深度學習理念下物理學科項目式學習路徑設計
——以“創意吉他制作”為例

姜 爽

（教育部基礎教育課程教材發展中心；課程教材研究所，北京 100029）

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，為促進學生物理學科核心素養的發展，課程學習中要倡導基于項目的學習或整合學習等方法，促進學生基于真實情境下學科和跨學科問題解決能力的發展，促進學生素養的發展.［1］國內外學者對項目式學習的學科應用、教學成效等問題的研究結果表明，學科項目式學習對于學生學科知識的掌握、學業成績的提高，以及問題解決能力、協作能力、自主學習能力的培育均有較大的提升作用.［2－4］因此，尋找項目式學習與物理學科課程的結合點，是培養學生核心素養，實現育人目標的有效途徑之一.

1 理論基礎

深度學習，是指在教學中學生積極參與、全身心投入、獲得健康發展的、有意義的學習過程.它主張以單元學習來落實學科核心素養.在多年研究和實踐的基礎上，深度學習教學改進項目組提出了深度學習教學實踐模型2.0，［5］包括素養導向的學習目標、引領性學習主題、挑戰性學習任務/活動、持續性學習評價等4個核心要素，以及開放性學習環境和反思性教學改進兩個支持要素.它的提出為教師進行單元教學設計、開展單元教學實踐、進行教學反思與改進提供了腳手架.

項目式學習是單元學習的一種方式，它源于杜威的“做中學”教育思想和克伯屈等的探索.項目式學習是學生在真實情境中圍繞一定的主題，在教師設計任務的基礎上，進行較長時間的開放性探究活動的開展，實現有意義的知識的建構與自身能力的提高的一種教學模式.隨后，Larmer J.于2015年提出了項目式學習設計的“黃金標準”，包括學生學習目標和7個核心要素.［6］其中，學習目標包括核心知識、理解和成功技能.7個核心要素分別為挑戰性問題、持續探究、真實性、學生自主表達和選擇、反思、評價與改進、公共產品.盧卡斯教育研究中心的Baines A.M.等人提出了高質量項目式學習的4大原則，即有計劃的真實體驗、與學科知識的深度融合、有意義的支持性互動、基于證據的教學和評價.［7］2018年，國內學者夏雪梅提出了項目式學習設計的6個維度，分別為核心知識、驅動性問題、高階認知、學習實踐、公開成果和學習評價，［8］為廣大教師開展項目式學習提供了操作性強的設計模板.

2 深度學習理念下物理學科項目式學習路徑

基于上述理論基礎，本文提出了深度學習理念下物理學科項目式學習路徑，如圖1所示.物理學科項目式學習需要教師建立學生核心素養與物理學科核心內容之間的關系，依據課程標準、教材和學生實際情況，設計真實且富有挑戰性的驅動性問題，通過問題的結構化分解確定素養導向的學習目標，明確學生在各個子任務中的素養表現.然后，在課程實施的過程中引導學生進行自主合作探究式的學習實踐，展示學生項目成果.同時，基于學生素養表現進行學習評價，實現教、學、評的一致性.最后，教師在教學實踐的過程中以及完成教學任務后，應根據學生表現持續地進行教學反思與改進，促進學生深度學習，期待學生獲得更好的素養發展.

圖1 深度學習理念下物理學科項目式學習路徑

3 案例實踐：創意吉他制作

以“創意吉他制作”為例，說明深度學習理念下物理學科項目式學習的設計思路、課程實施以及教學反思與改進.

3.1 設計真實、有挑戰性的驅動性問題

真實且富有挑戰性的驅動性問題既能吸引學生的學習興趣，又能培養學生的高階思維，引領學生持續思考和自主探究的方向.教師可依據課程標準、教材以及學生的學習基礎、學習障礙、發展空間、學習興趣和學習環境，設計真實、有挑戰性的驅動性問題，并在教學實踐的過程中不斷改進完善.

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》在課程結構中將機械振動與機械波、電磁感應及其應用列入選擇性必修課程.該部分內容既是普通高中物理課程結構的重要組成部分，也是等級性考試的重難點內容.因此，本課程主要面向高二年級選考物理的學生.然而，即便學生具有相關理論知識的學習基礎，在理解法拉第電磁感應定律的內涵、交變電流和變壓器的工作原理，以及在真實情境下靈活運用所學物理學科知識和跨學科知識解決真實復雜問題等方面仍然存在困難.

制作一把可彈奏樂曲的吉他，涉及機械振動與機械波、電磁感應與變壓器等物理學科核心知識以及吉他樂理、工程設計等跨學科知識.將這些抽樣的、難以理解的核心知識置于“創意吉他制作及演奏”這個真實且富有挑戰性的問題情境中來，既能激發學生的學習興趣，又能通過問題的結構化分解，為學生進行持續思考和自主探究搭建臺階.

3.2 明確素養導向的學習目標

素養導向的學習目標是學生經過物理學科項目式學習后，獲得的核心素養的具體表現.教師應以期待學生理解和掌握的核心知識和關鍵能力為出發點，對驅動性問題進行結構化分解，并據此設計關鍵的學生任務與活動.然后，依據課程標準中課程目標、課程內容和學業質量水平，綜合物理學科核心素養和學生發展核心素養，明確學習目標，即學生在每一個子任務中的素養表現，使核心素養具體化，可培育、可觀察、可評價.

“創意吉他制作及演奏”這個驅動性問題可分解為5個子任務，任務1是走進音樂之聲，了解樂音的基本特征和物理本質，以及吉他樂器的相關知識；任務2是調試琴弦音調，通過學生探究實驗，了解影響琴弦音調的主要因素和定量關系；任務3是放大吉他樂音，了解共振吉他和電吉他的工作原理，并進行決策；任務4是創意吉他制作，設計吉他結構，解決技術難題，改進制作工藝，實現知識的遷移與應用；任務5是項目成果展示，并對學生成果進行評價.5個子任務對應的學生素養表現如表1所示.

表1 “創意吉他制作”項目式學習目標設計框架

續表

3.3 引導學生進行自主合作探究式的學習實踐

教師在學生學習實踐的過程中，應合理安排學習活動、規劃學習進程，引導學生在自主合作探究式的實踐性學習活動中持續進行知識與能力的建構，培養學生核心素養，促進學生深度學習的發生.此外，教師需要對學生在學習實踐過程中可能遇到的困難問題、所采用的解決方案進行預設，以便及時對學生進行有效地指導和反饋.以任務2和任務4為例，說明學生的學習實踐過程.

3.3.1 任務2：調試琴弦音調

由任務1可知，音調、響度和音色為樂音的3個主要特征.其中，音調為聲音的高低，取決于琴弦的振動頻率f；響度為人主觀上感覺聲音的大小，取決于振動的振幅；音色由不同物質材料的特性決定.根據觀察結果，吉他琴弦的粗細、長度以及琴弦的松緊程度均能影響琴弦的音調，猜想琴弦的橫截面積S、長度L、張力T是影響琴弦振動頻率f的主要因素.在建立琴弦的振動模型后，以“探究琴弦振動頻率與琴弦長度的定量關系”為例，展示學生的學習實踐過程.

實驗探究：采用控制變量法，即在張力T、橫截面積S不變的情況下，探究琴弦長度L與琴弦振動頻率f的關系.已知任一琴弦，弦長（即品絲到下弦枕的距離）越短，音調越高，因此猜想琴弦的振動頻率與弦長成反比.采用吉他的第5弦，其在3品、5品、7品、8品、10 品、12 品、14品、15 品的位置，分別對應著 C調的do，re，mi，fa，sol，la，si，do（高音）.通過測量相應品絲到下弦枕的距離，探究琴弦振動頻率與琴弦長度的關系，如表2所示.

表2

圖2 琴弦振動頻率f與弦長倒數1/L關系圖

3.3.2 任務4：創意吉他制作

琴弦振動所發出的聲音十分微弱.經過任務3，學生在了解兩種常見的吉他擴音原理并作出決策后，進入任務4—創意吉他制作.為此，學生需根據吉他的工作原理，進行工程設計和吉他制作與改進.以下展示共振吉他和電吉他兩類學生作品及其工作原理，以及學生在吉他制作過程中的感悟和體會.

共振吉他：如圖3（左邊）學生作品所示，共振吉他通過共鳴箱來放大聲音.撥動琴弦時，琴弦帶動共鳴箱面板振動，從而引起共鳴箱內空氣的振動，頻率相同的振動相疊加發生共振，從而使聲音加強.實際上，如圖3（中間、右邊）學生作品所示，將未通電的電吉他置于空箱之上，亦可實現聲音加強的效果.

圖3 創意吉他制作學生作品，左為共振吉他，中間、右為電吉他

電吉他：如圖4所示，通過導線將琴弦與變壓器的原線圈連接起來，形成閉合電路.在琴弦下方固定一塊強磁鐵，當琴弦振動時，切割磁感線，閉合電路的磁通量發生變化，從而產生感應電動勢，琴弦的振動信號轉化為電信號.此時產生的電信號十分微弱，可通過變壓器將電信號放大后，分別與音箱3.5音頻頭的公共端和左聲道/右聲道（即音頻頭的正負兩極）相連接，接通音箱電源后，彈奏吉他發出樂音.其中，變壓器按照原副線圈的最大匝數比1∶14進行連接，這樣可最大限度的放大副線圈輸出的電信號.此外，對于大功率音箱，則無需變壓器，可直接將吉他與音箱音頻頭相連接.

圖4 電吉他工作電路

學生感悟：吉他制作的過程，是一個不斷發現問題、解決問題與成果改進的過程.如學生所說，“實踐是檢驗真理的唯一標準.只有在制作中，才能發現問題，并針對具體問題具體分析，并進行調整.這有點類似于物理實驗中減少誤差的過程.我認為擁有分析問題和解決問題的能力是很重要的.這有利于我們從課本走到生活，活學活用，提高了思維能力”，“在制作前，對將來幾周的任務設計和規劃非常重要，這決定了后面的工作是否有條理，是否有效率.人員分配亦是如此，應保證分工到人，高效制作”.

由此可見，學生在學習實踐的過程中不僅深化了對物理學科核心知識的理解、形成了學科思維模式、實現了知識的遷移和應用，還培養了問題解決、勇于探究、批判質疑、技術應用、審美情趣、自我管理等學生發展核心素養.

3.4 成果展示與評價

項目成果展示與評價可同時運用過程性評價、總結性評價及多元主體參與的評價方法來促進學生投入學習.一方面，通過設計評價量規對學生的項目成果進行總結性評價，可由學生進行自評和互評，既能檢測學生學習目標的達成情況，又能給予學生充分的指導，引發學生自我反思和改進.另一方面，由教師對照各個子任務的素養表現，根據師生對話和課堂觀察，對學生的學習實踐進行過程性評價.

關于“創意吉他制作”的成果展示與評價，一方面，學生分組展示匯報，說明本組吉他的設計理念、工作原理、團隊管理以及問題解決過程.同時，采用自制吉他演奏音樂曲目.評價組則根據評價量規對展示組進行項目評價，同時為展示組提出適當的、創造性的改進意見.如表3、表4所示，學生評價量規的設計應與學習目標一致，以保證教、學、評的一致性.另一方面，由教師對照學生素養表現進行過程性評價.

表3 創意吉他制作評價表 展示組： 組

表4 創意吉他制作評價表 評價組：______組

3.5 教學反思與改進

教師在實施物理學科項目式學習過程中和完成教學任務后，應根據課堂觀察、學生反饋和過程記錄，反思教學過程中存在的問題并分析原因，通過教師個人反思、教研組研討等方式，進一步改進教學設計、調整教學進度、豐富教學策略，以更好的培育學生核心素養，這也是促進教師專業成長的重要途徑之一.

經過教學反思，“創意吉他制作”可在如下方面進一步完善改進：一是加強與音樂、通用技術等學科教師的合作，共同開發該課程，進一步優化、完善教學設計，明確教學任務分工，以便在樂器樂理、演奏、工具使用、產品制作等方面對學生進行更加精準、深入的指導和幫助.二是引入激光切割、3D打印等數字化設備，豐富機械加工工具，培養學生模型設計與計算機編程技能.三是給與學生更多的思考空間和自主權，形成開放性的項目成果.