項目式學習在物理化學線上教學中的應用*

司長代，董翊晗，汪鵬霞，雷新有，龍世佳

(天水師范學院化學工程與技術學院，甘肅 天水 741001)

課堂教學模式改革是高校實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標和提高教學質量的重要途徑，而項目式學習(Project-based Learning，PBL)越來越受到教學革新的重視。目前，中小學教學中更多的實施與探索了項目式學習[1-4]。但由于高等教育課程內(nèi)容多、難度大、課時數(shù)相對不足，使得課堂教學的革新舉步維艱。盡管信息化手段在教學過程中不斷滲透，但教學效果并沒有顯著的提高，主要還是學生參與課堂教學的積極性、主動性不足。基于此，特別在疫情期間，為了應對“停課不停學”，消除特殊時期對教學效果的不利影響，線上直播教學算是最好的選擇。那么選擇線上項目式學習法給予了“居家”學習的學生積極參與課堂教學的平臺和時間，讓學生能夠獨立思考和自主探究。當前相關教學研究有理論探索[5-6]，也有實踐應用[7-8]，如基礎教育[9-10]，再如高等教育[11]。本文以線上項目式學習為教學模式，以卡諾循環(huán)內(nèi)容為教學主線，構建高效課堂，實現(xiàn)教育教學過程中的三維目標，即：知識與技能；過程與方法；情感態(tài)度與價值觀。

1 項目式學習的發(fā)展與內(nèi)涵

項目式學習的前身是美國學者威廉·克伯屈(william heard Kilpatrick)在1918年提出的設計教學法。20世紀90年代我國嘗試探究將該領域的研究引入教學實踐中。在近三十年的研究中，很多學者從教與學的方式、教學過程、教育價值等不同角度來定義項目式學習[12-14]。無論從何種角度看，項目式學習都涵蓋了在解決真實問題的情境中學習知識、完成任務、發(fā)展能力這三個要素。以解決驅動性任務為目的，最大化的激發(fā)學生的學習潛能，最終生成知識產(chǎn)品或成果的一種教學模式[15]。這就需要教師最大程度實現(xiàn)因材施教，滿足學生個性化需求，進而幫助學生掌握知識與技能。因此，學校和老師應該給予學生更大的發(fā)揮空間[16]。而項目式學習在線上教學中的實施，彌補了線下教學時間緊，教學內(nèi)容難以完成的困惑，也能夠促進學生綜合能力潛移默化的提升。

2 項目式學習在物理化學課堂教學中的應用

物理化學課堂在傳授知識實現(xiàn)教學目標同時，將價值引領、能力培養(yǎng)和知識傳授有機融合，充分發(fā)揮該課程的育人功能。本文以卡諾循環(huán)為例，在對教學內(nèi)容、教學目標、教學重難點等分析的基礎上，滲透思政元素，將其有機融入項目式學習教學模式中，進行教學探究。

2.1 教學分析

2.1.1 教學內(nèi)容分析

本節(jié)內(nèi)容以研究卡諾定理和卡諾循環(huán)為核心。首先介紹了熱機問世以來，人類致力于提高熱機效率所經(jīng)過的緩慢的歷程，最終提出了卡諾循環(huán)，得到了卡諾熱機效率。引導學生領悟科學研究要有不畏艱難的探索精神，同時讓同學們感受物理化學學科發(fā)展蘊涵著科學家們嚴謹?shù)目茖W態(tài)度及深邃的思想，以此培養(yǎng)學生的科學精神[17]。其次，引出提高熱機效率的兩種方式：降低低溫熱源溫度和提高高溫熱源溫度。在卡諾定理這部分內(nèi)容中，分別從可逆熱機和不可逆熱機兩個角度來證明熱機效率的極限。說明他們都小于卡諾熱機的效率。據(jù)此解決了熱機效率極限的問題，并為提高熱機效率指明了方向。

2.2.2 教學目標分析

(1)認知目標

①讓學生在熟悉前期知識的基礎上，即等溫可逆膨脹、等溫可逆壓縮、絕熱可逆膨脹和絕熱可逆壓縮等概念。理解并掌握正逆循環(huán)過程中系統(tǒng)狀態(tài)的變化，吸熱、放熱以及對外做功的規(guī)律，掌握熱機和制冷機的工作原理，利用卡諾定律判斷一個實際的循環(huán)過程是否能實現(xiàn)。

②準確理解卡諾循環(huán)并熟練掌握卡諾熱機效率的計算；深刻理解可逆與不可逆過程以及卡諾定理。

(2)素養(yǎng)目標

在整個熱機效率探究的教學過程中使學生潛移默化的領悟到從事科學研究要有不畏艱難探索、堅持不懈、實事求是和敢于創(chuàng)新的科學精神。

2.2.3 教學重難點分析

重點：卡諾循環(huán)的組成以及4個過程中系統(tǒng)各狀態(tài)函數(shù)變化的規(guī)律。

難點：卡諾熱機原理的應用。

本節(jié)內(nèi)容圍繞熱機展開，如何提高熱機效率是本節(jié)課的主要內(nèi)容。因此，本節(jié)課的重點在于卡諾原理、卡諾循環(huán)、熱機效率、冷凍系數(shù)與熱泵原理等。特別是熱機效率極限的問題，會關聯(lián)到可逆與不可逆過程，自發(fā)與非自發(fā)過程等，這些概念具有一定的挑戰(zhàn)度。同時，在掌握這些重難點知識的過程中，也為培養(yǎng)學生迎難而上的堅韌品質提供了環(huán)境[18]。

2.2.4 教學方法分析

基于本節(jié)課的內(nèi)容特點，采用線上項目式學習法。教師以問題為教學的驅動力，以學生為學習主體，以問題作為教學線索，讓學生經(jīng)過自主學習與相互討論，最終深刻掌握卡諾定理和卡諾循環(huán)及其在生活中的應用。

2.2 基于項目式學習法在教學中的實施

項目式學習是以小組合作的方式進行項目實施，學生基于已有的知識和經(jīng)驗，自己主動制訂相應的學習計劃，并在參與過程中逐漸建構知識網(wǎng)，實現(xiàn)綜合發(fā)展的教學模式。基于項目的探究式教學模式主要通過“項目選擇→知識建構→成果制作→成果展示→交流評價→反思遷移”六部分來實施。

2.2.1 項目選擇

教師根據(jù)教學目標選擇了卡諾定理和卡諾循環(huán)這一節(jié)知識點，并對學生提出了學習任務和要求，讓學生根據(jù)教師提供的有效資源，即學生通過線上線下獲得相關材料后，全班8組學生在問題的驅動下，形成問題清單，如表1所示。

表1 卡諾循環(huán)相關的問題清單Table 1 The question list related to Carnot cycle

2.2.2 知識建構和成果制作

成果制作是項目式學習的一個特色，也是項目式學習的一個主要環(huán)節(jié)，每個小組在前期知識儲備的基礎上，組內(nèi)各個成員在有限的時間內(nèi)通過自主、相互協(xié)作，信息檢索完成知識建構(表2)。然后通過成果制作這一環(huán)節(jié)，讓學生能夠深刻的了解所學知識，能夠用所學的知識解決現(xiàn)實生活中所遇到的難題，培養(yǎng)學生的提出問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作意識。

表2 核心知識體系的建構Table 2 The construction of the core knowledge system

續(xù)表1

2.2.3 成果展示和交流評價

這是一個相互展示、相互交流、相互評價，更是一個相互提高的過程。同時，教師選出優(yōu)秀作品，讓學生采用PPT形式從理論和應用兩個方面分組匯報，旨在讓學生深刻認識卡諾循環(huán)在熱力學第一、二定律中的重要地位和現(xiàn)實意義。

圖1a是第1小組展示的卡諾定理。熱機從高溫熱儲器所吸收的熱量Qh，僅將其中一部分轉變?yōu)楣Γ硪徊糠譄酫c傳給低溫熱儲器。溫度差越大，熱機效率越高。而卡諾循環(huán)過程可由四個步驟組成(圖1b)[19]，即：(1)等溫可逆膨脹，系統(tǒng)從高溫熱源吸收熱量Qh，全部轉化為對外做的膨脹功為W1，即從A→B；(2)絕熱可逆膨脹，系統(tǒng)對外做功消耗熱力學能，全部轉化為對外做的膨脹功為W2，溫度由Th降到Tc，即從B→C；(3)等溫可逆壓縮，系統(tǒng)與熱源Tc接觸，環(huán)境對系統(tǒng)做功為W3， 即從C→D；(4)絕熱可逆壓縮，溫度由Tc升高到Th，即從D吸熱回到始態(tài)，環(huán)境對系統(tǒng)做功W4；而W為整個循環(huán)所做的總功以及與熱機效率的關系式如方程(1)～(2)所示。這一研究成果為后來提高熱機效率指明了方向。因此卡諾循環(huán)是熱力學中的一個最基本的理想循環(huán)，在熱工技術，特別是在熱力學理論的發(fā)展中具有非常重要的意義，它的結論已經(jīng)包含了熱力學第二定律的基本思想。也闡明了隨著p，V，T的變化，環(huán)境與系統(tǒng)之間做功的關系。同學們展示圖文并茂，思路清晰。而且，通過線上分享成果，也增加了學生的自信心和成就感，對于培養(yǎng)學生熱愛、鉆研物理化學提供了平臺。

(1)

(2)

圖2是第8小組展示的空氣能熱水器，其按照“逆卡諾循環(huán)”原理，具體來說，就是“室外機”作為熱交換器從室外空氣吸熱，使低沸點冷媒產(chǎn)生物理相變(氣態(tài)-液態(tài)-氣態(tài))，利用這一往復循環(huán)相變過程不斷地吸熱的特性，通過熱交換器向冷水中不斷放熱，使水箱中冷水升溫，其中Q3(熱水獲得的能量)=Q2(壓縮機能量)+Q1(空氣熱能)。被吸收熱量的空氣也可被運用到廚房，解決悶熱問題。這也使學生們能夠領悟到“模型→創(chuàng)新→應用”教育理念在學習中的重要性[20]，即只有學生們熟悉了課本中的這些經(jīng)典模型，將來才可能有創(chuàng)新的思想去設計無限接近于理想循環(huán)的熱機，造福人類。這會使他們更加重視課本，更加重視本科教育對一個學生從能力和思想提升方面的長遠的影響。

圖1 卡諾定理(a)和卡諾循環(huán)(b)Fig.1 Carnot theorem(a) and Carnot cycle(b)

圖2 空氣能熱泵系統(tǒng)工作原理Fig.2 The working principle of the air-source Heat Pump system

2.2.4 反思遷移

反思遷移就是在本節(jié)知識的學習之后，讓小組及小組成員回顧自己的學習過程，包括知識建構方面的優(yōu)點和不足，教與學之間的缺點和優(yōu)點。讓學生對學習方法、成果等收獲的總結，培養(yǎng)自主學習的能力。同時，嘗試利用本節(jié)課所學習的知識重新認識現(xiàn)實生活中的實際應用，更加重視課本基本理論，更加明確卡諾定理和卡諾循環(huán)的應用價值。對于教師而言，反思教學流程是否能達到完整性、規(guī)范性和引領性，課堂教學的內(nèi)容選擇、流程設計、形式表達、學理規(guī)范、思政滲透、課后延展六個方面是否具有一定的“示范性”。

3 結 語

項目式學習法是教學中一種行之有效的教學方法，突出了學生的主體地位和教師的主導地位，通過幾個關聯(lián)問題將整個知識串聯(lián)起來。此外，線上教學，學生有大量的時間可以自行安排，他們可以采用線上線下方式獲取所需知識，培養(yǎng)學生自主學習能力和獨立思考的能力。養(yǎng)成規(guī)劃與組織、溝通與合作、探究與反思、分享與創(chuàng)造、責任與擔當?shù)人仞B(yǎng)，同時，學生們也深刻認識到課本知識和實際應用之間的重要關系。整個過程完成了知識傳授、能力提升和價值引領，這也是課程革新的發(fā)展趨勢。