項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在物理化學(xué)線上教學(xué)中的應(yīng)用*

司長(zhǎng)代，董翊晗，汪鵬霞，雷新有，龍世佳

(天水師范學(xué)院化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001)

課堂教學(xué)模式改革是高校實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)和提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑，而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)(Project-based Learning，PBL)越來(lái)越受到教學(xué)革新的重視。目前，中小學(xué)教學(xué)中更多的實(shí)施與探索了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)[1-4]。但由于高等教育課程內(nèi)容多、難度大、課時(shí)數(shù)相對(duì)不足，使得課堂教學(xué)的革新舉步維艱。盡管信息化手段在教學(xué)過(guò)程中不斷滲透，但教學(xué)效果并沒(méi)有顯著的提高，主要還是學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性、主動(dòng)性不足?；诖耍貏e在疫情期間，為了應(yīng)對(duì)“停課不停學(xué)”，消除特殊時(shí)期對(duì)教學(xué)效果的不利影響，線上直播教學(xué)算是最好的選擇。那么選擇線上項(xiàng)目式學(xué)習(xí)法給予了“居家”學(xué)習(xí)的學(xué)生積極參與課堂教學(xué)的平臺(tái)和時(shí)間，讓學(xué)生能夠獨(dú)立思考和自主探究。當(dāng)前相關(guān)教學(xué)研究有理論探索[5-6]，也有實(shí)踐應(yīng)用[7-8]，如基礎(chǔ)教育[9-10]，再如高等教育[11]。本文以線上項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為教學(xué)模式，以卡諾循環(huán)內(nèi)容為教學(xué)主線，構(gòu)建高效課堂，實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)過(guò)程中的三維目標(biāo)，即：知識(shí)與技能；過(guò)程與方法；情感態(tài)度與價(jià)值觀。

1 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的發(fā)展與內(nèi)涵

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的前身是美國(guó)學(xué)者威廉·克伯屈(william heard Kilpatrick)在1918年提出的設(shè)計(jì)教學(xué)法。20世紀(jì)90年代我國(guó)嘗試探究將該領(lǐng)域的研究引入教學(xué)實(shí)踐中。在近三十年的研究中，很多學(xué)者從教與學(xué)的方式、教學(xué)過(guò)程、教育價(jià)值等不同角度來(lái)定義項(xiàng)目式學(xué)習(xí)[12-14]。無(wú)論從何種角度看，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)都涵蓋了在解決真實(shí)問(wèn)題的情境中學(xué)習(xí)知識(shí)、完成任務(wù)、發(fā)展能力這三個(gè)要素。以解決驅(qū)動(dòng)性任務(wù)為目的，最大化的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，最終生成知識(shí)產(chǎn)品或成果的一種教學(xué)模式[15]。這就需要教師最大程度實(shí)現(xiàn)因材施教，滿足學(xué)生個(gè)性化需求，進(jìn)而幫助學(xué)生掌握知識(shí)與技能。因此，學(xué)校和老師應(yīng)該給予學(xué)生更大的發(fā)揮空間[16]。而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在線上教學(xué)中的實(shí)施，彌補(bǔ)了線下教學(xué)時(shí)間緊，教學(xué)內(nèi)容難以完成的困惑，也能夠促進(jìn)學(xué)生綜合能力潛移默化的提升。

2 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在物理化學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用

物理化學(xué)課堂在傳授知識(shí)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)同時(shí)，將價(jià)值引領(lǐng)、能力培養(yǎng)和知識(shí)傳授有機(jī)融合，充分發(fā)揮該課程的育人功能。本文以卡諾循環(huán)為例，在對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點(diǎn)等分析的基礎(chǔ)上，滲透思政元素，將其有機(jī)融入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)教學(xué)模式中，進(jìn)行教學(xué)探究。

2.1 教學(xué)分析

2.1.1 教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)內(nèi)容以研究卡諾定理和卡諾循環(huán)為核心。首先介紹了熱機(jī)問(wèn)世以來(lái)，人類致力于提高熱機(jī)效率所經(jīng)過(guò)的緩慢的歷程，最終提出了卡諾循環(huán)，得到了卡諾熱機(jī)效率。引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)研究要有不畏艱難的探索精神，同時(shí)讓同學(xué)們感受物理化學(xué)學(xué)科發(fā)展蘊(yùn)涵著科學(xué)家們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度及深邃的思想，以此培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神[17]。其次，引出提高熱機(jī)效率的兩種方式：降低低溫?zé)嵩礈囟群吞岣吒邷責(zé)嵩礈囟?。在卡諾定理這部分內(nèi)容中，分別從可逆熱機(jī)和不可逆熱機(jī)兩個(gè)角度來(lái)證明熱機(jī)效率的極限。說(shuō)明他們都小于卡諾熱機(jī)的效率。據(jù)此解決了熱機(jī)效率極限的問(wèn)題，并為提高熱機(jī)效率指明了方向。

2.2.2 教學(xué)目標(biāo)分析

(1)認(rèn)知目標(biāo)

①讓學(xué)生在熟悉前期知識(shí)的基礎(chǔ)上，即等溫可逆膨脹、等溫可逆壓縮、絕熱可逆膨脹和絕熱可逆壓縮等概念。理解并掌握正逆循環(huán)過(guò)程中系統(tǒng)狀態(tài)的變化，吸熱、放熱以及對(duì)外做功的規(guī)律，掌握熱機(jī)和制冷機(jī)的工作原理，利用卡諾定律判斷一個(gè)實(shí)際的循環(huán)過(guò)程是否能實(shí)現(xiàn)。

②準(zhǔn)確理解卡諾循環(huán)并熟練掌握卡諾熱機(jī)效率的計(jì)算；深刻理解可逆與不可逆過(guò)程以及卡諾定理。

(2)素養(yǎng)目標(biāo)

在整個(gè)熱機(jī)效率探究的教學(xué)過(guò)程中使學(xué)生潛移默化的領(lǐng)悟到從事科學(xué)研究要有不畏艱難探索、堅(jiān)持不懈、實(shí)事求是和敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

2.2.3 教學(xué)重難點(diǎn)分析

重點(diǎn)：卡諾循環(huán)的組成以及4個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)各狀態(tài)函數(shù)變化的規(guī)律。

難點(diǎn)：卡諾熱機(jī)原理的應(yīng)用。

本節(jié)內(nèi)容圍繞熱機(jī)展開(kāi)，如何提高熱機(jī)效率是本節(jié)課的主要內(nèi)容。因此，本節(jié)課的重點(diǎn)在于卡諾原理、卡諾循環(huán)、熱機(jī)效率、冷凍系數(shù)與熱泵原理等。特別是熱機(jī)效率極限的問(wèn)題，會(huì)關(guān)聯(lián)到可逆與不可逆過(guò)程，自發(fā)與非自發(fā)過(guò)程等，這些概念具有一定的挑戰(zhàn)度。同時(shí)，在掌握這些重難點(diǎn)知識(shí)的過(guò)程中，也為培養(yǎng)學(xué)生迎難而上的堅(jiān)韌品質(zhì)提供了環(huán)境[18]。

2.2.4 教學(xué)方法分析

基于本節(jié)課的內(nèi)容特點(diǎn)，采用線上項(xiàng)目式學(xué)習(xí)法。教師以問(wèn)題為教學(xué)的驅(qū)動(dòng)力，以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，以問(wèn)題作為教學(xué)線索，讓學(xué)生經(jīng)過(guò)自主學(xué)習(xí)與相互討論，最終深刻掌握卡諾定理和卡諾循環(huán)及其在生活中的應(yīng)用。

2.2 基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)法在教學(xué)中的實(shí)施

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是以小組合作的方式進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施，學(xué)生基于已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，自己主動(dòng)制訂相應(yīng)的學(xué)習(xí)計(jì)劃，并在參與過(guò)程中逐漸建構(gòu)知識(shí)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)綜合發(fā)展的教學(xué)模式。基于項(xiàng)目的探究式教學(xué)模式主要通過(guò)“項(xiàng)目選擇→知識(shí)建構(gòu)→成果制作→成果展示→交流評(píng)價(jià)→反思遷移”六部分來(lái)實(shí)施。

2.2.1 項(xiàng)目選擇

教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)選擇了卡諾定理和卡諾循環(huán)這一節(jié)知識(shí)點(diǎn)，并對(duì)學(xué)生提出了學(xué)習(xí)任務(wù)和要求，讓學(xué)生根據(jù)教師提供的有效資源，即學(xué)生通過(guò)線上線下獲得相關(guān)材料后，全班8組學(xué)生在問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下，形成問(wèn)題清單，如表1所示。

表1 卡諾循環(huán)相關(guān)的問(wèn)題清單Table 1 The question list related to Carnot cycle

2.2.2 知識(shí)建構(gòu)和成果制作

成果制作是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的一個(gè)特色，也是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的一個(gè)主要環(huán)節(jié)，每個(gè)小組在前期知識(shí)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，組內(nèi)各個(gè)成員在有限的時(shí)間內(nèi)通過(guò)自主、相互協(xié)作，信息檢索完成知識(shí)建構(gòu)(表2)。然后通過(guò)成果制作這一環(huán)節(jié)，讓學(xué)生能夠深刻的了解所學(xué)知識(shí)，能夠用所學(xué)的知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)生活中所遇到的難題，培養(yǎng)學(xué)生的提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

表2 核心知識(shí)體系的建構(gòu)Table 2 The construction of the core knowledge system

續(xù)表1

2.2.3 成果展示和交流評(píng)價(jià)

這是一個(gè)相互展示、相互交流、相互評(píng)價(jià)，更是一個(gè)相互提高的過(guò)程。同時(shí)，教師選出優(yōu)秀作品，讓學(xué)生采用PPT形式從理論和應(yīng)用兩個(gè)方面分組匯報(bào)，旨在讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)卡諾循環(huán)在熱力學(xué)第一、二定律中的重要地位和現(xiàn)實(shí)意義。

圖1a是第1小組展示的卡諾定理。熱機(jī)從高溫?zé)醿?chǔ)器所吸收的熱量Qh，僅將其中一部分轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而另一部分熱Qc傳給低溫?zé)醿?chǔ)器。溫度差越大，熱機(jī)效率越高。而卡諾循環(huán)過(guò)程可由四個(gè)步驟組成(圖1b)[19]，即：(1)等溫可逆膨脹，系統(tǒng)從高溫?zé)嵩次諢崃縌h，全部轉(zhuǎn)化為對(duì)外做的膨脹功為W1，即從A→B；(2)絕熱可逆膨脹，系統(tǒng)對(duì)外做功消耗熱力學(xué)能，全部轉(zhuǎn)化為對(duì)外做的膨脹功為W2，溫度由Th降到Tc，即從B→C；(3)等溫可逆壓縮，系統(tǒng)與熱源Tc接觸，環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做功為W3， 即從C→D；(4)絕熱可逆壓縮，溫度由Tc升高到Th，即從D吸熱回到始態(tài)，環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做功W4；而W為整個(gè)循環(huán)所做的總功以及與熱機(jī)效率的關(guān)系式如方程(1)～(2)所示。這一研究成果為后來(lái)提高熱機(jī)效率指明了方向。因此卡諾循環(huán)是熱力學(xué)中的一個(gè)最基本的理想循環(huán)，在熱工技術(shù)，特別是在熱力學(xué)理論的發(fā)展中具有非常重要的意義，它的結(jié)論已經(jīng)包含了熱力學(xué)第二定律的基本思想。也闡明了隨著p，V，T的變化，環(huán)境與系統(tǒng)之間做功的關(guān)系。同學(xué)們展示圖文并茂，思路清晰。而且，通過(guò)線上分享成果，也增加了學(xué)生的自信心和成就感，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)、鉆研物理化學(xué)提供了平臺(tái)。

(1)

(2)

圖2是第8小組展示的空氣能熱水器，其按照“逆卡諾循環(huán)”原理，具體來(lái)說(shuō)，就是“室外機(jī)”作為熱交換器從室外空氣吸熱，使低沸點(diǎn)冷媒產(chǎn)生物理相變(氣態(tài)-液態(tài)-氣態(tài))，利用這一往復(fù)循環(huán)相變過(guò)程不斷地吸熱的特性，通過(guò)熱交換器向冷水中不斷放熱，使水箱中冷水升溫，其中Q3(熱水獲得的能量)=Q2(壓縮機(jī)能量)+Q1(空氣熱能)。被吸收熱量的空氣也可被運(yùn)用到廚房，解決悶熱問(wèn)題。這也使學(xué)生們能夠領(lǐng)悟到“模型→創(chuàng)新→應(yīng)用”教育理念在學(xué)習(xí)中的重要性[20]，即只有學(xué)生們熟悉了課本中的這些經(jīng)典模型，將來(lái)才可能有創(chuàng)新的思想去設(shè)計(jì)無(wú)限接近于理想循環(huán)的熱機(jī)，造福人類。這會(huì)使他們更加重視課本，更加重視本科教育對(duì)一個(gè)學(xué)生從能力和思想提升方面的長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。

圖1 卡諾定理(a)和卡諾循環(huán)(b)Fig.1 Carnot theorem(a) and Carnot cycle(b)

圖2 空氣能熱泵系統(tǒng)工作原理Fig.2 The working principle of the air-source Heat Pump system

2.2.4 反思遷移

反思遷移就是在本節(jié)知識(shí)的學(xué)習(xí)之后，讓小組及小組成員回顧自己的學(xué)習(xí)過(guò)程，包括知識(shí)建構(gòu)方面的優(yōu)點(diǎn)和不足，教與學(xué)之間的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。讓學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)方法、成果等收獲的總結(jié)，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力。同時(shí)，嘗試?yán)帽竟?jié)課所學(xué)習(xí)的知識(shí)重新認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際應(yīng)用，更加重視課本基本理論，更加明確卡諾定理和卡諾循環(huán)的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于教師而言，反思教學(xué)流程是否能達(dá)到完整性、規(guī)范性和引領(lǐng)性，課堂教學(xué)的內(nèi)容選擇、流程設(shè)計(jì)、形式表達(dá)、學(xué)理規(guī)范、思政滲透、課后延展六個(gè)方面是否具有一定的“示范性”。

3 結(jié) 語(yǔ)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)法是教學(xué)中一種行之有效的教學(xué)方法，突出了學(xué)生的主體地位和教師的主導(dǎo)地位，通過(guò)幾個(gè)關(guān)聯(lián)問(wèn)題將整個(gè)知識(shí)串聯(lián)起來(lái)。此外，線上教學(xué)，學(xué)生有大量的時(shí)間可以自行安排，他們可以采用線上線下方式獲取所需知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和獨(dú)立思考的能力。養(yǎng)成規(guī)劃與組織、溝通與合作、探究與反思、分享與創(chuàng)造、責(zé)任與擔(dān)當(dāng)?shù)人仞B(yǎng)，同時(shí)，學(xué)生們也深刻認(rèn)識(shí)到課本知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用之間的重要關(guān)系。整個(gè)過(guò)程完成了知識(shí)傳授、能力提升和價(jià)值引領(lǐng)，這也是課程革新的發(fā)展趨勢(shì)。