高中項目式學習在“傳感器的物理學探究”中的教學實踐

姜爽

傳感器擔負著信息的采集任務，它能夠將“感受”到的力、熱、電、光、聲等物理量，以數(shù)字的形式直觀地表示出來，在物理學探究中發(fā)揮著重要作用。例如，將力信號轉換為電信號的力學傳感器，常應用在牛頓運動定律等高中力學實驗中。此外，光電傳感器、熱學傳感器、聲學傳感器等在物理學實驗與應用中同樣也發(fā)揮著重要的作用。因此“傳感器的物理學探究”課程既為學生接觸數(shù)字化實驗測量儀器提供了平臺，又能讓學生有效實現(xiàn)物理學知識的深度學習。

項目式教學是為了完成一個完整的項目而進行的實踐教學活動，它最顯著的特點是以項目為主線、教師為主導、學生為主體，改變了以往教師講、學生聽的教學模式，創(chuàng)造了學生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學模式。其目的是在課堂教學中把理論與實踐教學有機地結合起來，充分發(fā)掘學生的創(chuàng)造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力。

下面，筆者從課程的設計理念與預期、課程設計的架構與實施，以及學生體驗與成果等方面來闡述項目或學習在“傳感器的物理學探究”課程中的教學實踐。

課程的設計理念與預期

本課程旨在培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)，提高學生科學探究能力。通過創(chuàng)設學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習情境，運用傳感器技術，讓學生提出研究課題，形成猜想和假設，設計實驗，獲取和處理實驗數(shù)據(jù)，得出結論并作出解釋，最后對科學探究過程和結果進行交流、評估和反思。這樣既增強了學生科學探究能力和解決實際問題能力，又培養(yǎng)和發(fā)展了學生的合作交流能力。

進入高中階段以后，物理知識更加抽象，實驗更加復雜，實驗儀器種類繁多，數(shù)據(jù)處理過程煩瑣。如何讓學生更加關注實驗現(xiàn)象的物理本質？如何讓學生的猜想和假設有效地物化為實驗設計？傳感器作為直觀的數(shù)據(jù)測量儀器是一個很好的選擇。本課程的開設，讓學生更加關注實驗現(xiàn)象的物理本質，既培養(yǎng)了學生的動手實踐能力，又加深了學生對物理學規(guī)律的理解與感悟。

在本課程教學中，學生自選研究課題主要圍繞高中階段最重要的物理規(guī)律展開，如動量守恒定律、機械能守恒定律、動能定理等，學生既能將課堂中學到的物理概念與物理規(guī)律有效地應用到項目實踐中來，又通過自主實驗探究加深了對物理學規(guī)律的理解，這樣就彌補了現(xiàn)階段高中物理教學過程中因課程安排緊湊而無法進行充分學生實驗的遺憾，實現(xiàn)了將知識學習放到課外的“翻轉式課堂”效果，完成了對課堂時間的高效利用，培養(yǎng)和發(fā)展了學生的自主學習能力與知識遷移能力。

課程的設計架構與實施

1.項目初期

首先，完成學生分組，每組3人，力圖使每一位學生都能參與到課程學習活動中，使學習過程成為人人參與的創(chuàng)造性實踐活動。其次，教師介紹并演示實驗室常用的傳感器如力學傳感器、位移傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、光學傳感器、聲音傳感器、磁場傳感器等以及相應數(shù)據(jù)采集器的使用方法。通過設計一些簡易的物理實驗讓學生自己動手操作，感知、掌握傳感器的基本原理、使用方法以及數(shù)據(jù)處理方法，包括圖像呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)擬合等。最后，教師以觀測彈簧振子的簡諧運動為例介紹位移傳感器。

2.項目中期

首先，教師以中國知網(wǎng)為例，介紹使用數(shù)據(jù)庫進行文獻查閱的方法。學生通過鎖定關鍵詞，查閱參考文獻和相關資料，經過小組集體研討，確定小組研究課題。接著，制訂工作計劃，包括制訂實驗方案并確認實驗器材，明確小組成員分工，制作工作進度表等。最后，學生圍繞本組研究課題，根據(jù)實驗方案進行實驗操作，記錄、處理實驗數(shù)據(jù)，解釋實驗結果并驗證實驗猜想。在本階段，學生會認識到真實的實驗探究過程是一個反復試錯、不斷修訂實驗方案的過程，甚至實驗結果也會與最初的猜想背道而馳，因此，能夠進行合理的原因分析也是本課程的設計初衷之一。

3.項目后期

項目后期為研究成果的呈現(xiàn)與評價。一是基于實驗結果，各小組分別形成本組課題論文、展示海報以及課題匯報PPT，作為小組研究成果。為此，教師要向學生介紹研究性論文的行文規(guī)范以及展示海報的格式要求。研究成果的形成過程，也是學生的總結、反思與自我提高的過程。二是根據(jù)各組研究成果，采用多元化評價方式進行成績評定。一方面，小組課題論文、展示海報等研究成果以及學生個人課堂表現(xiàn)由教師進行評價。另一方面，課題匯報以辯論賽的形式由學生進行評價，將學生分為展示組、挑戰(zhàn)組和評價組。各小組根據(jù)匯報順序，依次承擔展示組、挑戰(zhàn)組及評價組的角色。其中，展示組匯報本組研究課題和研究結果，并回應挑戰(zhàn)組的提問，雙方就相關問題展開辯論。其余小組作為評價組，從PPT圖文編排、實驗設計、理論依據(jù)、數(shù)據(jù)處理、實驗結果與分析、演講者表達與儀態(tài)儀容、問題回應等多個維度對展示組進行評價打分，同時根據(jù)挑戰(zhàn)組提出問題的質量，對挑戰(zhàn)組進行評價打分。通過辯論過程促進學生對本組以及他組的探究實驗進行深度思考。

學生的體驗與成果

本課程通過引入傳感器等現(xiàn)代信息技術，引導學生理解物理學的本質，形成科學思維習慣，增強科學探究能力和解決實際問題能力。

以學生課題“探究電磁感應現(xiàn)象”為例，為探究感應電流與線圈匝數(shù)、線圈橫截面積以及強磁鐵下落速度的關系，該課題組設計了實驗裝置，并采用電流傳感器、導線、線圈、減震海綿、強磁鐵、長直尺等實驗器材。為保證實驗結果的科學性，該組學生采用了控制變量法，依次進行實驗操作。學生經過反復的考證與分析，認為強磁鐵下落至減震海綿時會發(fā)生反彈現(xiàn)象，進而影響實驗數(shù)據(jù)，產生較大的實驗誤差。為解決該問題，他們選用細沙代替海綿作為減震裝置，最終得到了有效的實驗數(shù)據(jù)，實驗結果與法拉第電磁感應定律一致。

綜上所述，“傳感器的物理學探究”項目式課程的開設是對高中物理課程的補充與深化，它不但激發(fā)了學生的學習興趣和創(chuàng)造力，強化了學生獨立思考、自主探究的能力，而且培養(yǎng)了學生的協(xié)作能力，有助于學生批判性思維的養(yǎng)成。本課程與普通高中物理課程互為補充，完成了對課堂時間的高效利用。