，培養(yǎng)解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。

一、課程重構(gòu)：從知識(shí)驗(yàn)證到工程設(shè)計(jì)

（一）目標(biāo)升級(jí)：融合三維素養(yǎng)

科學(xué)思維：通過(guò)故障排查理解電流路徑，培養(yǎng)邏輯推理能力。在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置“燈泡不亮”的情境，引導(dǎo)學(xué)生分析可能的原因，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)。幫助學(xué)生理解電路的完整性，培養(yǎng)其批判性思維與問(wèn)題解決能力。

探究實(shí)踐：設(shè)計(jì)多燈泡并聯(lián)照明方案，提升動(dòng)手操作與問(wèn)題解決能力。要求學(xué)生掌握電路連接方法，需考慮實(shí)際應(yīng)用中的效率與穩(wěn)定性。

態(tài)度責(zé)任：討論安全用電與節(jié)能意識(shí)，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。學(xué)會(huì)科學(xué)知識(shí)，樹立正確的用電觀念。

（二）內(nèi)容拓展：跨學(xué)科任務(wù)設(shè)計(jì)

為打破學(xué)科界限，引入“迷你城市燈光秀”項(xiàng)目，整合數(shù)學(xué)、藝術(shù)、技術(shù)，要求學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作完成從草圖繪制到原型測(cè)試的全流程。具體任務(wù)如下。

燈光布局設(shè)計(jì)。學(xué)生需根據(jù)“城市地圖”設(shè)計(jì)燈光布局，考慮美觀與實(shí)用性。

成本計(jì)算與優(yōu)化。學(xué)生需計(jì)算所需材料成本，優(yōu)化資源配置。

電路原型制作與測(cè)試。學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)材料制作電路原型，并通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、改進(jìn)設(shè)計(jì)。

二、創(chuàng)新實(shí)踐：分層工具包與可視化學(xué)習(xí)

（一）實(shí)驗(yàn)材料分層化

基礎(chǔ)包：包含電池、導(dǎo)線、燈泡等基礎(chǔ)材料，適合初次接觸電路的學(xué)生。任務(wù)目標(biāo)為驗(yàn)證閉合電路的基本原理。

進(jìn)階包：在基礎(chǔ)包的基礎(chǔ)上增加開關(guān)、二極管等元件，適合已掌握基礎(chǔ)電路知識(shí)的學(xué)生。任務(wù)目標(biāo)為探究電路的控制與單向?qū)щ娞匦浴?/p>

挑戰(zhàn)包：提供太陽(yáng)能板、蜂鳴器、電阻等復(fù)雜元件，適合能力較強(qiáng)的學(xué)生。任務(wù)目標(biāo)為設(shè)計(jì)多功能電路，拓展能源轉(zhuǎn)換與復(fù)雜電路的知識(shí)。

（二）問(wèn)題鏈驅(qū)動(dòng)深度探究

一級(jí)問(wèn)題：怎樣讓燈泡一直亮起來(lái)？

引導(dǎo)學(xué)生思考電池的能量和電路消耗能量之間的關(guān)系。如學(xué)生通過(guò)比較不同型號(hào)電池在燈光電路中的使用時(shí)間發(fā)現(xiàn)，電池的容量越大，燈泡點(diǎn)亮的時(shí)間越長(zhǎng)，還會(huì)發(fā)現(xiàn)并嘗試減少電路中的能量損耗，如采用更短的導(dǎo)線或更省電的燈泡。

二級(jí)問(wèn)題：如何用1節(jié)電池點(diǎn)亮3個(gè)燈泡？

引導(dǎo)學(xué)生探究串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的不同。如學(xué)生通過(guò)電路連接發(fā)現(xiàn)串聯(lián)電路中燈泡的亮度一樣暗，并且一個(gè)燈泡出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)電路都不工作；并聯(lián)電路中燈泡亮度一樣亮，且各燈泡工作獨(dú)立，并進(jìn)而比較不同連接方式后發(fā)現(xiàn)連接不同對(duì)電流分配的不同影響。

三級(jí)問(wèn)題：怎樣設(shè)計(jì)一款可以調(diào)節(jié)燈光亮度的臺(tái)燈？

引導(dǎo)學(xué)生引入變阻器的概念，設(shè)計(jì)能夠改變燈光亮度的電路。如學(xué)生通過(guò)改變變阻器的阻值，進(jìn)而改變電路中的電流大小，來(lái)控制燈泡的亮度。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)電阻的作用加深理解，同時(shí)學(xué)生的工程能力和問(wèn)題解決能力也得到鍛煉。

（三）可視化評(píng)價(jià)工具

為幫助學(xué)生外顯思維過(guò)程，開發(fā)“電路設(shè)計(jì)思維圖”作為可視化評(píng)價(jià)工具。

電流路徑標(biāo)記：學(xué)生用紅色箭頭表示電流方向，標(biāo)注從正極到負(fù)極的流動(dòng)路徑。

元件功能標(biāo)注：學(xué)生用藍(lán)色區(qū)域標(biāo)注各元件的功能。

故障排查記錄：學(xué)生用黃色標(biāo)記標(biāo)注電路中的故障點(diǎn)，并記錄排查過(guò)程。

三、教學(xué)案例：從“點(diǎn)亮燈泡”到“智慧照明”

（一）真實(shí)情境導(dǎo)入

為將科學(xué)知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活緊密結(jié)合，以“夜景燈光供電故障”為背景，設(shè)計(jì)真實(shí)情境任務(wù)。某日夜晚海濱的景觀燈突然熄滅，導(dǎo)致游客無(wú)法欣賞美麗的夜景，甚至影響城市形象和旅游業(yè)的發(fā)展。作為“小小工程師”，學(xué)生需要設(shè)計(jì)一套備用照明系統(tǒng)，要求亮度均勻、可獨(dú)立控制，并能適應(yīng)不同天氣條件。

在導(dǎo)入環(huán)節(jié)教師通過(guò)播放城市夜景視頻，引導(dǎo)學(xué)生觀察燈光布局與功能，并提出問(wèn)題：“如果讓你設(shè)計(jì)一套照明系統(tǒng)，你會(huì)考慮哪些因素？”學(xué)生提出“亮度”“節(jié)能”“美觀”“安全性”等關(guān)鍵詞。接著，教師分發(fā)任務(wù)卡，明確設(shè)計(jì)要求：系統(tǒng)需包含至少3個(gè)燈泡，亮度均勻；每個(gè)燈泡可獨(dú)立開關(guān)；盡可能使用環(huán)保能源，如太陽(yáng)能；系統(tǒng)需具備一定的智能性，如自動(dòng)感應(yīng)光線變化。

（二）原型設(shè)計(jì)與迭代

在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生以小組為單位，利用紙板、導(dǎo)電膠帶、LED燈泡、電池、開關(guān)等材料制作電路模型。

初版設(shè)計(jì)：?jiǎn)位芈愤B接。讓學(xué)生先用連接3盞燈泡的電路做實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)3盞燈泡亮度不一，并且一個(gè)燈泡出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)電路都不工作。例如某小組在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，第三個(gè)燈泡不怎么亮，而第一個(gè)燈泡特別亮。經(jīng)過(guò)分析學(xué)生發(fā)現(xiàn)單回路連接有以下缺點(diǎn)：電流在單回路連接中不能平均分配；一個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)電路都不能工作。學(xué)生記錄下缺點(diǎn)：亮度不夠，不便于控制。

改進(jìn)版設(shè)計(jì)：用雙回路并聯(lián)。讓學(xué)生到網(wǎng)上查找有關(guān)電路的知識(shí)，學(xué)習(xí)并聯(lián)電路的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)出合理的電路。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，學(xué)生設(shè)計(jì)出了雙回路并聯(lián)電路，亮度均勻并且可以分別控制。例如某小組設(shè)計(jì)出了雙回路并聯(lián)系統(tǒng)，一個(gè)回路中的兩個(gè)燈泡由一個(gè)開關(guān)控制，另一個(gè)回路中的一個(gè)燈泡由一個(gè)開關(guān)控制。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)并聯(lián)電路不僅解決了亮度不均的問(wèn)題，還具有較高的穩(wěn)定性。學(xué)生提出了新的問(wèn)題：如何使設(shè)計(jì)更智能？

創(chuàng)新版設(shè)計(jì)：增加光敏電阻。某些小組在電路中加入光敏電阻，使電路能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制。例如某小組設(shè)計(jì)出了路燈，白天不工作，夜晚點(diǎn)亮。經(jīng)過(guò)測(cè)試，學(xué)生發(fā)現(xiàn)光敏電阻會(huì)隨著光線的強(qiáng)弱發(fā)生變化，進(jìn)而控制電路的通斷。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和改進(jìn)，學(xué)生制作出了具有照明功能的產(chǎn)品，并進(jìn)行展示。例如某小組的智能路燈能夠在夜晚點(diǎn)亮，還能調(diào)節(jié)亮度，比較有創(chuàng)新性。

（三）技術(shù)賦能：虛擬仿真輔助

利用“Circuit Builder”App，在模擬環(huán)境中提前發(fā)現(xiàn)和規(guī)避電路錯(cuò)誤，以降低實(shí)物實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)和成本。例如，學(xué)生在搭建并聯(lián)電路時(shí)，通過(guò)該軟件測(cè)試不同連接方式發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電壓下降，從而避免這一錯(cuò)誤。虛擬仿真技術(shù)可以幫助學(xué)生規(guī)避錯(cuò)誤，還可以幫助學(xué)生理解抽象內(nèi)容。例如，通過(guò)軟件觀察電流變化，理解“光強(qiáng)—電阻—電流”關(guān)系。一名同學(xué)使用“Circuit Builder”App模擬不同光線下燈泡不亮的情形，從而發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)增加，電阻降低，電流增大，進(jìn)而燈泡點(diǎn)亮。

四、教學(xué)反思與優(yōu)化

（一）成效分析

學(xué)生的知識(shí)掌握情況：學(xué)生能掌握雙控電路的相關(guān)知識(shí)，并能自主設(shè)計(jì)和制作雙控電路。

學(xué)生的能力發(fā)展情況：自主嘗試在電路中加入光敏傳感器、蜂鳴器等。

學(xué)生具有較強(qiáng)的工程思維和創(chuàng)造力。經(jīng)過(guò)小組討論和幾次嘗試，改進(jìn)為并聯(lián)電路，并加入光敏傳感器，最終制作出能隨著光線強(qiáng)弱變化而變化亮暗的路燈。

（二）面臨的挑戰(zhàn)及優(yōu)化對(duì)策

盡管項(xiàng)目的開展效果明顯，但還存在很多不足之處。學(xué)生的工程思維不足，喜歡不斷進(jìn)行嘗試和改進(jìn)，沒有基本的系統(tǒng)思維，對(duì)電路的改進(jìn)沒有合理的思考和改進(jìn)。跨學(xué)科的整合工作不足，對(duì)教師的跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力和知識(shí)掌握有較高的要求。材料成本高，制作成本高，耗費(fèi)學(xué)校經(jīng)費(fèi)。評(píng)價(jià)體系不健全，對(duì)學(xué)生的軟性技能要求關(guān)注不足。

對(duì)策建議：設(shè)計(jì)“電路故障診斷卡”。預(yù)設(shè)一系列故障情況，引導(dǎo)學(xué)生逐步排查，學(xué)會(huì)思考；建立校本STEAM資源庫(kù)。收集和整理優(yōu)質(zhì)案例、視頻、設(shè)計(jì)圖等資源，方便跨年級(jí)教師使用；利用廢舊材料，降低成本。聯(lián)系家長(zhǎng)提供廢舊電子產(chǎn)品（如廢舊手機(jī)充電器、舊玩具等），經(jīng)教師改造后，成為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)材料；建立評(píng)價(jià)指標(biāo)。在原有評(píng)價(jià)工具基礎(chǔ)上，增加對(duì)學(xué)生的創(chuàng)造性、合作能力、表達(dá)能力等方面的評(píng)價(jià)。

五、結(jié)語(yǔ)

學(xué)生通過(guò)參加研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐，提高電路知識(shí)的學(xué)習(xí)水平，以及在工程思維、合作學(xué)習(xí)、解決問(wèn)題等方面的能力。學(xué)生在真實(shí)任務(wù)情境中學(xué)習(xí)，將課堂知識(shí)與生活緊密聯(lián)系，通過(guò)合作設(shè)計(jì)制作出具有實(shí)用性的電路模型。在實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生遇到工程思維挑戰(zhàn)、跨學(xué)科學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)、實(shí)驗(yàn)材料費(fèi)用挑戰(zhàn)和評(píng)價(jià)挑戰(zhàn)，通過(guò)改進(jìn)策略提高效果，激發(fā)了創(chuàng)新潛能，為未來(lái)的學(xué)習(xí)和生活打下基礎(chǔ)。

【本文系山東省淄博市淄川區(qū)教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2025年度立項(xiàng)課題“基于核心素養(yǎng)的小學(xué)科學(xué)學(xué)業(yè)述評(píng)優(yōu)化研究”的部分研究成果，課題編號(hào)：2025ZCJY02】

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