基于項目學習的學生高階思維能力培養

2021-07-21 15:18:19王峰劉文慶

中學物理·高中 2021年6期

王峰劉文慶

摘要：水火箭是物理學中一個常見的實踐類項目，常常出現在STEM項目學習、研究性學習或其他學生的實踐活動中.從項目學習模式開發和學生高階思維能力培養角度出發，對該問題進行了實踐研究，得到不少實證材料與教學反思，能夠有效論證基于項目學習的水火箭活動確實可以有效提升學生的高階思維能力.

關鍵詞：項目學習;高階思維能力;水火箭

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）11-0034-04

1 高階思維能力和項目學習

布魯姆（Bloom）等專家按照認知的復雜程度，將思維過程具體化為六個教學目標，即學習時需要掌握的六個類目的行為表現，由低到高包括記憶、理解、應用、分析、評價、創造，其中記憶、理解和應用，通常被稱為低階思維;分析、評價和創造，通常被稱為高階思維.

高階思維能力是一種側重高層次思維水平的綜合能力，它是當今社會學習者得以生存與發展的必備技能，我國教育部的課程標準（2017年版）關于核心素養要求中對思維能力有較高、較普遍的要求，因此發展培養學生的高階思維能力就成為核心素養導引下提升教學質量的內在需求.當然要培養學生的高階思維能力必須借助一些平臺或途徑，筆者通過幾年的努力嘗試發現，通過項目學習的方式，結合系統思考、創新思維、批判性思維等方法，可以有效地提升學生的高階思維能力.

項目學習以“項目為主線，教師為主導，學生為主體”，是一種動態的課堂教學方式，它以學習者為中心，圍繞著一個具體的項目深入地開展研究，其任務具有真實性和開放性，讓學生面對真實的問題情境實現知識的意義化建構，經歷更優質、科學的學習過程，進而較大程度地激發學生的學習潛能，促進高階思維能力的提升.

因此，在培養高中生高階思維能力上“項目學習”相比“傳統學科課堂”或“學生自主研究性學習”等方式具有較大的優勢.本文以水火箭項目學習為例，介紹項目設計開發的過程和學生高階思維能力提升的實際效果.

2 水火箭項目活動的設計與實踐

2.1 設計研究

核心問題1：為什么要選擇水火箭這個項目進行研究？

項目學習有三大特點：（1）所有項目都是真實的;（2）每個項目都是獨立的，都由項目確立、實施、結束和結果評估等環節構成;（3）項目實施活動所給予學生的，不僅是將來做事所需要的知識和能力，而且可能就是同學們將來所要做的事情本身.對照這三點：（1）水火箭項目是真實的;（2）它包括確立課題、計劃分工、實驗操作、反饋調整、結果評估等階段;（3）該項目與將來的航天、軍事、科技等領域具有相關性，可以為某些學生將來的潛在工作打下基礎.因此“水火箭”項目是非常適合進行“項目學習”的.

高階思維能力主要包含分析、綜合、創造等行為表現.對比分析：水火箭項目開展過程中需要學生從理論上進行分析、在實踐中進行技術運用、在克服困難共同研討過程中激發集體的智慧，獲得靈感并創造性地解決問題.經歷這些學習過程學生的高階思維能力必定會得到提升.

核心問題2：水火箭（斜拋運動）的力學原理復雜，如何讓高中生更順利地開展研究？

水火箭斜拋運動是一個過程復雜的實際問題，其受力和質量都是變化的，導致其在飛行過程中加速度的變化是極其復雜的，進而導致速度、位移的變化都是復雜的，要想把這些問題解決是非常困難的，必須要用到高中生難以掌握的微積分來進行處理.

那么，對于高中生該如何降低他們的研究臺階？筆者采用系統動力學軟件建模的方式進行，主要軟件為STELLA，它可以幫助學生逾越微積分的障礙，只要在電腦界面上進行模塊的構建，把邏輯關系準確鏈接，電腦進行運算，最終就可以實現不需要微積分就能夠呈現出運動變化規律的結果.采用這樣的方式，學生就可以順利進入到對水火箭項目的后期的各種參數調整的研究過程中去，這樣學生就“有能力”對水火箭進行更深入的研究.

在水火箭項目學習的過程中，學生們首先要用系統思考的方法進行邏輯關系梳理，然后進行建模處理，再進行數據模擬運行預測結果，圖1是學生研究過程中的一些資料.

學生用圖像展現預測數據（豎直位移為零時的水平位移即為射程）.

以上這些研究過程資料表明，運用合適的平臺和工具能夠提升學生對復雜問題的分析水平，具體有三點：（1）利用因果環路圖（反饋邏輯循環圖）能非常方便地分析非線性復雜問題;（2）利用動力學建模能輕松地處理復雜動態的微積分問題;（3）利用調節滑塊、表格和圖像等功能能夠非常方便地調整參數、觀測各種條件下的斜拋射程的變化趨勢.

2.2 實驗反饋

筆者帶領學生到學校的操場去進行水火箭的發射實驗.學生們在實驗過程當中，他們分工合作，運用控制變量法進行有效的實驗，得到了很多有價值的數據.通過實踐，學生們發現原本的理論分析和實際情況是有出入的，他們原本建立的模型還是不夠完善的.所以，經歷第1次實踐活動之后，筆者帶領學生回到教室重新進行整理，對他們之前建模過程中的不足的環節進行改進.

改進方面有：（1）細化考慮噴水過程問題，學生一開始認為水是瞬間噴出去的，但實際上水火箭發射的過程中，它的水并不是一下子全部噴出去的，運行過程中約有2米的路程是在不斷噴水的，需要重新構建模型;（2）需要考慮氣壓變化的因素，瓶內氣壓隨著水的減少，氣體體積增大壓強減小，在短時間內發生近似的等溫膨脹變化;（3）考慮空氣阻力與迎風面積的關系，比如用到斯托克斯公式（f阻=6πηrv，η是空氣的黏滯阻力系數，r是水火箭截面的半徑，v是水火箭的飛行速度）進行調整;（4）通過各種手段提高瓶口橡皮塞的密閉性，使噴水時瓶內氣壓盡可能大.

2.3 調整拓展

學生們對一開始的建模進行有效的調整，然后得到了與第1次測量的結果具有較高吻合度的預測數據，然后再調整可變參數，預測相關結果，綜合分析哪些參數組合會得到最佳的拋射距離？最后再到操場上去進行第2次實驗，這時候學生發現，這次的實驗獲得的最大拋射距離與建模分析結果的一致性更好，大家都比較興奮，成功之色溢于言表.

學生優化后的系統動力學模型，下面是學生們進行實驗研究的一些過程資料（如圖4和圖5，數據見表1）.

筆者在選修課上帶領學生對水火箭進行實驗研究，過程中學生們非常認真地進行實驗規劃—建模研究—實驗操作—數據記錄—調整參數—循環操作……

實驗中學生們采用了很多科學實驗中常用的方法，如控制變量法、平均值法等，這些科學方法的使用能更好地提升他們分析問題、解決問題的能力水平.

學生在后續的實踐活動中，依然發現了一些問題，比如說水火箭在飛行過程中會有軌跡的“抖動”現象，要解決這樣的問題是非常困難的，因為這跟空氣動力學中的氣流規律（如湍流）相關，目前學生的知識還不夠，只能做一些調整嘗試.筆者向學生介紹一些相關知識和穩定性措施，再經過學生共同商議，最終決定對水火箭的箭體設計做結構改進：（1）加裝更加牢固的尾翼;（2）在箭頭加裝整流罩;（3）調整配重的合理分配（比如說使得艦體的前方配重更大一些）.這樣一來，水火箭飛行的穩定性確實得到了提高，射程也變大了.

2.4 反思總結

通過學生們不斷優化的研究活動，最終他們得到了令人可喜的成果，以下是學生的一些實踐結論、誤差分析和反思總結.

小組1：在進行了水火箭兩組共24次實驗后，我們總結出了初步結論：

（1）最佳發射角度約為35°;

（2）最佳注水量為瓶子容積的40%-50%;

（3）整流罩可以大幅減少空氣阻力產生的影響，提升水火箭的射程;

（4）側翼、尾翼可以增強穩定性，提升射程;

（5）發射初速度與加氣壓力成正相關，但過大的壓力會使水火箭在發射架上漏水，并不能飛到一個理想的距離.

小組2：實驗結論是水火箭飛行距離與打氣次數相關，發射角約為40°時能飛行至最遠距離.

反思不足：在實驗中我們發現，當打氣次數（對應給予的沖量大小）達到一定程度時水火箭會向后翻滾，我們猜測可能與水火箭的質量及分布有關.

（1）水火箭頭部應當適當增重，重量不足時會導致發射方向難以預測;

（2）水量不能過多，過多時打氣會受到流出水的影響，同時水無法盡快噴出影響空中運動的軌跡;

（3）打氣不能過多，發射時若噴射氣體過多會影響水火箭發射的軌跡.

……

匯總學生的總結發現，各個小組的同學最終的結果都是一致的，他們都發現了發射的傾角適當時，斜拋射程才能最遠，同時他們也發現在配重、水量、氣壓的處理以及機身的結構等方面，都要進行適度調整，才能達到最佳的綜合效果.這些結果讓學生體會到水火箭是一個綜合度很高的項目，需要系統化考量各個因素，有些因素之間是相互影響制約的，并不是越大越好，不同因素對核心問題的影響程度不同，必須要分清主次，等等.

3 水火箭項目活動的評價與反饋

3.1 學習成效評價

活動結束之后，學生進行反思總結，各個小組都闡述了自己的一些觀點，在研究過程當中遇到的困難以及解決的方案，還包括他們最后獲得成功的一些喜悅感受.當然筆者也在更高層次上要求他們對于自我的實踐進行評價，以及對其他小組的實踐進行評價.

學生們說：一個看似簡單的問題，其背后往往隱藏著非常復雜的一些理論問題，要想解決好這些理論問題是非常不容易的，必須要借助一些平臺或工具，才能夠更好地開展研究;通過其他小組的一些演示他們經常會獲得很好的靈感，能夠去對自己的小組的水火箭進行改進，最終各個小組通過相互學習和借鑒，大家的水平都得到了有效的提升，在此過程當中大家的創造力也得到了不同程度的激發.

活動結束之后，很多學生都撰寫了研究報告.筆者對學生的研究報告進行了有效指導，讓他們形成體系完善、結構合理、格式標準的科技小論文.這些論文得到了一些平臺的認可，比如說2019年中國系統工程學會系統動力學專業委員會舉辦的“系統思考冬令營論文評比”活動當中，有的學生的論文就獲得了一等獎，還有在學校科技文化節上舉辦了科技論文比賽，有的學生的論文獲得了二等獎，另外，他們還相應進行了一些研究性學習，撰寫了論文報告，并獲得了學校的研究性學習優秀獎等等.這些成績都是對于學生項目學習研究過程的一種肯定.

3.2 高階思維能力提升實效調查

當學生由高二步入高三之后，筆者對他們進行了一次跟蹤問卷調查.請他們反饋在水火箭項目學習過程中所獲得的一些進步，尤其是在高階思維方面的提升情況，調查結果表明，他們對于自我思維提升的感悟是令人鼓舞的，下面是他們的問卷調查數據和一些感悟.

下面是對于參加過水火箭項目的學生（共20位學生參與）進行問卷調查的內容.

（1）通過學習你覺得自己在思維方法、習慣、能力水平上是否有進步？

（2）是否能經常透過事件的表象去提取背后隱藏的邏輯結構和原理？

（3）是否能經常思考為解決問題而采取的措施有無后遺癥？

（4）是否能經常用系統思考的方法，動態、反饋式地分析一些復雜的事情？

（5）是否能更加審慎地判斷或評價一些事件？

（6）是否能對某些重要的事情進行綜合分析、全面梳理？

統計數據顯示：（1）有96.9%的學生對能力提升持認同態度，62.5%的學生非常認同，學生們是十分認同自我的高階思維能力得到了有效提升;（2）數據顯示，有些思維習慣的養成還需要進一步培養，比如關于后遺癥的思考，其實這也是現實生活中常常困擾人們的問題，尤其對于各行各業的決策者來說，這種思維能力更為重要.

4 基于項目學習的高階思維能力培養的反思與展望

通過長達五年、多個學生小組的水火箭項目學習研究，筆者有不少心得.

（1）一個好的項目的設計是非常重要的，它必須符合項目學習的一些基本特征：如真實的項目、具有一定的開放度和理論深度、項目能夠與將來的學習工作接軌等.

（2）在項目活動推進的過程中要做好充分的設計與準備，利用好各類工具和平臺，讓學生的思維能夠得到最大化的激發，在學生們進行理論分析、反饋處理、調整提升、交流合作等過程中，有效地提高他們解決問題的水平，培養他們的高階思維能力.

（3）在總結反思的過程中，讓學生積極地自評、互評，能夠提升學生評價的意識、能力和水平.

（4）在實踐的過程中，通過交流互動、頭腦風暴等方式，啟迪智慧，激發靈感，能讓學生們的創造力得到有效的提升.

綜上所述，通過水火箭項目的學習，學生的高階思維能力確實得到了有效的提升，也給了筆者非常大的鼓勵，筆者將繼續努力開發更多的有意義、有價值的研究項目，讓學生更多地參與到這些項目的學習過程中，不斷提高師生的高階思維能力水平.

參考文獻：

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