运用项目化学习提升物理科学思维能力的教学策略——以“光电效应”为例

大庆市第二十三中学 周 娜

科学思维是用科学视角认识客观事物本质属性、内在规律及相互关系，是将科学思维方法，比如分析综合、抽象概括、推理论证等的内化，是基于事实证据和科学推理对已有观点或结论进行质疑、批判，并提出创造性见解的能力与品质，其要素主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等。

项目化学习中教师要引导学生将项目转化成真实情境中的物理问题，使用高阶认知策略对问题进行综合分析与推理，将物理问题转化为物理模型并进行解决，学生将已有信息作为证据支持自己得到的结论，从而有效提升学生的科学思维。 以人教版选择性必修三“光电效应”为例，以提升物理科学思维为目的，可以从以下几个环节进行项目化设计。

一、驱动问题明定位

驱动问题的设计原则：一是趣味性本质问题，物理学科本质问题抽象难懂， 增加趣味性可以激发学生学习主动性；二是开放性高阶问题，贴合学生现有思维水平，让学生进行自主设计并解决问题；三是真实性情境问题，将学生与本质问题联系起来， 比如通过角色扮演学习该角色所需的思维与方法， 设计一个与现实生活和科技生产密切相关的装置或进行科学大揭秘等活动， 激发学生的创新思维[1]。

（一）项目分析

项目内容包括探究教材中的光电效应实验规律，解释光电效应规律时遇到的疑难，爱因斯坦基于普朗克的量子观点提出了光量子假说，推导出光电效应方程并成功解释光电效应。 常规教学中用习题练习巩固，讲解更多于自主探究，项目的设定促使学生通过主动思考光电效应的具体原理来解决难题，从被动低阶学习转变为主动高阶学习。

（二）项目路径

课题组提出了以提升物理科学思维为目的的项目化学习路径（见图1）。

图1 基于物理科学思维的项目化学习路径

（三）项目引入

教师首先播放视频：盗贼进入安装光电自动报警系统的房间后警铃响起；扫描仪利用光电倍增管实现图像信息的数字输入过程；夜视仪荧光屏成像等光电效应的应用场景。其次引导学生思考这些科技的原理，从而引入主题，激发学生探索欲。最后提出驱动问题：学校举办节能活动，任务是为教学楼一楼大厅制作一种根据空间亮度自动控制的开关，要求在明亮的自然光照下关灯，晚上或阴天要一直开灯，请进行设计并讲解原理。

二、教学评价定标准

（一）教学目标

为了让学生理解和掌握核心概念和关键能力，要将驱动问题进行分解，项目包括光电效应的发现﹑光电效应的原理﹑设计电路和实践修正并展示成果四个分任务，并设计学生的主要学习活动。 依据课程目标、学业质量水平和物理学科核心素养等，明确教学目标，即学生在每一个子任务中的素养目标，使核心素养可视化、可评价（见表1）。

表1 光电效应原理任务的学习活动与素养目标对照表

（二）教学评价

评价有多种形式，教师可以参照素养目标，设计出相应的评价量规，也可以依据师生对话和课堂观察，进行过程性评价； 总结性评价要通过检测习题和项目成果进行，能有效促进学生学习目标的达成； 学生参与自评和互评，从不同视角了解学生实际学习的达成情况，对小组任务的理解和投入程度等，进而有针对性地修改指导策略，引发学生反思和修正，促进学生更深层次的探索与创新[2]。

三、链式问题指方向

（一）探究指导问题

实验研究光电效应过程中，大多数学生不能理清实验探究目的， 通过浅层实验现象不能直观分析实验规律，并推理实验深度原理。 此时教师需设置指导问题，帮助学生梳理思路[3]。教师要根据学生的学情，设置能够推进学生思考的问题链，例如学习饱和电流时，引导学生研究增大光电流的方法，从而引出电场；学生探究电场对光电流的影响时发现新现象，触发问题“为什么光电流增到一个定值后不再变化？”推动学生学习进程的深入；教师在实验过程中布置新的探究问题“入射光频率不变，改变光强，在增大电压时，光电流会怎样变化？ ”帮助学生发展科学思维，通过辩证思考﹑实验验证分析实验现象的深层原理，最终得出结论。

（二）思维定向问题

依据教学目标分解驱动问题，使每个分任务指向需要解决的问题及要培养的科学思维。在学习爱因斯坦的光电效应方程时，由学生分组共同探讨二级问题：如何根据爱因斯坦光量子假说得出爱因斯坦光电效应方程？阐述各物理量的意义、单位。 怎么运用爱因斯坦光电效应方程解释光电效应？ 结合图像分析爱因斯坦光电效应方程。

这个学习过程是项目化学习中的高阶学习，可以培养学生模型建构﹑质疑创新和科学推理的能力，促进学生得出清晰的项目路径，还可以通过对指向科学思维的问题链的研究，让学生主动参与思考，了解如何进行严谨的科学研究，并掌控研究的方向，从而促进学生科学思维的提升。

（三）方法引导问题

验证爱因斯坦的光电效应理论， 需要测量普朗克常数， 这部分内容可培养学生的科学推理和转换思维能力。教师需要利用链式问题引导学生思考测量哪些物理量可以求解普朗克常量？ 如何测量这些数据？ 学生根据爱因斯坦光电效应方程，能看出来要测量光的频率ν、光子的初动能Ek和逸出功W0， 想到双缝干涉实验可以测得光的波长，就可推得光的频率，并意识到光子的初动能Ek和逸出功W0不能用现有方法直接测出。这时再引出转换思维法，让学生主动转换研究思路，实验中，反向电压使电子减速向阳极运动，电流刚减为零，即逸出的电子刚好没能到达阳极，这个过程中，电子初动能Ek等于克服电场力做的功eU，此时的反向电压即遏止电压Uc，这样就可以将测量初动能转换为测量遏止电压。教师再指导学生运用公式或图像得出普朗克常量。学生利用爱因斯坦光电效应方程推导出入射光的频率和遏止电压的线性方程，普朗克常数即为斜率与电子电荷量e 的乘积。

这个过程培养学生的转换思维，教师创设问题引导学生思考实验缺陷，引导学生思考如何避开最大初动能和逸出功或截止频率的测量与计算，进而转换成测量不同频率下的遏止电压，拟合出线性方程，再利用斜率计算普朗克常数，提升学生物理科学思维。

四、学习支架促思维

在项目化学习中， 教师的主要任务是推动和帮助学生有效完成任务，体现在给学生提供学习支架，指引学生学习。除了相关实验器材，还要提供策略型学习支架，即提供有效的解决问题的方法或途径以帮助学生完成学习任务，学生学会科学方法后，通过推理分析建立模型，论证得到结论。

（一）分析工具

图像能够直观展现物理量之间的关联，是高中物理学习的重要研究方法，也是科学思维培养的重要工具，针对图像设置问题，可有效突破重难点。

光电效应规律中关于光电流与电压关系的研究，学生得到测量数据，记录表格，教师给出学习支架I-U 图像，引导学生将测量数据转变成图像，结合链式问题，给学生图像分析指明思考方向：图像中什么表示遏制电压？ 黄色强光与黄色弱光的图线交于一点，说明什么？ 黄光与蓝光的遏制电压不同说明什么？ 光电子初速度不一样，那么光电子的初动能与入射光的频率和光强是否有关？学生将获取的实验数据转换成图像， 在教师设置的问题链的引导下，结合图像与物理过程，自主分析物理量关系，得出规律或结论，锻炼学生的分析图像信息能力与知识迁移能力。

（二）创新引导

设计实验是物理教学中培养创新思维的重要方法，利用已学知识制作原型是用理论解决实际问题的过程，也是培养学生知识迁移能力的过程。 创新设计应用设计“决策五边形”工具，并结合头脑风暴可以有效促进学生产生创意想法[4]。

“决策五边形”是一种进行决策时用到的方法，可以为学生提供思考方向。 其中概念维度，学生需要思考产品要解决什么问题、用于什么场所、现有产品与要求有什么不同等；技术维度，学生要考虑产品的工作原理；结构维度，学生应探究产品的各部分怎样组合在一起。

头脑风暴可以贯穿整个项目，帮助学生养成创造性思考的习惯。学生可以选择感兴趣的内容，分成4 个小组。小组研究内容包括器材的选取，光的明暗程度对开关影响的研究，自动控制开关的触发方式的设计，电路各部分的组装。 教师给学生第一个5 分钟思考时间，每人都要记录观察的现象，如一组学生记录“某光电管效果不明显，电流很小”；第二个5 分钟，学生思考是否可以更有创意或优化这项内容，同学依次传递记录表，如后一位同学受到前面同学记录内容的启发，思考后得出“该光电管对项目不适用，需要调整相关参数，需要放大器或调整电路等”；第三个5分钟，结合前面的记录，学生联系本节课学习内容，知道光电管金属材质不同，逸出功不同，则在光照情况相同的情况下，最大初动能不同，即影响光电流，因此可更换逸出功小一些的金属做光电管的阴极，但截止频率过低，很暗的环境也会有电流，不符合项目要求，如果电流还是不大，可以加正向电场增大电流，或是使用放大器。

总之，项目化学习是在常规课堂的基础上将教学过程项目化的一种学习方式，学生要制作完成感兴趣的项目任务， 相比常规课堂有更多的自主学习和动手探究的过程。教师需要注意根据学生的学习能力，适当调整项目要求的难度。太简单学生不需要思考，太难会使学生有挫败感，不能促进学生思维能力的提升，如果课时安排足够，也可以扩展学习自动控制方法， 内光电效应原理与应用等内容。学生在项目中切实体验科学家的探究历程，项目化学习的开放性让学生能够打开思路，从不同角度思考问题，进行思维碰撞，追求科技创新，从而有效提升学生的物理科学思维能力。