基于STEM 理念的" 电路设计" 跨学科教学实践

随着 STEM 教育理念在全球教育领域的深化推广，跨学科整合已成为培养未来创新型人才的核心路径。我国《义务教育物理课程标准（2022 年版）》明确提出 " 注重学科间关联，强化实践性学习 " 的要求，强调通过真实问题解决发展学生核心素养。沪科版初中物理教材中 " 电路设计 " 章节作为科学与工程实践的典型载体，其教学目标已从单一知识传授转向多维度能力培养。然而，传统教学模式中学科壁垒显著，学生常面临" 会解题但难应用" 的困境。

一、STEM 理念与沪科版教材的融合路径

STEM 教育强调科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）的深度融合，其核心在于通过真实情境下的项目式学习，培养学生的综合素养 [1]。沪科版初中物理教材中 " 电路初探 " 章节（九年级上册）以 " 设计简单电路 " 为综合实践活动，与 STEM 理念高度契合。教材通过病房呼叫电路、楼道灯控制电路等案例，引导学生从电路基础知识延伸至实际应用，体现了 " 从物理走向社会 " 的课程理念。在跨学科整合中需注重以下路径，一科学探究与工程设计结合，以电路设计为载体，学生需运用欧姆定律、串并联电路特性等科学原理，同时通过工程思维优化方案，例如病房呼叫电路需满足 " 独立控制 " 与 " 集中报警" 功能，学生需通过实验验证不同连接方式的可行性；二技术工具与数学建模支撑，借助电路仿真软件（如 Multisim）辅助设计，学生可直观观察电流变化，通过数学建模分析电阻、电压与灯泡亮度的定量关系，强化证据意识；三真实问题驱动的知识重构，以" 安全带未系提醒电路 " 为例，学生需综合传感器原理（技术）、逻辑判断（数学）、材料选择（工程）等知识，突破单一学科局限[2]。

二、" 电路设计" 跨学科教学的实施策略

（一）情境创设：从生活问题到物理建模

在 " 电路设计 " 跨学科教学中，教师以生活化情境为切入点，通过问题链引导学生从现象观察走向抽象建模。以沪科版教材" 设计病房呼叫电路 " 任务为例，教师首先播放医院实景视频，聚焦护士站呼叫系统的运行场景，抛出核心问题：" 如何让护士快速定位多个病床的呼叫信号？ " 学生通过小组讨论发现，单一电铃只能传递报警信号却无法区分病床编号，进而提出" 需用指示灯与电铃协同工作 " 的解决方案。此过程不仅强化了观察能力——识别按钮开关触发电路的物理现象，更培养了问题转化能力：将 " 区分病床 "的模糊需求转化为 " 设计独立控制回路 " 的工程问题，最终抽象出" 并联电路 + 干路控制" 的物理模型。

（二）项目实践：多学科协同的深度学习

项目实践阶段强调多学科知识的深度融合 [3]。在科学探究环节，学生通过对比串并联电路实验，绘制电流路径动态示意图，验证 " 并联支路互不影响 " 的特性，为电路设计奠定理论基础。工程设计环节引入真实约束条件：当学生尝试用双刀双掷开关实现楼道灯双控时，需计算导线电阻对电路压降的影响，通过调整导线截面积匹配负载需求。技术迭代环节则通过失败案例深化认知，例如某小组因忽略 LED 正向压降特性导致指示灯不亮，教师引导其运用欧姆定律计算限流电阻值，将数学建模能力融入工程优化过程。

（三）评价体系：多维度的素养导向

评价体系构建 " 过程 - 结果 " 双维观测框架。过程性评价采用 " 三维度追踪法 "：团队协作方面，通过分工记录表量化成员贡献度；实验设计方面，依据电路图标注完整性、变量控制合理性进行分级评分；反思日志则重点考察学生能否用物理术语解释设计改进逻辑。终结性评价设置 " 基础功能 + 创新拓展 " 双指标，既考核报警响应时间、电路稳定性等核心指标，又鼓励增加语音提示、远程控制等创新模块。评价工具融合《STEM 课程评价量规》与《上海市初中物理实验操作规范》，通过学生自评、小组互评、教师诊断的三维评价矩阵，全面反映证据意识、模型建构等核心素养发展水平。

三、实践成效与反思

跨学科思维提升方面，通过 " 安全带未系提醒电路 " 项目，90% 的学生能自主建立 " 力学（安全带状态检测）- 电学（信号触发）- 编程（延时控制）" 的关联模型，较传统教学提升 35% 。实践创新能力增强方面，在市级科技创新大赛中，3 组学生基于课堂延伸设计的 " 智能盆栽灌溉系统 " 获一等奖，其方案融合了湿度传感器（技术）、土壤导电性分析（科学）、PID 控制算法（数学）等元素。教学挑战与优化方向中，课时与资源矛盾表现为 STEM 项目需多课时连贯实施，而常规课时分配难以满足，对策是采用 " 微项目制 "，将大任务拆解为 3-4 个课时子任务，利用课后服务时间开展；教师跨学科素养不足体现为部分教师对工程技术类知识储备有限，建议建立校本教研共同体，联合信息技术、通用技术教师开发课程资源包。课程延伸方向包括家校社协同与数字化融合：家校社协同设计了 " 家庭电路安全检测 " 实践任务，学生利用所学知识排查家庭线路隐患，录制科普短视频在校内展播；数字化融合引入Arduino 开源硬件，开发 " 物联网 + 电路设计 " 拓展课程，例如远程控制教室灯光系统。

四、结语

STEM 理念下的电路设计教学，不仅深化了学生对物理核心概念的理解，更通过真实问题解决培养了未来公民必备的跨学科素养。未来教学中，需进一步探索学科边界突破策略，构建" 做中学、用中悟" 的深度学习生态，为培养创新型人才提供实践范式。

参考文献

[1]钟纯勇.初中物理跨学科教学实践探究——以“人体中的‘杠杆’”为例 [J]. 名师在线 ( 中英文 ),2025,11(6):58-60.

[2] 金俊杰 . 融合 STEM 教育理念的初中物理课程教学策略 --以“透镜及其应用”为例 [J]. 数理化解题研究 ,2025(8):104-106.

[3] 陈艳萍 . 基于 STEM 教育的初中物理教学策略研究 [J]. 教育界 ,2025(3):20-22.