项目式教学视角下的跨学科实践教学设计——以初中物理光学单元为例

许瀚匀 吴锡理 姚建欣

(1. 浙江师范大学教师教育学院,浙江 金华 321004; 2. 北京师范大学物理学系,北京 100875; 3. 温州市鹿城区教育研究院,浙江 温州 325000)

为了落实核心素养培养要求,2022年义务教育物理课程标准增设了“跨学科实践”,要求选取与日常生活、工程实践及社会热点关联紧密的育人情境和系列问题,提升课程教学的综合性和实践性.[1]项目式教学通过完成科技探索类的项目来组织教学,能有效促进学生核心概念的理解和关键能力发展,[2]是课程标准所倡导的教学方式之一.即以项目任务创设教学情境,以真实问题驱动教学任务,在参与项目探索的过程中发展核心素养.本文选择课程标准中一级主题“运动和相互作用”下的二级主题“声和光”的光学部分,在参考国内外教材、教学设计的基础上,经过多轮实践探索,开发了初中物理光学跨学科实践教学“制作校园logo投影灯”.教学设计立足物理学科核心内容,同时融入“结构与功能”等工程技术思维方式.期望以此对以物理学科为主体的跨学科实践教学进行探索.

项目式教学设计的基本模式为根据课程标准和学情分析确立教学目标,以驱动问题为线索组织课程内容,形成连贯教学序列,结合学习评价反馈结果调整教学内容和策略,达到核心概念和关键能力共同进阶.以下按 “教学目标”“驱动问题”“教学序列”“学习评价”等要素展现设计过程.

1 确定教学目标

通过分析课程标准内容要求和学业质量要求,明确学生在光学单元应知道光的直线传播、反射、折射和色散等现象及原理,探究光的反射、平面镜成像和凸透镜成像规律,能够应用光线模型、平面镜成像规律、凸透镜成像规律分析解释现象,解决简单问题.

除了以课程标准要求为目标之外,还需对学生的学习起点进行分析.学习起点重点对学生已有知识、能力水平作出诊断,即学情分析.在小学阶段,学生通过观察、实验活动和日常经验对光学概念有了碎片化的认知.对尚未系统学习光学知识的学生进行调查发现大部分学生对光学概念的认知依赖于日常经验,没有概括形成规范的科学术语,一般是碎片化的;少部分学生能进行简单归纳推理,建立简单的光线模型.[3]根据课程标准和学习起点的分析,按物理学科核心素养维度对光学单元提出下述教学目标(如表1).

2 设定驱动问题

驱动性问题是在项目式教学中事先设计好的问题,由教师和学生共同设计、探究和回答.驱动问题是项目式教学的核心组织特征.[4]其为学生的学习提供有意义、有价值的真实问题情境,建立项目式教学与学生生活的联系,从而激发学生好奇心,引发学生持续的思考和探究,并引领和串连不同阶段的教学活动.遴选驱动问题,需考虑课程标准的学业要求和学生生活中的真实问题,从学科观念的视角审视课程内容的结构安排,分析核心知识内容和能力培养要求.好的驱动性问题一般具备以下特征:激发好奇心、可行性强、学习价值高、情境化、可持续性、符合科学伦理规范.光学单元的驱动问题可以设置为“如何设计并制作logo投影灯”“眼见是否为实”等.本单元以“如何设计并制作logo投影灯”为项目驱动问题,表2以此为例对驱动性问题的特征进行解读.

表2 驱动性问题的特征

3 安排教学序列

为实现单元教学目标,需设计完成教学目标和解决真实问题的一系列关键节点和可能路径.在光学单元教学设计中,项目以核心概念的构建为主线,关键能力的培养为暗线串联教学序列.表3设计了学生在学习光学单元过程中的关键节点和可能路径.为回答驱动问题,学生需要观察、使用和拆解儿童logo投影灯,探索其结构和功能,激发对投影灯原理的探究兴趣,进一步产生与驱动问题相联系的系列新问题.通过设计与教学目标和驱动问题保持一致的光学单元关键活动,学生能尽可能回答自己提出的问题,以此逐步完成投影灯的设计与制作.

表3 光学单元任务序列

该路径中,学生的科学概念将经历“光的直线传播→光的反射→光的折射→光的色散→凹凸透镜识别→凸透镜成像原理”的发展过程,促成学生对光学概念的理解.整个单元中,光线模型将持续发展,并不断被应用于解释、推理、预测物理现象.学生的建模能力将经历“构建光线模型→修正、应用视物模型→建构和应用光与物体相互作用的模型→构建光的颜色模型→修正、构建和使用复色光光线模型→构建、应用凸透镜的光线模型”的发展过程.学生将在已有概念、能力的基础上,沿核心概念和关键能力发展路径依次经历系列学习活动,逐步达成知识的整合理解和能力的发展.[5]

4 课时教学案例

以“任务导入”课时为例,介绍如何为学生创设教学氛围,激发积极思维,促进学生自主学习和合作学习.

4.1 氛围拉动:创设适宜教学情境

在课程伊始,教师先介绍生活中的投影灯,在表达自己对该类光学产品赞赏的同时,要求学生尝试观察、使用、拆解儿童logo投影灯(如图1).学生观察投影灯发现其具备3个功能按钮/旋钮:开关、投影灯片旋钮、调焦旋钮.学生将产生一定的疑惑:这些按钮/旋钮会对应什么功能?

图1 儿童logo投影灯的结构与功能

使用投影灯时,学生就能解决在观察过程中的疑问.开关、投影灯片旋钮、调焦旋钮的结构分别对应控制光源、切换投影和调整投影清晰度的功能.进而提出进一步的问题:这些按钮/旋钮为什么会有此对应功能?其中蕴藏着什么物理原理?同时学生也会遇到一系列问题,部分问题通过实践探索可以即刻解决.如投影图像不清晰,为调节清晰度,学生或调节调焦旋钮,或改变投影灯与投影幕布之间的距离.仍有部分问题需要通过后续课程学习或自主学习来解决.例如在调节清晰度时,调焦旋钮的转动方向、角度和移动距离的方向、大小都会随具体情况变化;又如移动距离后,虽然投影清晰,但图像的大小、亮度都会因此改变.以上情境都能调动学生持续思考:调焦旋钮、移动距离的变化到底有什么规律呢?如何在有尺寸要求的情况下投影出更亮且清晰的图像?或如何在亮度固定的情况下投出尺寸更大且清晰的图像?

最后借助拆解投影灯、观察其内部结构的活动,学生将会产生更多的疑问.例如“(a) 灯泡发出的光颜色是白色的,为什么投影的颜色是多彩的?(b) 灯片的材料是什么,为什么光能从这儿穿过?(c) 投影灯中的透镜和放大镜有点相似,在投影过程中到底有什么作用呢?”等.

4.2 问题驱动:拆解系列驱动问题

以投影灯结构与功能的真实情境为课程切入点,激发了学生的好奇心,营造适宜教学氛围,驱动学生逐步产生清晰且具象的疑惑,为学生提供了生成子问题的机会.此时教师即可抛出驱动问题“如何设计和制作logo投影灯?”引发进一步的思考,示意学生围绕光学单元需要学习的核心知识与生活经验、活动发现建立联系,帮助学生提出、整理、完善、精炼有价值和实际意义的系列问题.引导学生从如何设计能达到适宜投影效果的角度对系列问题进行归类、聚焦、评价,通过多轮讨论形成单元学习的子问题“(a) 我们为什么能看到物体?(b) 如果物体被挡住还能看到物体吗?(c) 为什么投影灯能投影出多彩的图像?(d) 能否投影出尺寸合适且大小清晰的像?”.

4.3 协作促动:设计连贯任务序列

教师沿学生认知发展路径,对归类好的子问题进行排序调整,引导学生小组内部合作结合投影灯功能制作规划本次项目的初始任务单.各小组汇报初始任务单,再经由组间讨论、教师完善形成与子问题相关联的、促进概念学习和能力发展的系列任务.在整个单元教学过程中,学生仍可以继续在子问题下添加与其相关的新问题.[6]教师亦需以子问题和教学目标为依据,对光学单元活动进行适当增减和调整顺序,帮助学生回答尽可能多的问题.如图2所示,问题和任务与投影灯的结构与功能相关.课程从驱动问题出发,通过探讨、回答4个子问题集以支持解决驱动问题.

图2 师生讨论生成任务序列

4.4 规范推动:制作明确验收标准

为回应驱动问题,学生要明确项目最终需要达到的成果,即制作一个实物作品——直径达1.2 m的投影灯.在此过程中,教师需要鼓励学生制订目标,即让学生结合课程目标和实际需求,分析投影灯需要测评的内容、维度.再通过组间讨论交流和后续课程的学习,不断迭代改进评价量表,制订明确且适宜的验收标准以监控学习成果.

5 设计学习评价

学习评价应侧重形成性评价,在单元学习前、单元学习中、单元学习后,以多种形式贯穿整个单元.[7]单元学习前可通过前测、访谈等方式了解学情,作为教学设计的依据.根据本单元内容,前测可命制选择题、填空题、作图题和简答题.选择题便于通过选项迅速判断学生的原有认识;简答题能给予学生更多的展示自己思维的空间,从而能获取更多的学生信息.单元学习中通过课堂活动表现评价(师生对话、课堂观察、活动中学生的表现成果、学生团队合作情况)和课时作业多种方式针对性地评价诊断学生的学习状态.单元学习后可通过单元后测、个别辅导等方式对核心素养的教学目标达成情况进行诊断.通过后测和个别辅导诊断学生的核心知识、关键能力、态度责任的现况,作为下一单元教学设计的依据.

学习评价的设计需要依据教学目标,结合学习任务呈现评价内容、评价指标、评价方法.如表4呈现了依据学习表现设计的光学单元“制作logo投影灯”任务1评价方案.以课堂评价为基础,教师对课堂教学内容、策略、进度等方面进行调节和设计课后作业.

表4 光学单元“制作校园logo投影灯”任务1评价方案

6 学生成果展示

本单元教学设计在一线教学中进行了研讨应用,获得了一定的教学成果.在“成果展示”环节,学生分组汇报了实物作品的制作材料、选材原因和设计思路(如图3).从作品选材和设计思路均可看出,学生对光学单元的学科核心概念、跨学科概念的理解.

图3 学生设计思路图

同时分享了在设计过程中遇到的困难以及解决的方案,演示了实物作品(如图4)并对作品进行了自评.从学生成果可以看出,学生能应用科学工程实践知识完成作品,并根据评价量表优化成果.在本节课的组间交流、师生互动活动可以看出,光学单元教学培育和发展了学生的合作探究素养、质疑创新品格、可持续发展理念.大部分学生能做到有根据地提出、吸纳建议,并表现出更愿意去参与团队合作的倾向.

图4 部分实物作品及演示结果图