運(yùn)用項(xiàng)目化學(xué)習(xí)提升物理科學(xué)思維能力的教學(xué)策略

周娜

摘要：以提升學(xué)生物理科學(xué)思維能力為目的，運(yùn)用項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，從驅(qū)動(dòng)問題﹑教學(xué)評(píng)價(jià)﹑鏈?zhǔn)絾栴}和學(xué)習(xí)支架四個(gè)角度講述2019版普通高中物理（人教版）選擇性必修三第四章第二節(jié)“光電效應(yīng)”的教學(xué)策略，用真實(shí)情境問題作為項(xiàng)目任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行高階學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)，呈現(xiàn)出項(xiàng)目化學(xué)習(xí)在物理課程中的具體實(shí)施過程，以及項(xiàng)目化學(xué)習(xí)與多種學(xué)習(xí)方法和工具融合以解決難點(diǎn)的過程。

關(guān)鍵詞：高中物理；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)；科學(xué)思維

科學(xué)思維是用科學(xué)視角認(rèn)識(shí)客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系，是將科學(xué)思維方法，比如分析綜合、抽象概括、推理論證等的內(nèi)化，是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)已有觀點(diǎn)或結(jié)論進(jìn)行質(zhì)疑、批判，并提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)，其要素主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等。

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中教師要引導(dǎo)學(xué)生將項(xiàng)目轉(zhuǎn)化成真實(shí)情境中的物理問題，使用高階認(rèn)知策略對(duì)問題進(jìn)行綜合分析與推理，將物理問題轉(zhuǎn)化為物理模型并進(jìn)行解決，學(xué)生將已有信息作為證據(jù)支持自己得到的結(jié)論，從而有效提升學(xué)生的科學(xué)思維。以人教版選擇性必修三“光電效應(yīng)”為例，以提升物理科學(xué)思維為目的，可以從以下幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行項(xiàng)目化設(shè)計(jì)。

一、驅(qū)動(dòng)問題明定位

驅(qū)動(dòng)問題的設(shè)計(jì)原則：一是趣味性本質(zhì)問題，物理學(xué)科本質(zhì)問題抽象難懂，增加趣味性可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性；二是開放性高階問題，貼合學(xué)生現(xiàn)有思維水平，讓學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)并解決問題；三是真實(shí)性情境問題，將學(xué)生與本質(zhì)問題聯(lián)系起來，比如通過角色扮演學(xué)習(xí)該角色所需的思維與方法，設(shè)計(jì)一個(gè)與現(xiàn)實(shí)生活和科技生產(chǎn)密切相關(guān)的裝置或進(jìn)行科學(xué)大揭秘等活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維[1]。

（一）項(xiàng)目分析

項(xiàng)目?jī)?nèi)容包括探究教材中的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，解釋光電效應(yīng)規(guī)律時(shí)遇到的疑難，愛因斯坦基于普朗克的量子觀點(diǎn)提出了光量子假說，推導(dǎo)出光電效應(yīng)方程并成功解釋光電效應(yīng)。常規(guī)教學(xué)中用習(xí)題練習(xí)鞏固，講解更多于自主探究，項(xiàng)目的設(shè)定促使學(xué)生通過主動(dòng)思考光電效應(yīng)的具體原理來解決難題，從被動(dòng)低階學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)高階學(xué)習(xí)。

（二）項(xiàng)目路徑

課題組提出了以提升物理科學(xué)思維為目的的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)路徑（見圖1）。

（三）項(xiàng)目引入

教師首先播放視頻：盜賊進(jìn)入安裝光電自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的房間后警鈴響起；掃描儀利用光電倍增管實(shí)現(xiàn)圖像信息的數(shù)字輸入過程；夜視儀熒光屏成像等光電效應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。其次引導(dǎo)學(xué)生思考這些科技的原理，從而引入主題，激發(fā)學(xué)生探索欲。最后提出驅(qū)動(dòng)問題：學(xué)校舉辦節(jié)能活動(dòng)，任務(wù)是為教學(xué)樓一樓大廳制作一種根據(jù)空間亮度自動(dòng)控制的開關(guān)，要求在明亮的自然光照下關(guān)燈，晚上或陰天要一直開燈，請(qǐng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并講解原理。

二、教學(xué)評(píng)價(jià)定標(biāo)準(zhǔn)

（一）教學(xué)目標(biāo)

為了讓學(xué)生理解和掌握核心概念和關(guān)鍵能力，要將驅(qū)動(dòng)問題進(jìn)行分解，項(xiàng)目包括光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)﹑光電效應(yīng)的原理﹑設(shè)計(jì)電路和實(shí)踐修正并展示成果四個(gè)分任務(wù)，并設(shè)計(jì)學(xué)生的主要學(xué)習(xí)活動(dòng)。依據(jù)課程目標(biāo)、學(xué)業(yè)質(zhì)量水平和物理學(xué)科核心素養(yǎng)等，明確教學(xué)目標(biāo)，即學(xué)生在每一個(gè)子任務(wù)中的素養(yǎng)目標(biāo)，使核心素養(yǎng)可視化、可評(píng)價(jià)（見表1）。

（二）教學(xué)評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)有多種形式，教師可以參照素養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的評(píng)價(jià)量規(guī)，也可以依據(jù)師生對(duì)話和課堂觀察，進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)；總結(jié)性評(píng)價(jià)要通過檢測(cè)習(xí)題和項(xiàng)目成果進(jìn)行，能有效促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成；學(xué)生參與自評(píng)和互評(píng)，從不同視角了解學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)的達(dá)成情況，對(duì)小組任務(wù)的理解和投入程度等，進(jìn)而有針對(duì)性地修改指導(dǎo)策略，引發(fā)學(xué)生反思和修正，促進(jìn)學(xué)生更深層次的探索與創(chuàng)新[2]。

三、鏈?zhǔn)絾栴}指方向

（一）探究指導(dǎo)問題

實(shí)驗(yàn)研究光電效應(yīng)過程中，大多數(shù)學(xué)生不能理清實(shí)驗(yàn)探究目的，通過淺層實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不能直觀分析實(shí)驗(yàn)規(guī)律，并推理實(shí)驗(yàn)深度原理。此時(shí)教師需設(shè)置指導(dǎo)問題，幫助學(xué)生梳理思路[3]。教師要根據(jù)學(xué)生的學(xué)情，設(shè)置能夠推進(jìn)學(xué)生思考的問題鏈，例如學(xué)習(xí)飽和電流時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生研究增大光電流的方法，從而引出電場(chǎng)；學(xué)生探究電場(chǎng)對(duì)光電流的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，觸發(fā)問題“為什么光電流增到一個(gè)定值后不再變化？”推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)程的深入；教師在實(shí)驗(yàn)過程中布置新的探究問題“入射光頻率不變，改變光強(qiáng)，在增大電壓時(shí)，光電流會(huì)怎樣變化？”幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維，通過辯證思考﹑實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的深層原理，最終得出結(jié)論。

（二）思維定向問題

依據(jù)教學(xué)目標(biāo)分解驅(qū)動(dòng)問題，使每個(gè)分任務(wù)指向需要解決的問題及要培養(yǎng)的科學(xué)思維。在學(xué)習(xí)愛因斯坦的光電效應(yīng)方程時(shí)，由學(xué)生分組共同探討二級(jí)問題：如何根據(jù)愛因斯坦光量子假說得出愛因斯坦光電效應(yīng)方程？闡述各物理量的意義、單位。怎么運(yùn)用愛因斯坦光電效應(yīng)方程解釋光電效應(yīng)？結(jié)合圖像分析愛因斯坦光電效應(yīng)方程。

這個(gè)學(xué)習(xí)過程是項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中的高階學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)﹑質(zhì)疑創(chuàng)新和科學(xué)推理的能力，促進(jìn)學(xué)生得出清晰的項(xiàng)目路徑，還可以通過對(duì)指向科學(xué)思維的問題鏈的研究，讓學(xué)生主動(dòng)參與思考，了解如何進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究，并掌控研究的方向，從而促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的提升。

（三）方法引導(dǎo)問題

驗(yàn)證愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，需要測(cè)量普朗克常數(shù)，這部分內(nèi)容可培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理和轉(zhuǎn)換思維能力。教師需要利用鏈?zhǔn)絾栴}引導(dǎo)學(xué)生思考測(cè)量哪些物理量可以求解普朗克常量？如何測(cè)量這些數(shù)據(jù)？學(xué)生根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程，能看出來要測(cè)量光的頻率ν、光子的初動(dòng)能Ek和逸出功W0，想到雙縫干涉實(shí)驗(yàn)可以測(cè)得光的波長(zhǎng)，就可推得光的頻率，并意識(shí)到光子的初動(dòng)能Ek和逸出功W0不能用現(xiàn)有方法直接測(cè)出。這時(shí)再引出轉(zhuǎn)換思維法，讓學(xué)生主動(dòng)轉(zhuǎn)換研究思路，實(shí)驗(yàn)中，反向電壓使電子減速向陽極運(yùn)動(dòng)，電流剛減為零，即逸出的電子剛好沒能到達(dá)陽極，這個(gè)過程中，電子初動(dòng)能Ek等于克服電場(chǎng)力做的功eU，此時(shí)的反向電壓即遏止電壓Uc，這樣就可以將測(cè)量初動(dòng)能轉(zhuǎn)換為測(cè)量遏止電壓。教師再指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用公式或圖像得出普朗克常量。學(xué)生利用愛因斯坦光電效應(yīng)方程推導(dǎo)出入射光的頻率和遏止電壓的線性方程，普朗克常數(shù)即為斜率與電子電荷量e的乘積。

這個(gè)過程培養(yǎng)學(xué)生的轉(zhuǎn)換思維，教師創(chuàng)設(shè)問題引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)缺陷，引導(dǎo)學(xué)生思考如何避開最大初動(dòng)能和逸出功或截止頻率的測(cè)量與計(jì)算，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成測(cè)量不同頻率下的遏止電壓，擬合出線性方程，再利用斜率計(jì)算普朗克常數(shù)，提升學(xué)生物理科學(xué)思維。

四、學(xué)習(xí)支架促思維

在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，教師的主要任務(wù)是推動(dòng)和幫助學(xué)生有效完成任務(wù)，體現(xiàn)在給學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架，指引學(xué)生學(xué)習(xí)。除了相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材，還要提供策略型學(xué)習(xí)支架，即提供有效的解決問題的方法或途徑以幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)方法后，通過推理分析建立模型，論證得到結(jié)論。

（一）分析工具

圖像能夠直觀展現(xiàn)物理量之間的關(guān)聯(lián)，是高中物理學(xué)習(xí)的重要研究方法，也是科學(xué)思維培養(yǎng)的重要工具，針對(duì)圖像設(shè)置問題，可有效突破重難點(diǎn)。

光電效應(yīng)規(guī)律中關(guān)于光電流與電壓關(guān)系的研究，學(xué)生得到測(cè)量數(shù)據(jù)，記錄表格，教師給出學(xué)習(xí)支架I-U圖像，引導(dǎo)學(xué)生將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成圖像，結(jié)合鏈?zhǔn)絾栴}，給學(xué)生圖像分析指明思考方向：圖像中什么表示遏制電壓？黃色強(qiáng)光與黃色弱光的圖線交于一點(diǎn)，說明什么？黃光與藍(lán)光的遏制電壓不同說明什么？光電子初速度不一樣，那么光電子的初動(dòng)能與入射光的頻率和光強(qiáng)是否有關(guān)？學(xué)生將獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像，在教師設(shè)置的問題鏈的引導(dǎo)下，結(jié)合圖像與物理過程，自主分析物理量關(guān)系，得出規(guī)律或結(jié)論，鍛煉學(xué)生的分析圖像信息能力與知識(shí)遷移能力。

（二）創(chuàng)新引導(dǎo)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)中培養(yǎng)創(chuàng)新思維的重要方法，利用已學(xué)知識(shí)制作原型是用理論解決實(shí)際問題的過程，也是培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移能力的過程。創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)用設(shè)計(jì)“決策五邊形”工具，并結(jié)合頭腦風(fēng)暴可以有效促進(jìn)學(xué)生產(chǎn)生創(chuàng)意想法[4]。

“決策五邊形”是一種進(jìn)行決策時(shí)用到的方法，可以為學(xué)生提供思考方向。其中概念維度，學(xué)生需要思考產(chǎn)品要解決什么問題、用于什么場(chǎng)所、現(xiàn)有產(chǎn)品與要求有什么不同等；技術(shù)維度，學(xué)生要考慮產(chǎn)品的工作原理；結(jié)構(gòu)維度，學(xué)生應(yīng)探究產(chǎn)品的各部分怎樣組合在一起。

頭腦風(fēng)暴可以貫穿整個(gè)項(xiàng)目，幫助學(xué)生養(yǎng)成創(chuàng)造性思考的習(xí)慣。學(xué)生可以選擇感興趣的內(nèi)容，分成4個(gè)小組。小組研究?jī)?nèi)容包括器材的選取，光的明暗程度對(duì)開關(guān)影響的研究，自動(dòng)控制開關(guān)的觸發(fā)方式的設(shè)計(jì)，電路各部分的組裝。教師給學(xué)生第一個(gè)5分鐘思考時(shí)間，每人都要記錄觀察的現(xiàn)象，如一組學(xué)生記錄“某光電管效果不明顯，電流很小”；第二個(gè)5分鐘，學(xué)生思考是否可以更有創(chuàng)意或優(yōu)化這項(xiàng)內(nèi)容，同學(xué)依次傳遞記錄表，如后一位同學(xué)受到前面同學(xué)記錄內(nèi)容的啟發(fā)，思考后得出“該光電管對(duì)項(xiàng)目不適用，需要調(diào)整相關(guān)參數(shù)，需要放大器或調(diào)整電路等”；第三個(gè)5分鐘，結(jié)合前面的記錄，學(xué)生聯(lián)系本節(jié)課學(xué)習(xí)內(nèi)容，知道光電管金屬材質(zhì)不同，逸出功不同，則在光照情況相同的情況下，最大初動(dòng)能不同，即影響光電流，因此可更換逸出功小一些的金屬做光電管的陰極，但截止頻率過低，很暗的環(huán)境也會(huì)有電流，不符合項(xiàng)目要求，如果電流還是不大，可以加正向電場(chǎng)增大電流，或是使用放大器。

總之，項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是在常規(guī)課堂的基礎(chǔ)上將教學(xué)過程項(xiàng)目化的一種學(xué)習(xí)方式，學(xué)生要制作完成感興趣的項(xiàng)目任務(wù)，相比常規(guī)課堂有更多的自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手探究的過程。教師需要注意根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，適當(dāng)調(diào)整項(xiàng)目要求的難度。太簡(jiǎn)單學(xué)生不需要思考，太難會(huì)使學(xué)生有挫敗感，不能促進(jìn)學(xué)生思維能力的提升，如果課時(shí)安排足夠，也可以擴(kuò)展學(xué)習(xí)自動(dòng)控制方法，內(nèi)光電效應(yīng)原理與應(yīng)用等內(nèi)容。學(xué)生在項(xiàng)目中切實(shí)體驗(yàn)科學(xué)家的探究歷程，項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的開放性讓學(xué)生能夠打開思路，從不同角度思考問題，進(jìn)行思維碰撞，追求科技創(chuàng)新，從而有效提升學(xué)生的物理科學(xué)思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 夏雪梅.PBL項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)：學(xué)習(xí)素養(yǎng)視角下的國(guó)際與本土實(shí)踐[M].北京：教育科學(xué)出版社，2018：55-63.

[2] 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020：56-60.

[3] 許湘苗.巧設(shè)物理情境助推深度學(xué)習(xí)：以“光電效應(yīng)”教學(xué)為例[J].物理教學(xué)，2021，43（12）.

[4] 夏雪梅.PBL項(xiàng)目化學(xué)習(xí)工具：66個(gè)工具的實(shí)踐手冊(cè)[M]. 北京：教育科學(xué)出版社，2022：97-99，230-231.

課題項(xiàng)目：2022年黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃基礎(chǔ)教育教研專項(xiàng)課題“基于學(xué)生物理科學(xué)思維提升的教學(xué)實(shí)踐研究”（JYC1422435）研究成果之一

見習(xí)編輯/張婷婷