基于真实问题情境的项目式教学改进的探究

【专家介绍】

刘林（1970-），女，正高级教师，山东省特级教师，山东省教学能手，青岛市教育科学研究院高中物理教研员，教育部基础教育课程教材发展中心、课程教材研究所普通高中物理学科青岛教研基地常务负责人，中国教育学会物理教学专业委员会理事，主要从事中学物理教学论和高考评价研究。

摘   要：新时代的育人方式倡导基于情境和问题导向的体验式、互动式、探究式、启发式的课堂教学组织形式，注重项目式等学科内综合或跨学科综合的教学，倡导充分开展的探究性实验和验证性实验教学[1]。文章阐述以小组合作方式解决真实问题的项目式教学，主张教师依據高中物理课程标准和配套教材选择项目内容，学生自主设计项目方案、课下制作项目装置、课上交流项目成果等教学环节。通过教学实践，发现该项目的实施不仅能提高学生学习物理的兴趣，而且能够有效培养学生思维能力和应用物理知识解决真实问题的能力，促进学科核心素养的达成。

关键词：项目式教学;真实情境;核心素养;教学改进

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2022）2-0001-5

项目式教学即基于项目的学习（Project-Based-Learning），简称PBL，是一种建构主义理念下以学生为中心的教学方式，即学生通过一定时长的小组合作方式，解决一个真实世界中复杂的、具有挑战性的问题;或完成一项源自真实世界经验且需要深度思考的任务，进而逐步习得包括知识、可迁移技能、高阶思维能力、关键品格等在内的21世纪核心素养[2]。

在《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课程标准”）核心素养理念的指导下，本文基于“设计显示加速度大小的装置”案例，说明如何设计项目式教学活动，以探讨提升学生的知识、能力和素养的教学改进策略。

1    项目内容的选择

根据杜威的学生克伯屈在1918年对“项目式教学”的系统、完整的论述可知，“项目”是“在社会环境中发自内心地进行有目的的活动或活动单元”，是为了实现学生能够自主学习的教学活动，激发学生内部学习动机是项目式教学的重要特征。所以，项目内容主要应包括以下几个方面：项目必须是一个要解决的实际问题;必须是一系列有意义的单元活动;必须由学生亲自编制计划和实施项目;需要包括一项有始有终的活动。

如何选择项目内容？这是决定项目式教学能否达到教学目的的关键。从学生生活中的真实情境出发，提出项目任务活动，让学生知道研究这个项目具有真实的重要的意义，激发学习热情。项目内容的选择应力求呈现真情境，设计真问题，使问题真正得到解决。

相对初中物理来说，高中物理在逻辑思维、理论分析、数学运算、定量要求以及物理概念的严密性和实验的复杂性等若干方面都有了较高的要求。“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将加速度及相关内容安排在必修第一册的第一章，这是学生第一次接触物理学中抽象的“变化率”的含义，是重点，也是难点，对于学生学习高中物理来说至关重要。本文选取了“设计显示加速度大小的装置”作为项目内容，让学生深刻体会应用加速度这一概念解释生活中的真实问题情境，提高学生应用物理知识解决实际问题的能力。

2    项目问题和任务的设计

项目式教学的问题设计或者任务设计是决定教学过程成败的关键。问题或者任务的选取，要基于物理情境，能够激励学生主动参与课堂教学的全过程，能够激发学生的学习兴趣，能够调动学生的深度思维。当然，并非所有的物理课程内容都适合于项目式教学的组织形式，一般来说，可以根据课程标准、教材、生活实践类问题情境等确定项目问题和任务。下面以“设计显示加速度大小的装置”为例，说明选择项目问题和任务的一般途径：

2.1    从课程标准中寻找项目问题和任务

课程标准对必修1的“相互作用与运动定律”主题给出了内容要求，指出：“通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系。理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。通过实验，认识超重和失重现象。”[3]在活动建议中给出：“通过各种活动，例如乘坐电梯、到游乐场参与有关游乐活动等，体验超重与失重。”[3]从课程标准的表述中可以启发学生研究沿竖直方向运行的电梯的加速度情况。

2.2    根据教学内容，结合教材寻找项目问题和任务

教材是课程实施的重要载体，也是项目式教学问题和任务选择的直接来源。2019年人教版普通高中教科书物理必修第一册第四章结尾部分“复习与提高 B组”习题5表述为：“某人想测量地铁启动过程中的加速度，他把一根细绳的下端绑着一支圆珠笔，细绳的上端用电工胶布临时固定在地铁的竖直扶手上。在地铁起动后的某段加速过程中，细绳偏离了竖直方向，他用手机拍摄了当时情景的照片（图1），拍摄方向跟地铁前进方向垂直。根据这张照片估算此时地铁的加速度是多少？加速度方向指向照片的哪个方向？请写明测量步骤、数据、计算过程和结果。”[4]这样的内容可以启发学生研究地铁或高铁等交通工具在水平方向上的加速度情况。

2.3    从生活实践类问题情境中寻找项目问题和任务

从日常生活中寻找有加速度的真实情境比较容易。《中国高考评价体系》从三个方面对生活实践问题情境进行界定：一是与大自然中物理相关的现象，二是与生产生活紧密联系的物理问题，三是科技前沿[5]。比如，2019年人教版普通高中教科书物理必修第一册第四章第6节“超重和失重”，在本节教材最后给出：“超重和失重现象在实际中还有许多，请你通过读书、上网、请教专业人员等多种途径进一步学习和了解。”[4]引导学生从网络中查询，发现有如下关于加速度的情境：生活中的桥大多建成“凸”的形状，这样汽车经过桥面时，合力指向桥下，汽车与桥面之间的弹力小于汽车的重力，减小了汽车对桥面的压力大小，可以有效地保护桥梁;桥洞下的公路（像U型的路）最低处的路面损毁相对严重，主要是因为车辆在最低处的超重现象引起的;坐飞机，在起飞或者降落过程中，乘客处于超重或失重状态;参与过山车、蹦极娱乐类项目时的超重或失重现象;高楼大厦中的电梯、高速行驶的列车、地铁等，都能寻找到研究物体加速度情况的问题和任务。

以上列举了3种设计项目问题和任务的参考途径。不管是哪种途径，都是要选取贴近学生、贴近生活、贴近社会的真实问题情境作为项目问题和任务，这样既能够激发学生的学习兴趣，又能够有效地考查学生是否具备根据复杂情境构建物理模型的能力和素养，并能运用物理模型解决实际问题。

3    项目的实施过程

3.1    项目内容的设计

本项目以“设计显示加速度大小的装置”为内容，学生自主设计并动手制作测量物体运动加速度大小的装置，深度参与学习过程，体验科学探究之路。从日常生活中的超重和失重现象，引导学生关注我国航天技术的发展，激发家国情怀，体现学科的德育育人价值。

3.2    项目组织的形式

以小组合作的方式分别在课下和课上开展，课下以项目设计的方案和项目成果的制作为主，课上以展示成果、交流汇报为主。项目学习小组的分组方式按照组间同质、组内异质的大原则，尊重学生小组组合的意愿，使人员搭配合理，能够顺利完成项目式学习过程。

3.3    项目的设计与实施过程

第一步，项目情境引入过程。可以设计多个实验，激发学生的探究兴趣，此处列举两例。

情境1：

在饮料瓶侧壁上打一个小孔，装满水，水将从小孔处喷出。如果从高处释放饮料瓶，可以观察到：水不从小孔喷出了。由于饮料瓶被举起的高度有限，下落速度较快，时间较短，肉眼难以捕捉到水不喷出的短暂过程，这时用手机“慢动作”摄影功能能够清晰地呈现出水不喷出的过程。

情境2：

学生站在体重计上向下蹲（图2），通过手机和大屏幕同屏的方式，全体学生可以观察到：在学生下蹲的过程中，体重计的示数先变小，后变大，再变小。当学生静止站立在体重计上时，示数保持不变。

设计意图：超重和失重现象在生活中比较常见，但是学生却不一定能从物理学的视角观察现象，进而作出解释，尤其是情境2中体重计示数变化的原因分析。可引导学生作出定量分析，学会建构超重和失重的物理模型，并应用模型解释生活中的超重和失重现象。

第二步，根据学生对项目问题和任务设计的讨论，各项目小组总结出几种设计方案，分别是：

小组1：竖直方向上测量加速度。学生设计的方案是在学校教学楼的电梯中研究超重和失重现象，并制作测量加速度大小的装置。

项目原理：读取不同状态下体重计的示数，根据牛顿第二定律计算得出电梯的加速度大小。

项目方案：

（1）学生站在体重计上，电梯停在1层时，读取示数，记为G（G=mg）。

（2）按电梯楼层按钮到6层，记录上升过程中体重计的示数，先变大，記为G1;再不变，记为G;再变小，记为G2;最后电梯停在6层，记为G。

（3）根据牛顿第二定律，得出：向上加速时，电梯的加速度a1=，方向向上;向上减速时，电梯的加速度a2=，方向向下。

（4）按电梯楼层按钮到1层，记录下降过程中体重计的示数，先变小，记为G3;再不变，记为G;再变大，记为G4;最后电梯停在1层，记为G。

（5）根据牛顿第二定律，得出：向下加速时，电梯的加速度a3=，方向向下;向下减速时，电梯的加速度a4=，方向向上。

（6）据此，可在体重计示数Gn（n取1，2，3…）刻度处替换上对应的加速度值，这样就将体重计改装成一个显示竖直方向上加速度大小的装置。学生经分析得出：加速度方向向上时，为超重现象;加速度方向向下时，为失重现象。

设计意图：物体在竖直方向上的加速度比较常见，易于理解，易于测量。学生经历项目问题和任务后，知道如何通过改换示数盘的方式将其改装为显示另一个物理量大小的方法，为后续学习电流表和电压表的改装打下基础，那时学生必然会顺利迁移该方法。让学生在做项目的过程中完成物理学科核心知识的学习，激发学生学习物理的内驱力，课堂上学生之间的思维碰撞有利于促进他们的思维发展，促进学科核心素养的达成。

小组2：水平方向上测量加速度。表现出学生思维的发散性，寻找到多种有加速度的真实生活情境。比如，测量地铁或高铁启动时的加速度，安检传送带上拉杆箱的加速度等。

项目原理：读取不同状态下细绳偏离竖直线的夹角大小，根据牛顿第二定律计算得出地铁或高铁启动时的加速度大小。

项目方案：

（1）在地铁或高铁上，用轻质细绳将小球拴接在扶手上（图1），小球可以自由摆动。

（2）当地铁或高铁启动时，用手机“慢动作”功能拍摄小球和轻质细绳摆起的过程。

（3）回放录像，选择小球摆起路径上合适的一点作为测量参考点，地铁扶手相当于竖直线，得到细绳偏离竖直线的角度，记为θ。

（4）根据a=gtanθ得到地铁或高铁启动过程的加速度。因此，只要能够测得轻绳摆起后偏离竖直线的角度θ，就可以知道地铁或高铁的加速度。

（5）据此，可在轻绳与竖直方向间的每个偏角θ处替换上对应的加速度值，这就做成一个能够“显示”水平方向运动物体加速度大小的装置。

设计意图：地铁和高铁都是新时代生活中常见的交通工具，通过项目的设计和实施，让学生感受我国高铁事业的飞速发展，了解我国科技进步的现状，立志为国发奋读书，激发民族自豪感。

小组3：使用手机APP软件测量加速度，体现物理实验与信息技术的融合[6]。

项目原理：利用phyphox软件采集数据，实时记录电梯升降过程中高度、速度、加速度的变化，引导学生构建竖直方向上的变速运动模型，并利用实验数据探究运动规律，建立超重和失重概念，分析其动力学原因。

项目方案：

（1）打开phyphox软件APP（图3左）。点击“电梯”程序，出现数据显示界面（图3中）。点击开始“△”按钮，软件将自动记录电梯运动过程中高度、垂直速度以及Z轴加速度3个物理量随时间的变化关系。

（2）将研究对象放在电子秤上，观察电子秤示数的变化情况。在电梯启动、上升、静止、下降、制动，直至静止的过程中，手机phyphox软件上会呈现测量图线（图3右）。

设计意图：数字化实验技术的改进，可以便捷得到实验证据，提高实验教学的效率。手机的普及，使得很多中学物理实验的途径、方式发生了巨大变化，为利用数字化手段改进物理实验教学提供了便利。

3.4    项目的交流与展示过程

各项目小组展示测量加速度大小装置的设计思路、制作过程，并介绍本组制作的装置。教师指导学生课前完成PPT展示稿，课堂展示时可图文并茂，提高效率。

4    项目的评价

4.1    学生的互评

一个项目组在交流和展示的过程中，其他项目组负责点评。点评包含：项目所涉及到的知识掌握情况，装置设计和制作情况等。学生在设计项目方案时，明确物体产生加速度的原理，能熟练应用牛顿第二定律得到竖直、水平方向上的加速度大小，也能学习应用数字化实验技术手段研究物理现象，对学生形成运动观念、构建物理模型、培养科学证据意识等均具有良好的作用。通过项目小组合作的学习方式，培养学生的团队合作意识和能力。

4.2    教师的评价

教师选取项目的过程是建立在充分学习研究课程标准和配套教材的基础上，从激发学生学习物理的兴趣出发，设计项目方案和实施过程，充分调动全体学生的积极性。项目设计的过程融合了大单元教学设计的理念，能够提高教师的课程意识，提高结构化学科大概念的课堂教学设计能力。

5    对项目式教学的反思

项目式教学是一种问题解决式的学习模式，让学生经历探究和制作的过程，学习成果偏重于设计方案、实际作品的形式。根据物理学科特点，教师需要依据课程标准设计教学目标，创设物理情境，融合信息技术，组织学生活动，完成科学探究过程、实物制作、项目报告、小论文等[7]。对项目式教学有3个问题需要进一步思考，分列如下：

第一，项目活动的实施会占用较长的课堂时间，这是项目式教学的难点;而且高中学校大多是寄宿制学校，课下操作的时间、空间等受到限制，这是项目式教学组织过程中的堵点。为解决时间投入与教学效益的矛盾，可以根据项目实际情况，设计为大项目、小项目、微项目等，再结合学校的管理现状选取适合的项目内容组织教学。

第二，项目式教学的设计可能会涉及到多个学科领域，对于教师来说是一种挑战，建议以分学科的项目内容为基础，逐步渗透到跨学科的项目内容，同时需要教师尽可能地拓宽知识面，多从学生层面挖掘项目的设计与实施方案。

第三，对项目的评价标准存在不够科学的问题。可以根据不同的项目内容，设计不同的评价标准。比如，有的偏重于项目方案的设计，有的偏重于项目装置的制作，有的偏重于思维深度等。根据学生的学习能力、年龄特点的发展情况，从增值性发展方面作出合理的评价。

参考文献：

[1]国务院办公厅.关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见[EB/OL].（2019-06-19）.http：//www.gov.cn/

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

[2]王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2018：1.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[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，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第一册[M].北京：人民教育出版社，2019.

[5]程力，李勇.基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径[J].中国考试，2019（12）：38-44.

[6]刘林.中学物理数字化实验常用手段与策略[J].中小学数字化教学，2020（11）：14-17.

[7]刘林，宋树杰.课程标准与教材修订（十）——修订版教材选择性必修（第二册）教材分析与教学建议[J].物理教学探讨，2020，38（10）：1-5+24.

（栏目编辑    廖伯琴）