運用項目化學習提升物理科學思維能力的教學策略
——以“光電效應”為例

大慶市第二十三中學 周 娜

科學思維是用科學視角認識客觀事物本質屬性、內在規律及相互關系，是將科學思維方法，比如分析綜合、抽象概括、推理論證等的內化，是基于事實證據和科學推理對已有觀點或結論進行質疑、批判，并提出創造性見解的能力與品質，其要素主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等。

項目化學習中教師要引導學生將項目轉化成真實情境中的物理問題，使用高階認知策略對問題進行綜合分析與推理，將物理問題轉化為物理模型并進行解決，學生將已有信息作為證據支持自己得到的結論，從而有效提升學生的科學思維。 以人教版選擇性必修三“光電效應”為例，以提升物理科學思維為目的，可以從以下幾個環節進行項目化設計。

一、驅動問題明定位

驅動問題的設計原則：一是趣味性本質問題，物理學科本質問題抽象難懂， 增加趣味性可以激發學生學習主動性；二是開放性高階問題，貼合學生現有思維水平，讓學生進行自主設計并解決問題；三是真實性情境問題，將學生與本質問題聯系起來， 比如通過角色扮演學習該角色所需的思維與方法， 設計一個與現實生活和科技生產密切相關的裝置或進行科學大揭秘等活動， 激發學生的創新思維[1]。

（一）項目分析

項目內容包括探究教材中的光電效應實驗規律，解釋光電效應規律時遇到的疑難，愛因斯坦基于普朗克的量子觀點提出了光量子假說，推導出光電效應方程并成功解釋光電效應。 常規教學中用習題練習鞏固，講解更多于自主探究，項目的設定促使學生通過主動思考光電效應的具體原理來解決難題，從被動低階學習轉變為主動高階學習。

（二）項目路徑

課題組提出了以提升物理科學思維為目的的項目化學習路徑（見圖1）。

圖1 基于物理科學思維的項目化學習路徑

（三）項目引入

教師首先播放視頻：盜賊進入安裝光電自動報警系統的房間后警鈴響起；掃描儀利用光電倍增管實現圖像信息的數字輸入過程；夜視儀熒光屏成像等光電效應的應用場景。其次引導學生思考這些科技的原理，從而引入主題，激發學生探索欲。最后提出驅動問題：學校舉辦節能活動，任務是為教學樓一樓大廳制作一種根據空間亮度自動控制的開關，要求在明亮的自然光照下關燈，晚上或陰天要一直開燈，請進行設計并講解原理。

二、教學評價定標準

（一）教學目標

為了讓學生理解和掌握核心概念和關鍵能力，要將驅動問題進行分解，項目包括光電效應的發現﹑光電效應的原理﹑設計電路和實踐修正并展示成果四個分任務，并設計學生的主要學習活動。 依據課程目標、學業質量水平和物理學科核心素養等，明確教學目標，即學生在每一個子任務中的素養目標，使核心素養可視化、可評價（見表1）。

表1 光電效應原理任務的學習活動與素養目標對照表

（二）教學評價

評價有多種形式，教師可以參照素養目標，設計出相應的評價量規，也可以依據師生對話和課堂觀察，進行過程性評價； 總結性評價要通過檢測習題和項目成果進行，能有效促進學生學習目標的達成； 學生參與自評和互評，從不同視角了解學生實際學習的達成情況，對小組任務的理解和投入程度等，進而有針對性地修改指導策略，引發學生反思和修正，促進學生更深層次的探索與創新[2]。

三、鏈式問題指方向

（一）探究指導問題

實驗研究光電效應過程中，大多數學生不能理清實驗探究目的， 通過淺層實驗現象不能直觀分析實驗規律，并推理實驗深度原理。 此時教師需設置指導問題，幫助學生梳理思路[3]。教師要根據學生的學情，設置能夠推進學生思考的問題鏈，例如學習飽和電流時，引導學生研究增大光電流的方法，從而引出電場；學生探究電場對光電流的影響時發現新現象，觸發問題“為什么光電流增到一個定值后不再變化？”推動學生學習進程的深入；教師在實驗過程中布置新的探究問題“入射光頻率不變，改變光強，在增大電壓時，光電流會怎樣變化？ ”幫助學生發展科學思維，通過辯證思考﹑實驗驗證分析實驗現象的深層原理，最終得出結論。

（二）思維定向問題

依據教學目標分解驅動問題，使每個分任務指向需要解決的問題及要培養的科學思維。在學習愛因斯坦的光電效應方程時，由學生分組共同探討二級問題：如何根據愛因斯坦光量子假說得出愛因斯坦光電效應方程？闡述各物理量的意義、單位。 怎么運用愛因斯坦光電效應方程解釋光電效應？ 結合圖像分析愛因斯坦光電效應方程。

這個學習過程是項目化學習中的高階學習，可以培養學生模型建構﹑質疑創新和科學推理的能力，促進學生得出清晰的項目路徑，還可以通過對指向科學思維的問題鏈的研究，讓學生主動參與思考，了解如何進行嚴謹的科學研究，并掌控研究的方向，從而促進學生科學思維的提升。

（三）方法引導問題

驗證愛因斯坦的光電效應理論， 需要測量普朗克常數， 這部分內容可培養學生的科學推理和轉換思維能力。教師需要利用鏈式問題引導學生思考測量哪些物理量可以求解普朗克常量？ 如何測量這些數據？ 學生根據愛因斯坦光電效應方程，能看出來要測量光的頻率ν、光子的初動能Ek和逸出功W0， 想到雙縫干涉實驗可以測得光的波長，就可推得光的頻率，并意識到光子的初動能Ek和逸出功W0不能用現有方法直接測出。這時再引出轉換思維法，讓學生主動轉換研究思路，實驗中，反向電壓使電子減速向陽極運動，電流剛減為零，即逸出的電子剛好沒能到達陽極，這個過程中，電子初動能Ek等于克服電場力做的功eU，此時的反向電壓即遏止電壓Uc，這樣就可以將測量初動能轉換為測量遏止電壓。教師再指導學生運用公式或圖像得出普朗克常量。學生利用愛因斯坦光電效應方程推導出入射光的頻率和遏止電壓的線性方程，普朗克常數即為斜率與電子電荷量e 的乘積。

這個過程培養學生的轉換思維，教師創設問題引導學生思考實驗缺陷，引導學生思考如何避開最大初動能和逸出功或截止頻率的測量與計算，進而轉換成測量不同頻率下的遏止電壓，擬合出線性方程，再利用斜率計算普朗克常數，提升學生物理科學思維。

四、學習支架促思維

在項目化學習中， 教師的主要任務是推動和幫助學生有效完成任務，體現在給學生提供學習支架，指引學生學習。除了相關實驗器材，還要提供策略型學習支架，即提供有效的解決問題的方法或途徑以幫助學生完成學習任務，學生學會科學方法后，通過推理分析建立模型，論證得到結論。

（一）分析工具

圖像能夠直觀展現物理量之間的關聯，是高中物理學習的重要研究方法，也是科學思維培養的重要工具，針對圖像設置問題，可有效突破重難點。

光電效應規律中關于光電流與電壓關系的研究，學生得到測量數據，記錄表格，教師給出學習支架I-U 圖像，引導學生將測量數據轉變成圖像，結合鏈式問題，給學生圖像分析指明思考方向：圖像中什么表示遏制電壓？ 黃色強光與黃色弱光的圖線交于一點，說明什么？ 黃光與藍光的遏制電壓不同說明什么？ 光電子初速度不一樣，那么光電子的初動能與入射光的頻率和光強是否有關？學生將獲取的實驗數據轉換成圖像， 在教師設置的問題鏈的引導下，結合圖像與物理過程，自主分析物理量關系，得出規律或結論，鍛煉學生的分析圖像信息能力與知識遷移能力。

（二）創新引導

設計實驗是物理教學中培養創新思維的重要方法，利用已學知識制作原型是用理論解決實際問題的過程，也是培養學生知識遷移能力的過程。 創新設計應用設計“決策五邊形”工具，并結合頭腦風暴可以有效促進學生產生創意想法[4]。

“決策五邊形”是一種進行決策時用到的方法，可以為學生提供思考方向。 其中概念維度，學生需要思考產品要解決什么問題、用于什么場所、現有產品與要求有什么不同等；技術維度，學生要考慮產品的工作原理；結構維度，學生應探究產品的各部分怎樣組合在一起。

頭腦風暴可以貫穿整個項目，幫助學生養成創造性思考的習慣。學生可以選擇感興趣的內容，分成4 個小組。小組研究內容包括器材的選取，光的明暗程度對開關影響的研究，自動控制開關的觸發方式的設計，電路各部分的組裝。 教師給學生第一個5 分鐘思考時間，每人都要記錄觀察的現象，如一組學生記錄“某光電管效果不明顯，電流很小”；第二個5 分鐘，學生思考是否可以更有創意或優化這項內容，同學依次傳遞記錄表，如后一位同學受到前面同學記錄內容的啟發，思考后得出“該光電管對項目不適用，需要調整相關參數，需要放大器或調整電路等”；第三個5分鐘，結合前面的記錄，學生聯系本節課學習內容，知道光電管金屬材質不同，逸出功不同，則在光照情況相同的情況下，最大初動能不同，即影響光電流，因此可更換逸出功小一些的金屬做光電管的陰極，但截止頻率過低，很暗的環境也會有電流，不符合項目要求，如果電流還是不大，可以加正向電場增大電流，或是使用放大器。

總之，項目化學習是在常規課堂的基礎上將教學過程項目化的一種學習方式，學生要制作完成感興趣的項目任務， 相比常規課堂有更多的自主學習和動手探究的過程。教師需要注意根據學生的學習能力，適當調整項目要求的難度。太簡單學生不需要思考，太難會使學生有挫敗感，不能促進學生思維能力的提升，如果課時安排足夠，也可以擴展學習自動控制方法， 內光電效應原理與應用等內容。學生在項目中切實體驗科學家的探究歷程，項目化學習的開放性讓學生能夠打開思路，從不同角度思考問題，進行思維碰撞，追求科技創新，從而有效提升學生的物理科學思維能力。