基于真實問題情境的項目式教學改進的探究

【專家介紹】

劉林（1970-），女，正高級教師，山東省特級教師，山東省教學能手，青島市教育科學研究院高中物理教研員，教育部基礎教育課程教材發(fā)展中心、課程教材研究所普通高中物理學科青島教研基地常務負責人，中國教育學會物理教學專業(yè)委員會理事，主要從事中學物理教學論和高考評價研究。

摘 ? 要：新時代的育人方式倡導基于情境和問題導向的體驗式、互動式、探究式、啟發(fā)式的課堂教學組織形式，注重項目式等學科內(nèi)綜合或跨學科綜合的教學，倡導充分開展的探究性實驗和驗證性實驗教學[1]。文章闡述以小組合作方式解決真實問題的項目式教學，主張教師依據(jù)高中物理課程標準和配套教材選擇項目內(nèi)容，學生自主設計項目方案、課下制作項目裝置、課上交流項目成果等教學環(huán)節(jié)。通過教學實踐，發(fā)現(xiàn)該項目的實施不僅能提高學生學習物理的興趣，而且能夠有效培養(yǎng)學生思維能力和應用物理知識解決真實問題的能力，促進學科核心素養(yǎng)的達成。

關鍵詞：項目式教學;真實情境;核心素養(yǎng);教學改進

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2022）2-0001-5

項目式教學即基于項目的學習（Project-Based-Learning），簡稱PBL，是一種建構主義理念下以學生為中心的教學方式，即學生通過一定時長的小組合作方式，解決一個真實世界中復雜的、具有挑戰(zhàn)性的問題;或完成一項源自真實世界經(jīng)驗且需要深度思考的任務，進而逐步習得包括知識、可遷移技能、高階思維能力、關鍵品格等在內(nèi)的21世紀核心素養(yǎng)[2]。

在《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）核心素養(yǎng)理念的指導下，本文基于“設計顯示加速度大小的裝置”案例，說明如何設計項目式教學活動，以探討提升學生的知識、能力和素養(yǎng)的教學改進策略。

1 ? ?項目內(nèi)容的選擇

根據(jù)杜威的學生克伯屈在1918年對“項目式教學”的系統(tǒng)、完整的論述可知，“項目”是“在社會環(huán)境中發(fā)自內(nèi)心地進行有目的的活動或活動單元”，是為了實現(xiàn)學生能夠自主學習的教學活動，激發(fā)學生內(nèi)部學習動機是項目式教學的重要特征。所以，項目內(nèi)容主要應包括以下幾個方面：項目必須是一個要解決的實際問題;必須是一系列有意義的單元活動;必須由學生親自編制計劃和實施項目;需要包括一項有始有終的活動。

如何選擇項目內(nèi)容？這是決定項目式教學能否達到教學目的的關鍵。從學生生活中的真實情境出發(fā)，提出項目任務活動，讓學生知道研究這個項目具有真實的重要的意義，激發(fā)學習熱情。項目內(nèi)容的選擇應力求呈現(xiàn)真情境，設計真問題，使問題真正得到解決。

相對初中物理來說，高中物理在邏輯思維、理論分析、數(shù)學運算、定量要求以及物理概念的嚴密性和實驗的復雜性等若干方面都有了較高的要求。“加速度”概念是高中物理重要的核心概念之一，2019年人教版高中物理教材將加速度及相關內(nèi)容安排在必修第一冊的第一章，這是學生第一次接觸物理學中抽象的“變化率”的含義，是重點，也是難點，對于學生學習高中物理來說至關重要。本文選取了“設計顯示加速度大小的裝置”作為項目內(nèi)容，讓學生深刻體會應用加速度這一概念解釋生活中的真實問題情境，提高學生應用物理知識解決實際問題的能力。

2 ? ?項目問題和任務的設計

項目式教學的問題設計或者任務設計是決定教學過程成敗的關鍵。問題或者任務的選取，要基于物理情境，能夠激勵學生主動參與課堂教學的全過程，能夠激發(fā)學生的學習興趣，能夠調動學生的深度思維。當然，并非所有的物理課程內(nèi)容都適合于項目式教學的組織形式，一般來說，可以根據(jù)課程標準、教材、生活實踐類問題情境等確定項目問題和任務。下面以“設計顯示加速度大小的裝置”為例，說明選擇項目問題和任務的一般途徑：

2.1 ? ?從課程標準中尋找項目問題和任務

課程標準對必修1的“相互作用與運動定律”主題給出了內(nèi)容要求，指出：“通過實驗，探究物體運動的加速度與物體受力、物體質量的關系。理解牛頓運動定律，能用牛頓運動定律解釋生產(chǎn)生活中的有關現(xiàn)象、解決有關問題。通過實驗，認識超重和失重現(xiàn)象?！盵3]在活動建議中給出：“通過各種活動，例如乘坐電梯、到游樂場參與有關游樂活動等，體驗超重與失重。”[3]從課程標準的表述中可以啟發(fā)學生研究沿豎直方向運行的電梯的加速度情況。

2.2 ? ?根據(jù)教學內(nèi)容，結合教材尋找項目問題和任務

教材是課程實施的重要載體，也是項目式教學問題和任務選擇的直接來源。2019年人教版普通高中教科書物理必修第一冊第四章結尾部分“復習與提高 B組”習題5表述為：“某人想測量地鐵啟動過程中的加速度，他把一根細繩的下端綁著一支圓珠筆，細繩的上端用電工膠布臨時固定在地鐵的豎直扶手上。在地鐵起動后的某段加速過程中，細繩偏離了豎直方向，他用手機拍攝了當時情景的照片（圖1），拍攝方向跟地鐵前進方向垂直。根據(jù)這張照片估算此時地鐵的加速度是多少？加速度方向指向照片的哪個方向？請寫明測量步驟、數(shù)據(jù)、計算過程和結果?！盵4]這樣的內(nèi)容可以啟發(fā)學生研究地鐵或高鐵等交通工具在水平方向上的加速度情況。

2.3 ? ?從生活實踐類問題情境中尋找項目問題和任務

從日常生活中尋找有加速度的真實情境比較容易。《中國高考評價體系》從三個方面對生活實踐問題情境進行界定：一是與大自然中物理相關的現(xiàn)象，二是與生產(chǎn)生活緊密聯(lián)系的物理問題，三是科技前沿[5]。比如，2019年人教版普通高中教科書物理必修第一冊第四章第6節(jié)“超重和失重”，在本節(jié)教材最后給出：“超重和失重現(xiàn)象在實際中還有許多，請你通過讀書、上網(wǎng)、請教專業(yè)人員等多種途徑進一步學習和了解。”[4]引導學生從網(wǎng)絡中查詢，發(fā)現(xiàn)有如下關于加速度的情境：生活中的橋大多建成“凸”的形狀，這樣汽車經(jīng)過橋面時，合力指向橋下，汽車與橋面之間的彈力小于汽車的重力，減小了汽車對橋面的壓力大小，可以有效地保護橋梁;橋洞下的公路（像U型的路）最低處的路面損毀相對嚴重，主要是因為車輛在最低處的超重現(xiàn)象引起的;坐飛機，在起飛或者降落過程中，乘客處于超重或失重狀態(tài);參與過山車、蹦極娛樂類項目時的超重或失重現(xiàn)象;高樓大廈中的電梯、高速行駛的列車、地鐵等，都能尋找到研究物體加速度情況的問題和任務。

以上列舉了3種設計項目問題和任務的參考途徑。不管是哪種途徑，都是要選取貼近學生、貼近生活、貼近社會的真實問題情境作為項目問題和任務，這樣既能夠激發(fā)學生的學習興趣，又能夠有效地考查學生是否具備根據(jù)復雜情境構建物理模型的能力和素養(yǎng)，并能運用物理模型解決實際問題。

3 ? ?項目的實施過程

3.1 ? ?項目內(nèi)容的設計

本項目以“設計顯示加速度大小的裝置”為內(nèi)容，學生自主設計并動手制作測量物體運動加速度大小的裝置，深度參與學習過程，體驗科學探究之路。從日常生活中的超重和失重現(xiàn)象，引導學生關注我國航天技術的發(fā)展，激發(fā)家國情懷，體現(xiàn)學科的德育育人價值。

3.2 ? ?項目組織的形式

以小組合作的方式分別在課下和課上開展，課下以項目設計的方案和項目成果的制作為主，課上以展示成果、交流匯報為主。項目學習小組的分組方式按照組間同質、組內(nèi)異質的大原則，尊重學生小組組合的意愿，使人員搭配合理，能夠順利完成項目式學習過程。

3.3 ? ?項目的設計與實施過程

第一步，項目情境引入過程?？梢栽O計多個實驗，激發(fā)學生的探究興趣，此處列舉兩例。

情境1：

在飲料瓶側壁上打一個小孔，裝滿水，水將從小孔處噴出。如果從高處釋放飲料瓶，可以觀察到：水不從小孔噴出了。由于飲料瓶被舉起的高度有限，下落速度較快，時間較短，肉眼難以捕捉到水不噴出的短暫過程，這時用手機“慢動作”攝影功能能夠清晰地呈現(xiàn)出水不噴出的過程。

情境2：

學生站在體重計上向下蹲（圖2），通過手機和大屏幕同屏的方式，全體學生可以觀察到：在學生下蹲的過程中，體重計的示數(shù)先變小，后變大，再變小。當學生靜止站立在體重計上時，示數(shù)保持不變。

設計意圖：超重和失重現(xiàn)象在生活中比較常見，但是學生卻不一定能從物理學的視角觀察現(xiàn)象，進而作出解釋，尤其是情境2中體重計示數(shù)變化的原因分析?？梢龑W生作出定量分析，學會建構超重和失重的物理模型，并應用模型解釋生活中的超重和失重現(xiàn)象。

第二步，根據(jù)學生對項目問題和任務設計的討論，各項目小組總結出幾種設計方案，分別是：

小組1：豎直方向上測量加速度。學生設計的方案是在學校教學樓的電梯中研究超重和失重現(xiàn)象，并制作測量加速度大小的裝置。

項目原理：讀取不同狀態(tài)下體重計的示數(shù)，根據(jù)牛頓第二定律計算得出電梯的加速度大小。

項目方案：

（1）學生站在體重計上，電梯停在1層時，讀取示數(shù)，記為G（G=mg）。

（2）按電梯樓層按鈕到6層，記錄上升過程中體重計的示數(shù)，先變大，記為G1;再不變，記為G;再變小，記為G2;最后電梯停在6層，記為G。

（3）根據(jù)牛頓第二定律，得出：向上加速時，電梯的加速度a1=，方向向上;向上減速時，電梯的加速度a2=，方向向下。

（4）按電梯樓層按鈕到1層，記錄下降過程中體重計的示數(shù)，先變小，記為G3;再不變，記為G;再變大，記為G4;最后電梯停在1層，記為G。

（5）根據(jù)牛頓第二定律，得出：向下加速時，電梯的加速度a3=，方向向下;向下減速時，電梯的加速度a4=，方向向上。

（6）據(jù)此，可在體重計示數(shù)Gn（n取1，2，3…）刻度處替換上對應的加速度值，這樣就將體重計改裝成一個顯示豎直方向上加速度大小的裝置。學生經(jīng)分析得出：加速度方向向上時，為超重現(xiàn)象;加速度方向向下時，為失重現(xiàn)象。

設計意圖：物體在豎直方向上的加速度比較常見，易于理解，易于測量。學生經(jīng)歷項目問題和任務后，知道如何通過改換示數(shù)盤的方式將其改裝為顯示另一個物理量大小的方法，為后續(xù)學習電流表和電壓表的改裝打下基礎，那時學生必然會順利遷移該方法。讓學生在做項目的過程中完成物理學科核心知識的學習，激發(fā)學生學習物理的內(nèi)驅力，課堂上學生之間的思維碰撞有利于促進他們的思維發(fā)展，促進學科核心素養(yǎng)的達成。

小組2：水平方向上測量加速度。表現(xiàn)出學生思維的發(fā)散性，尋找到多種有加速度的真實生活情境。比如，測量地鐵或高鐵啟動時的加速度，安檢傳送帶上拉桿箱的加速度等。

項目原理：讀取不同狀態(tài)下細繩偏離豎直線的夾角大小，根據(jù)牛頓第二定律計算得出地鐵或高鐵啟動時的加速度大小。

項目方案：

（1）在地鐵或高鐵上，用輕質細繩將小球拴接在扶手上（圖1），小球可以自由擺動。

（2）當?shù)罔F或高鐵啟動時，用手機“慢動作”功能拍攝小球和輕質細繩擺起的過程。

（3）回放錄像，選擇小球擺起路徑上合適的一點作為測量參考點，地鐵扶手相當于豎直線，得到細繩偏離豎直線的角度，記為θ。

（4）根據(jù)a=gtanθ得到地鐵或高鐵啟動過程的加速度。因此，只要能夠測得輕繩擺起后偏離豎直線的角度θ，就可以知道地鐵或高鐵的加速度。

（5）據(jù)此，可在輕繩與豎直方向間的每個偏角θ處替換上對應的加速度值，這就做成一個能夠“顯示”水平方向運動物體加速度大小的裝置。

設計意圖：地鐵和高鐵都是新時代生活中常見的交通工具，通過項目的設計和實施，讓學生感受我國高鐵事業(yè)的飛速發(fā)展，了解我國科技進步的現(xiàn)狀，立志為國發(fā)奮讀書，激發(fā)民族自豪感。

小組3：使用手機APP軟件測量加速度，體現(xiàn)物理實驗與信息技術的融合[6]。

項目原理：利用phyphox軟件采集數(shù)據(jù)，實時記錄電梯升降過程中高度、速度、加速度的變化，引導學生構建豎直方向上的變速運動模型，并利用實驗數(shù)據(jù)探究運動規(guī)律，建立超重和失重概念，分析其動力學原因。

項目方案：

（1）打開phyphox軟件APP（圖3左）。點擊“電梯”程序，出現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示界面（圖3中）。點擊開始“△”按鈕，軟件將自動記錄電梯運動過程中高度、垂直速度以及Z軸加速度3個物理量隨時間的變化關系。

（2）將研究對象放在電子秤上，觀察電子秤示數(shù)的變化情況。在電梯啟動、上升、靜止、下降、制動，直至靜止的過程中，手機phyphox軟件上會呈現(xiàn)測量圖線（圖3右）。

設計意圖：數(shù)字化實驗技術的改進，可以便捷得到實驗證據(jù)，提高實驗教學的效率。手機的普及，使得很多中學物理實驗的途徑、方式發(fā)生了巨大變化，為利用數(shù)字化手段改進物理實驗教學提供了便利。

3.4 ? ?項目的交流與展示過程

各項目小組展示測量加速度大小裝置的設計思路、制作過程，并介紹本組制作的裝置。教師指導學生課前完成PPT展示稿，課堂展示時可圖文并茂，提高效率。

4 ? ?項目的評價

4.1 ? ?學生的互評

一個項目組在交流和展示的過程中，其他項目組負責點評。點評包含：項目所涉及到的知識掌握情況，裝置設計和制作情況等。學生在設計項目方案時，明確物體產(chǎn)生加速度的原理，能熟練應用牛頓第二定律得到豎直、水平方向上的加速度大小，也能學習應用數(shù)字化實驗技術手段研究物理現(xiàn)象，對學生形成運動觀念、構建物理模型、培養(yǎng)科學證據(jù)意識等均具有良好的作用。通過項目小組合作的學習方式，培養(yǎng)學生的團隊合作意識和能力。

4.2 ? ?教師的評價

教師選取項目的過程是建立在充分學習研究課程標準和配套教材的基礎上，從激發(fā)學生學習物理的興趣出發(fā)，設計項目方案和實施過程，充分調動全體學生的積極性。項目設計的過程融合了大單元教學設計的理念，能夠提高教師的課程意識，提高結構化學科大概念的課堂教學設計能力。

5 ? ?對項目式教學的反思

項目式教學是一種問題解決式的學習模式，讓學生經(jīng)歷探究和制作的過程，學習成果偏重于設計方案、實際作品的形式。根據(jù)物理學科特點，教師需要依據(jù)課程標準設計教學目標，創(chuàng)設物理情境，融合信息技術，組織學生活動，完成科學探究過程、實物制作、項目報告、小論文等[7]。對項目式教學有3個問題需要進一步思考，分列如下：

第一，項目活動的實施會占用較長的課堂時間，這是項目式教學的難點;而且高中學校大多是寄宿制學校，課下操作的時間、空間等受到限制，這是項目式教學組織過程中的堵點。為解決時間投入與教學效益的矛盾，可以根據(jù)項目實際情況，設計為大項目、小項目、微項目等，再結合學校的管理現(xiàn)狀選取適合的項目內(nèi)容組織教學。

第二，項目式教學的設計可能會涉及到多個學科領域，對于教師來說是一種挑戰(zhàn)，建議以分學科的項目內(nèi)容為基礎，逐步滲透到跨學科的項目內(nèi)容，同時需要教師盡可能地拓寬知識面，多從學生層面挖掘項目的設計與實施方案。

第三，對項目的評價標準存在不夠科學的問題?？梢愿鶕?jù)不同的項目內(nèi)容，設計不同的評價標準。比如，有的偏重于項目方案的設計，有的偏重于項目裝置的制作，有的偏重于思維深度等。根據(jù)學生的學習能力、年齡特點的發(fā)展情況，從增值性發(fā)展方面作出合理的評價。

參考文獻：

[1]國務院辦公廳.關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見[EB/OL].（2019-06-19）.http：//www.gov.cn/

zhengce/content/2019-06/19/content_5401568.htm

[2]王磊.基于學生核心素養(yǎng)的化學學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2018：1.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[4]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[5]程力，李勇.基于高考評價體系的物理科考試內(nèi)容改革實施路徑[J].中國考試，2019（12）：38-44.

[6]劉林.中學物理數(shù)字化實驗常用手段與策略[J].中小學數(shù)字化教學，2020（11）：14-17.

[7]劉林，宋樹杰.課程標準與教材修訂（十）——修訂版教材選擇性必修（第二冊）教材分析與教學建議[J].物理教學探討，2020，38（10）：1-5+24.

（欄目編輯 ? ?廖伯琴）