新課標(biāo)下高中物理項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的實(shí)踐探究

摘 要：基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的物理課堂教學(xué)，旨在引導(dǎo)學(xué)生從日常生活問題入手，真實(shí)地解決老年人和嬰幼兒的體溫及濕度監(jiān)測(cè)問題。在這一項(xiàng)目式學(xué)習(xí)案例中，學(xué)生不僅能夠?qū)⑽锢碇R(shí)與數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)和通用技術(shù)相結(jié)合，還能夠自主發(fā)現(xiàn)問題、提出解決方案和動(dòng)手實(shí)踐，培養(yǎng)了他們的物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；傳感器；太陽能電池

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）12-0069-5

堅(jiān)持以目標(biāo)導(dǎo)向、問題導(dǎo)向和創(chuàng)新導(dǎo)向?yàn)樵瓌t，更加注重讓學(xué)生在真實(shí)情境中開展科學(xué)探究，是２０２２版新課程標(biāo)準(zhǔn)的重要修訂原則。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)恰好體現(xiàn)了這一點(diǎn)，它能夠有效地將各學(xué)科知識(shí)融合，解決實(shí)際情境中的問題。目前，關(guān)于如何在高中物理教學(xué)中實(shí)施項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的典型案例仍然較為缺乏。為了更好地落實(shí)“做中學(xué)”的教育理念，通過構(gòu)造典型案例推廣項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式顯得十分必要。

１ 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在物理教學(xué)中的教學(xué)現(xiàn)狀

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（簡稱ＰＢＬ）是一種以認(rèn)知學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)、以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，建立在建構(gòu)主義理論之上。教師根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)內(nèi)容，以問題為導(dǎo)向，結(jié)合學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，通過小組合作探究，旨在解決實(shí)際生活中的問題并實(shí)現(xiàn)知識(shí)的應(yīng)用。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式在國外起源較早，相關(guān)研究文獻(xiàn)數(shù)量眾多，應(yīng)用領(lǐng)域也相對(duì)廣泛，這表明國外在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)理論和實(shí)踐方面已經(jīng)相對(duì)成熟。然而，在高中物理教育中，相關(guān)研究仍顯不足，如圖１所示。

根據(jù)對(duì)選擇物理的高中學(xué)生的觀察和訪談，大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)中往往急于完成任務(wù)，解決物理問題的主要目的是為了通過考試。盡管學(xué)生能夠按照老師的指導(dǎo)方法解決問題，但他們很少主動(dòng)思考其他可能的解決方案，這表明他們?cè)诮鉀Q項(xiàng)目中的問題時(shí)缺乏有效的主動(dòng)意識(shí)。這種主動(dòng)意識(shí)實(shí)際上可以顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。然而，在整個(gè)物理學(xué)習(xí)過程中，如果教師不主動(dòng)激發(fā)學(xué)生的思維方式，他們的創(chuàng)造力和科學(xué)思維能力將難以提升。此外，從學(xué)生在高中物理實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)可以看出，學(xué)生在實(shí)踐中應(yīng)用物理概念的機(jī)會(huì)較少，動(dòng)手能力普遍不理想。這進(jìn)一步說明，目前的物理教學(xué)往往僅關(guān)注教會(huì)學(xué)生如何解題以通過考試，而忽視了實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。教育學(xué)家ＲＯＹ指出，學(xué)生可以通過觀察環(huán)境和經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)如何表述復(fù)雜的事物，而將設(shè)計(jì)上復(fù)雜的內(nèi)容表達(dá)出來能夠促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造性思維［１］。在這種情況下，教師可以設(shè)計(jì)項(xiàng)目，讓學(xué)生通過想象、理性思考和調(diào)查來進(jìn)行設(shè)計(jì)。Ｌｉａｎｇ等人認(rèn)為，這種方法能夠?qū)W(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度從被動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，因?yàn)樵陧?xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中，學(xué)生會(huì)感受到學(xué)習(xí)與生活之間更深的聯(lián)系和意義。

在學(xué)習(xí)物理理論時(shí)，學(xué)生往往很少提前思考如何創(chuàng)造事物，也缺乏對(duì)物理問題創(chuàng)新解決方法的探討。通常，他們只是通過計(jì)算來回答問題，但對(duì)問題的理解卻不夠深入。在物理實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生往往僅按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)步驟進(jìn)行，缺乏對(duì)是否可以嘗試新步驟的思考和培訓(xùn)。

為了增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)機(jī)和思維方式，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式可以有效實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，學(xué)生將接受創(chuàng)造性和創(chuàng)新性培訓(xùn)，這種環(huán)境能夠有效提升他們的創(chuàng)造性思維，使得項(xiàng)目得以順利創(chuàng)建和實(shí)施。Ｈｏｎｇ等人指出，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種重要的學(xué)習(xí)方法，能夠幫助學(xué)生更好地利用工具和媒介，發(fā)揮其教學(xué)和學(xué)習(xí)潛能［２］。根據(jù)Ｈｏｌｕｂｏｖａ的報(bào)告，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在多學(xué)科問題的解決和活動(dòng)教學(xué)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)［３］。

２ 物理項(xiàng)目式學(xué)習(xí)案例

關(guān)于傳感器的章節(jié)，新版物理教材比較舊版，雖然刪去了實(shí)驗(yàn)探究課程，但實(shí)際上增加了很多實(shí)用性的內(nèi)容，新版教材中第三節(jié)用傳感器做簡單的自動(dòng)控制裝置，其實(shí)是可以做成實(shí)驗(yàn)的。這一章學(xué)習(xí)了傳感器的基本原理，也做了簡單的傳感器電路連接。但是，教材中的例子都是非常抽象、簡單的，現(xiàn)實(shí)生活中并不能直接利用。因此，本案例將傳感器融入日常生活，并發(fā)揮其實(shí)際作用。

２．１ 確定項(xiàng)目主題

該項(xiàng)目以探索失能老人和需要人照料的嬰幼兒為主要內(nèi)容，其身體體溫和濕度尚缺乏及時(shí)測(cè)量的技術(shù)，導(dǎo)致照料者難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)他們身體的異常情況。因此，項(xiàng)目“失能老人與嬰幼兒基本生理特征監(jiān)測(cè)”旨在基于失能老人和嬰幼兒的生理特征，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)體溫和濕度的新能源系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)護(hù)老人與嬰幼兒的健康狀況，當(dāng)他們的體溫和濕度出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)提供提示信息。以此項(xiàng)目為主題，讓學(xué)生探究傳感器的實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)其分析、解決實(shí)際問題的能力。

２．２ 構(gòu)建實(shí)際生活情境

情境引入：嬰幼兒需要父母的照顧，生活不能自理的老人同樣也需要照顧。所以，非常有必要對(duì)他們的體溫和身體濕度進(jìn)行監(jiān)控。

２．３ 構(gòu)建項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模型

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)案例如表1所示。

２．４ 項(xiàng)目設(shè)計(jì)匯總

２．４．１ 設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)通過外部的溫度傳感器和濕度傳感器獲取被護(hù)理者的體溫和濕度，檢查其是否存在異常。一旦檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)將通過外部藍(lán)牙模塊將被護(hù)理者的健康數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)護(hù)人的手機(jī)，提醒是否需要更換衣物或進(jìn)行其他護(hù)理。

圖２展示了由濕度傳感器、溫度傳感器、藍(lán)牙模塊和手機(jī)ＡＰＰ等組成的被護(hù)理者監(jiān)測(cè)追蹤整體框架。該框架利用傳感器、無線數(shù)據(jù)通信和事件檢測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)追蹤的信息化。

設(shè)計(jì)的電路主要分為三個(gè)部分。主控芯片ＳＴＭ３２Ｆ０３０Ｆ４Ｐ６，選擇此芯片是因?yàn)槠涞凸暮托◇w積。由于裝置的要求較高，希望在完成功能的同時(shí)，芯片盡可能小。傳輸方式主要采用藍(lán)牙，因此使用藍(lán)牙模塊Ｂ－０００４。溫度和濕度的測(cè)量模塊為ＳＨＴ２０溫濕度傳感器。結(jié)合通用技術(shù)，設(shè)計(jì)了流程圖（圖３）。

２．４．２ 硬件選擇及原理

藍(lán)牙模塊部分：如圖4、圖5所示，傳感器的數(shù)據(jù)采集與手機(jī)屏幕顯示之間通過藍(lán)牙連接，采用射頻藍(lán)牙無線模塊［４］。

Ｂ－０００４模塊可以通過簡單的ＩＯ－Ｃｏｎｔｒｏｌ，實(shí)現(xiàn)模塊與模塊之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，從而完成模塊與手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

溫濕度傳感器部分：選用的溫濕度傳感器是ＳＨＴ２０，能夠同時(shí)測(cè)量溫度和濕度。具體的內(nèi)部測(cè)試原理如下：

溫度傳感器部分：光纖柵溫感原理是外界溫度變化引起光纖柵Ｂｒａｇｇ波長的漂移。

濕度傳感器部分：本項(xiàng)目采用電容式濕敏元件，其結(jié)構(gòu)為薄膜電容元件。當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，濕敏元件的介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，這將導(dǎo)致電容的改變。

太陽能電池部分：本次供電模塊采用太陽能電池板、太陽能控制器、鋰電池和ＢＵＣＫ型電路。通過小型獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳感器在任意地點(diǎn)的獨(dú)立工作，控制中心使用太陽能智能控制器。

可將光伏電池的電路轉(zhuǎn)換成圖６。Ｉｐｈ為光電流，ＶＤ表示ＰＮ截面的二極管，Ｒｓｈ和Ｒｓ分別表示材料內(nèi)部的等效并聯(lián)及串聯(lián)電阻，Ｒ０為外電阻。

根據(jù)變壓器原理，計(jì)算得出需要３．３ V～３．７ Ｖ的電壓，因此光伏電池能夠提供所需電源。在光照良好的情況下，太陽能電池可以自動(dòng)儲(chǔ)電，而在沒有光照時(shí)，則可作為正常電源使用。

２．４．３ 發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用太陽能電池板，通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化生成電能。太陽能控制器在系統(tǒng)中發(fā)揮協(xié)調(diào)充放電的作用。整個(gè)結(jié)構(gòu)的核心是控制器，其目的是調(diào)節(jié)太陽能電池板、鋰電池和傳感器之間的功率和電壓關(guān)系，以滿足傳感器對(duì)輸入功率的需求。

２．４．４ ＡＰＰ程序部分

接收到來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)后，將其進(jìn)行處理，并與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，最終做出相應(yīng)的動(dòng)作。例如，對(duì)于老人而言，可以將其信息及時(shí)通知家人或護(hù)士，以便進(jìn)行快速處理。

選取的ＡＰＰ軟件是ＭＩＴ ＡＰＰ ｉｎｖｅｎｔｏｒ。這款編程軟件專為沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)編程知識(shí)的人員設(shè)計(jì)，用戶在編程過程中無需專業(yè)研發(fā)人員的幫助，非常適合中學(xué)生在項(xiàng)目式課堂中使用。該軟件預(yù)先編寫了所有代碼，用戶只需添加服務(wù)選項(xiàng)，按需選擇即可。這意味著學(xué)生只需根據(jù)需求拼湊代碼。

２．５  成果測(cè)試

對(duì)于老人，主要測(cè)試其背部的溫濕度，以監(jiān)測(cè)身體狀況并提醒調(diào)整衣物。對(duì)于嬰兒的尿不濕，同樣可以通過控制溫濕度進(jìn)行檢測(cè)。由于模塊小巧、易于裝卸，既可用于失能老人，也可用于嬰兒尿不濕，體現(xiàn)了作品的多樣性。

在手機(jī)ＡＰＰ上，溫度和濕度分別設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)值，并對(duì)這兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終確定的臨界值為溫度３３ ℃和濕度６８％，如圖７（ａ）所示。當(dāng)溫度未超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，界面將顯示當(dāng)前的溫濕度值；當(dāng)溫度超過３３ ℃時(shí)，手機(jī)將震動(dòng)并顯示當(dāng)前溫度，提示減少衣物，如圖７（ｂ）所示；當(dāng)濕度超過６８％時(shí)，手機(jī)同樣會(huì)震動(dòng)，顯示異常，提醒更換衣物，如圖７（ｃ）所示。

手機(jī)ＡＰＰ 使用說明：

ＳＴＥＰ１：打開手機(jī)ＡＰＰ。

ＳＴＥＰ２：點(diǎn)擊按鈕“已搜索到的藍(lán)牙”，選擇設(shè)備對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙進(jìn)行連接。

ＳＴＥＰ３：選擇連接對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙后，將返回主界面。藍(lán)牙配對(duì)連接成功后，中間的“ｃｈｅｃｋ”按鈕前將出現(xiàn)一個(gè)綠色的勾，并顯示當(dāng)前的溫度和濕度，如圖8所示。

ＳＴＥＰ４：需要斷開藍(lán)牙時(shí)，點(diǎn)擊按鈕“ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ”，關(guān)閉ＡＰＰ。

３ 結(jié) 論

通過本節(jié)案例可以看出，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在中學(xué)物理中的應(yīng)用對(duì)教師確實(shí)具有一定的挑戰(zhàn)。教師需要對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合，通常還需結(jié)合其他學(xué)科的知識(shí)，然后再通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)踐。該案例的籌備時(shí)間為一整周，對(duì)于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)而言，這仍然較短。學(xué)生在開始時(shí)甚至不習(xí)慣與他人合作。在整個(gè)過程中，會(huì)不斷出現(xiàn)各種問題，學(xué)生會(huì)自發(fā)思考解決方法。然而，通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)證明了其能夠有效推進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。結(jié)果表明，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式比合作學(xué)習(xí)模式更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

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（欄目編輯 賈偉堯）

收稿日期：2024-04-02

基金項(xiàng)目：重慶市教育科學(xué)規(guī)劃一般課題“新課標(biāo)下高中物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的實(shí)踐探究”（K22YG141661）。

作者簡介：羅國（1972-），男，中學(xué)高級(jí)教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)以及區(qū)教育局行政管理工作。