結合器材和實驗方法改進的項目化學習

摘" "要：以初中物理“平面鏡成像”教學為例，依據項目化學習的理論，開展以入項活動、知識與能力建構、探索與形成成果為主要內容的單課時項目化學習活動。同時分析了玻璃板、物體、支架等實驗器材和對應點選取方法的改進原因、改進措施、改進后的優點，最后從實施單課時項目化學習的可行性和意義角度談實踐感悟。

關鍵詞：項目化學習；平面鏡成像；器材改進

以提高教學有效性為目的，針對初中物理“平面鏡成像”中的難點進行項目化學習設計，同時從理論分析實驗器材改進的依據、方法和效果。

1" 理論依據

項目化學習的學科核心知識是在情境中建構與創造，一般包含六個設計維度：核心知識、驅動性問題、認知策略、學習實踐、學習成果和學習評價。將學科的本質問題改造成結合情境的驅動性問題，情境是學生熟悉的，感覺更親切，更容易激活求知欲望，同時對學生思維形成挑戰。設計驅動性問題需要把本質問題與學生的經驗相聯系，把本質問題拆解隱藏在具體問題情境中[ 1 ]。項目化學習質量高低取決于認知策略的選擇。涉及的學習實踐有五種，互有重疊，但必須含有社會性實踐、探究性實踐、調控性實踐。筆者對滬科版初中物理教材八年級第四章第2節“平面鏡成像”進行項目化學習設計，建立真實情境：為一家眼鏡店固定一個測試者的位置。核心知識是平面鏡成像特點。驅動性問題是平面鏡與視力表分別固定在相距2.7 m的兩面墻上，要在兩者之間安排一個測試者位置，使人看向平面鏡，滿足像與人相距5 m的要求。高階認知策略是問題解決和實驗。學習實踐有社會性實踐、探究性實踐、調控性實踐。文章對成果公開和評價做了可操作的嘗試。為提高探究性實踐的有效性，筆者結合理論分析現有器材（25010平面鏡成像實驗器）存在問題，運用新材料進行器材和實驗方法的改進。

2" 案例分析

2.1" 入項活動

教學流程：（1）教師介紹本節課驅動性問題：為一家眼鏡店固定一個測試者的位置。（2）引導學生分析問題中背景知識，討論驅動性問題，將結果匯總分類如下：①測試者通過鏡子看到的是什么？②看到的視力表位置在哪里？③看到視力表的符號與物體相比有變化嗎？（大小方面、上下關系、左右關系）④店員指的是視力表，測試者看的不是視力表本身，會不會影響測試結果？（極少數學生提出第④問）

設計意圖：（1）本環節社會性實踐有討論、傾聽、尋求幫助等。學生通過討論清晰表達自己的疑惑，通過傾聽他人想法并給出回應性的思考，明確驅動性問題討論匯總內容的已知和未知。（2）本環節探究性實踐主要有提出問題、建立知識聯系。引導學生發現問題、澄清問題，這樣不僅幫助學生明確物理觀念，同時還推動科學探究，落實核心素養。尤其是對稱性含義，在學生澄清問題的過程中利用已知數學知識（跨學科滲透）明確了研究對象是像點和對應物點相對鏡面的位置，甚至可以將猜想分類為像物對應點連線與鏡面的幾種位置關系，為后續探究鋪平道路。

效果：和以往教學的課堂引入相比，入項活動更重視探究性實踐和社會性實踐，對提高學生的問題分析能力、語言表達能力效果更好。情境來源真實生活問題，學生討論起來更親切，有助于提高同伴互助的效果。

2.2" 知識與能力建構

教學流程：（1）回顧與平面鏡相關的生活經歷，增強感性認識。課件展示家庭常見的平面鏡、平靜湖面的倒影、行人在街邊櫥窗的像，引導學生更加重視觀察生活環境，辨析生活中的平面鏡以及相當于平面鏡的物體。播放教師從遠到近照鏡子戴手表的視頻，回顧小孔成像等知識，引導學生整理驅動性問題為可探究的問題：①平面鏡成的是實像還是虛像？②像到鏡面距離與物到鏡面距離是否有關？③像的大小與物體的大小有什么關系？像的大小與物距有關嗎？④像與物關于鏡面存在什么類型的對稱？（2）介紹改進后的器材如圖1，引導學生協調第②③兩問探究順序，設計合理的實驗步驟、實驗表格。明確實驗難點是確定像的位置，引導學生使用規格相同的電蠟燭如圖2，突破難點。進一步引導學生連接像與物對應點連線，使用量角器測量連線與鏡面夾角來探究對稱性。

設計意圖：（1）讓學生了解透明玻璃板和平面鏡的異同點，落實物理觀念核心素養的同時為接下來的探究做準備。驅動性問題情境屬于靜態問題，課前拍攝教師從遠到近照鏡子戴手表的視頻，課中播放展現的是動態情境。互補的情境豐富了學生的感性認識，有助于啟發學生推理平面鏡成像中像與物的因果關系，猜想像距與物距的關系、像的大小影響因素等。（2）本環節探究性實踐包含設計實驗步驟。因玻璃板透明而具有了成像和透視雙重功能，所以用玻璃板取代平面鏡，滲透等效替代法（蠟燭B作為蠟燭A的替身與像A＇比大小，同時蠟燭B作為像A＇的替身測像距），引導學生根據改進后器材設計實驗，親歷探究過程，落實科學探究和科學推理的核心素養。

效果：如果使用全身鏡進行現場演示實驗，部分學生會由于觀察角度的問題沒法在同一時間觀察到所有現象，教師就需要改變鏡子朝向進行多次實驗。現改成課前拍攝視頻課中播放，相當于使所有學生從同一個角度觀察實驗現象，效果更好，更節約時間。

2.3" 探索與形成成果

教學流程：（1）引導學生分組探究，根據數據和現象總結結論。教師巡視學生實驗探究，指導和評價學生實驗，鼓勵學生在遇到困難時尋求幫助。（2）引導學生根據探究性實踐成果，探索問題的解決方案。首先挖掘情境中的隱藏條件，引導學生畫出視力表、測試者、鏡面的位置建構模型簡圖如圖3。然后引導學生運用結論尋找視力表像的位置，補畫入模型簡圖，再根據視物要求確定測試者的位置。（3）引導學生簡要回顧問題的解決過程，總結解決思路。

設計意圖：（1）本環節探究性實踐包含實施實驗探究、分析數據、設計可行的解決方案、基于證據的評論。實驗探究過程，養成了學生動手能力、觀察能力、初步分析問題總結結論的能力。根據實踐結果進行方案設計是遵循問題解決的認知策略，幫助學生順次分析任務目標、限制和障礙、克服限制的措施、決定嘗試哪一種措施。有意識地把分析問題的過程顯性化，可以提高學生元認知水平。（2）本環節調控性實踐包含成長性思維、調控情緒、計劃和反思。即便步驟正確，實驗操作過程會伴隨很多操作細節問題，而細節決定成敗。教師的及時介入，可以緩解學生的不良情緒，增強學生信心，及時反思和調整。（3）社會性實踐包含鼓勵學生尋求幫助，有助于建立相互信任的人際關系。

效果：細節的引導和改進，提升了教學高度，特別是畫簡圖3的操作，大大降低了空間想象的難度。補畫虛像的位置，直觀地突破了測試者位置確定的難點。在不同環節鼓勵學生在遇到困難時向同伴或教師尋求幫助，提高了同伴、師生間的交流能力。

2.4" 評論與修訂

教學流程：（1）介紹探究性實踐中計劃和實施探究自評表（表1）。（2）要求組內同伴使用表格在1分鐘內自評本組實踐環節。

表 1" 計劃和實施探究自評表（打“√”表示所選項目）

設計意圖：評價表的使用本身就是重要的社會性實踐，根據表格評價學習行為，引導學生聚焦實驗探究關鍵環節，使學生反思有的放矢，提高反思能力。

效果：由于課堂時間有限，只能讓學生有所體驗，并未解決本環節實施難度。

2.5" 公開成果

教學流程：受限于單課時，課后讓學生把問題解決方案、科學探究實踐過程的實驗報告單、計劃和實施探究自評表裝訂成冊，課后上交教師審閱后再發還學生。其中優秀的作品在學習園地展覽，學生可以參照修改。

設計意圖：本項目成果屬于解釋說明類，難度小，符合八年級學生認知水平。在課堂時間有限的情況下，以學習園地為展覽區域更具有可操作性。

效果：屬于體驗性自主學習活動，更傾向于學習主動性較高的學生。

2.6" 反思與遷移

教學流程：（1）教師介紹項目化學習自評表（表2）和使用說明作為課后作業。（2）引導學生課后反思評價項目歷程。

表 2" 項目化學習自評表

設計意圖：本環節社會性實踐包含基于證據的評論，但評價的對象是項目化學習的某些歷程。學生需要跳出項目，審視學習過程，從提升能力角度進行反思評價，從而提高項目化學習的能力。轉變為課后作業，繼續發展學生元認知能力，改變了課后作業側重知識鞏固的常態。

效果：由于語言表達是初中生里多數中下水平學生學習的難點，語言表達能力強的學生完成的質量更高，總體還是有一定的驚喜。

3" 器材和實驗方法的改進

3.1" 物體和對應點選取方法的改進

滬科版教材要求學生使用真實的蠟燭做實驗，帶來以下問題：（1）在實驗的過程蠟燭A會越燒越短，蠟燭B長度不變不能和A的像完全重合。（2）蠟燭存放時間久了會變形，經常因為底部破損或形變不容易描下底面形狀。（3）在探究像與物到鏡面距離和像與物連線與鏡面位置關系時，都需要先描出像與物的對應點。教材讓學生在蠟燭上自由選擇一個點，如果點的大小不一，作圖隨意性帶來較大誤差。改進措施：（1）使用會發光的圓底電蠟燭，如圖2。（2）把電蠟燭底座對應的圓的圓心作為對應點。具體做法是把圓柱體的電蠟燭作為物體A、B，用鉛筆描底面形狀，確定像與物的位置。然后通過兩次沿不同方向對折圓，讓半圓與另一個半圓重合，確定圓的兩條直徑。最后通過兩條直徑的交點確定圓心。改進后優點：（1）電蠟燭不會變短且環保，向一側歪斜的火焰頭造型可以幫助學生觀察判斷對稱性。（2）使用的圓的知識符合八年級學生數學知識的水平。（3）這樣找到的物體或者像的對應點就極其接近一個幾何點，誤差將降到最低。當把像的位置和物體的位置精確到對應點后，再做對應點連線，不論是探究像與物到鏡面距離關系還是探究像與物連線與鏡面位置關系，都能夠做到較為精確，提高了探究的有效性。

3.2" 玻璃板的改進

25010平面鏡成像實驗器中用茶色透明玻璃板（厚度4 mm）代替平面鏡進行實驗，帶來以下問題：（1）物體A在玻璃板的兩個面都會反射成像，造成兩個不重合的虛像A＇和A＇＇，如圖4。為了解決雙面反射帶來“重影”的問題，有一種錯誤的說法是選擇薄玻璃板，使兩個像盡可能重合。筆者用市場上最薄的2 mm玻璃板做實驗，根據對稱性作圖發現兩個虛像的距離是鏡面厚度的2倍即4 mm。玻璃板的變薄實際效果不能讓兩個虛像重合，反而增加了兩個虛像的重疊程度，對于學生在確定像的位置時的難度更大。（2）用蠟燭B代替像A＇測像到鏡面距離時，人眼看到的其實是蠟燭B的虛像B＇， 虛像B＇與蠟燭B之間有段距離，如圖5。因為虛像B＇與蠟燭B不在同一位置，導致測量像距產生誤差，若產生誤差較大影響正確得出探究結果。設玻璃板厚度為d、玻璃折射率為n、物體B發出入射光線在Q面入射角為α、折射角為β，則有BB＇=d（1-■）[ 2 ]。由公式得，折射率、觀察角度不變，玻璃板厚度d越小，B B＇距離越小[ 2 ]。當玻璃板厚度、折射率不變，根據筆者操作發現入射角α越小，B B＇距離越小。改進措施：（1）用轎車的側面車窗的隔熱膜，覆蓋在玻璃板朝向物體的第一個面上，作為反射面，解決“重影”問題。（2）在其他條件不變時，選擇薄玻璃板（長12 cm×寬8 cm×厚2 mm）如圖1，減小B B＇距離。在確定像的位置時，觀察者要盡可能從物體A正后方略微偏上角度觀察像A＇、像B＇，進一步減小B B＇距離。改進后優點：（1）隔熱膜工作原理是盡可能反射，減少紅外線或紫外線對車飾或人體的傷害。而在本實驗中的作用則是讓絕大多數的光在薄玻璃板第一個面反射形成非常清晰的像A＇。只有極少數的光經第一個面折射再在第二個面反射后成像，這個像肉眼幾乎看不見。（2）貼膜后不考慮折射率的情況下，小尺寸玻璃板相對較高大的玻璃板無形中導控了學生觀察的最佳角度， B B＇距離降到最低，使像與物到鏡面距離幾乎完全相等。

圖 4" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 圖 5

3.3" 支架的改進

25010平面鏡成像實驗器配套的4 mm厚玻璃板和支架不能嚴絲合縫。如果用市場上的厚度為2 mm薄玻璃板搭配配套支架，會導致實驗時玻璃板沒法與桌面垂直，使像和物體不能完全重合。改進措施：通過木工電鋸（鋸片厚2 mm），把一個個長方體（長6 cm×寬3 cm×高1.8 cm）小木塊鋸出窄縫（長1 cm×寬2 mm×高1.8 cm）作支架，如圖1。為了讓薄玻璃與桌面嚴格垂直，實驗時還可以引導學生用直角三角板輔助觀察判斷。改進后優點：（1）由于玻璃板厚度和支架窄縫寬度比較接近，貼膜的薄玻璃能較為緊密卡在窄縫里。木工專用電鋸鋸片固定在切割用的桌面上且垂直于桌面，薄玻璃更容易與桌面垂直。（2）薄玻璃與木塊底部成為了整個裝置與桌面的接觸面。由于木塊底面積比配套支架大得多，而且有一定高度，質量更大，所以整個裝置穩定性大大提高。（3）方便拓展實驗：如果想要探究鏡面與桌面不垂直的情況，就可以把木支架取出，用手拿玻璃板改變玻璃板與桌面傾角繼續觀察。把玻璃板拔高到距離桌面一定高度再嵌在木支架上，還可以觀察平面鏡上下平移成像特點[ 3 ]。

4" 研究感悟

真正的項目化學習一般歷時多周多課時，目前全過程的實施難度較大。通過嘗試發現單課時情況下采用項目化學習，還是可行的。采用單課時項目化的學習方式時，要注意對于容易操作且效果明顯的教學環節要強化，而不易操作效果不明顯的環節應該弱化。只要持之以恒地嘗試“單課時”的“項目化學習”研究，最終還是有可能逐漸實現多課時的項目化學習。單課時不管用什么方式進行教學，對實驗有效性的要求都是高標準的，研究改進都是無止境的，有研究定有收獲。

參考文獻：

［1］ 夏雪梅.項目化學習設計：學習素養視角下的國際與本土實踐[M].北京：教育科學出版社，2021：118.

［2］ 聞月豐.玻璃板厚度對探究平面鏡成像的影響[J]. 物理通報，2023（11）：161.

［3］ 曹平.基于科學探究的平面鏡成像教具的改進與教學[J]. 湖南中學物理，2023，38（8）：52.