基于微項目學習的物理實驗教學

宋博

一、問題思考

物理是一門學生不僅要學，而且要能動手做的學科，《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中提出21項學生必做實驗，這些實驗也在物理教材中有所體現，在平時的教學中都有學習。開展實驗探究學習的目的是使學生增強對核心知識的理解，同時提升物理實踐操作的能力，提升物理核心素養，落實學科育人功能。但是，由于課時限制，基本素質差異，甚至受“唯考試至上”觀念的影響，在實際的實驗教學中，學生往往屈從于形式而進行假探究，如不進行猜想而是直接根據教材、學案上已設計好的實驗要素進行實驗；跳過設計實驗過程的環節而直接按照學習材料上已設定好的實驗步驟或方案循規蹈矩進行操作；略過對實驗數據和實驗現象的分析過程而直接背誦實驗結論。這樣的實驗探究學習就是假探究，因為缺少了發現問題、猜想假設及設計等實驗環節，學生的科學思維得不到有效訓練，更加缺乏質疑與創新精神。所以，物理實驗教學容易出現一種現象：學生完成了實驗探究，卻不理解實驗的過程，對探究的內容、環節以及結論進行機械背誦，在學習評價時無法有效展示對實驗探究本質的理解，甚至做出錯誤判斷，在實驗的創新應用方面，更是無法結合已有實驗探究知識去發現與新事物之間的聯系，無法進行由知識到生活的遷移，學生不具備實踐創新能力。

針對以上問題，教師嘗試將微項目設計融入常規實驗探究教學，借助其體量小、時間短、易操作、實踐性強等優點提高實驗探究學習的效果，從而實現學生對核心知識的深度學習，培養其素養，提高其實踐能力和創新設計的能力。本文以“探究液體壓強影響因素”教學設計為例，闡述基于微項目學習的物理實驗教學設計思路。

二、微項目學習模式下的實驗教學設計過程

（一）實驗教學內容分析

壓強是壓力作用在物體上產生的一種效果，是運動與相互作用觀的重要體現，是初中物理重點教學的內容之一。液體壓強是壓強知識體系的重要組成部分，在實際生活中有許多應用，如海底探測、潛水器制造、船閘和大壩的設計，生活中的一些連通器工具等。新課標中將探究液體壓強與哪些因素有關作為學生必做實驗，要求學生會利用U型管壓強計、高腳杯、水、鹽水等實驗器材進行實驗探究。

（二）實驗教學設計思路

融合微項目學習的物理實驗探究教學的整體設計思路如下（見圖1）。首先根據新課標中課程內容要求及教材中安排的內容進行實驗探究學習；在獲得結論的基礎上，根據已有認知對實驗任務進行改進或設計創新實驗，從其他實驗過程中再次體現或證明實驗結論；應用掌握的知識和技能，解決生活中的問題，或設計開發新產品。

本文以“探究液體壓強影響因素”實驗為例，將本節課的學習分為2～3個子任務進行。

任務一：利用U型管壓強計、（高）盛水容器、水、鹽水等器材探究液體壓強的影響因素；學習目標為會使用液體壓強計，通過實驗探究了解液體壓強大小的影響因素，能夠表達和展示實驗的過程以及說明實驗結論。

任務二：進一步利用液體壓強的特點及規律知識嘗試改進創新實驗或制作新產品，如利用提供的器材或家中自帶的器材（如軟塑料瓶、吸管、彈性薄膜、美工刀、橡皮筋、膠水等），運用任務一的已學知識，設計其他能夠反映液體壓強大小影響因素的實驗。在設計與制作過程中要積極開展動手實踐，使學生學會與團隊成員的共研、分享、合作和交流，強化其對液體壓強概念的深度理解。

任務三：結合實際生活，嘗試利用學習到的液體壓強知識設計對生活、生產有幫助的功能產品，如改進普通魚缸，設計負壓魚缸，利用液體壓強知識增加魚缸高度、美化環境等，也可以利用這部分知識與其他學科知識融合，設計利于提高生活質量或安全的建議方案，如設計一份關于潛水安全注意事項的指導報告。

（三）實驗過程

任務一：學生在手上套上塑料袋，觀察空氣中塑料袋與手的貼合情況，然后將套有塑料袋的手放入水中，再次觀察水中塑料袋與手的貼合情況，并感受液體壓強的存在；提出問題，液體壓強大小可能與哪些因素有關，根據現象和認知情況進行合理猜想；教師向學生介紹U型管壓強計的結構及使用方法，學生在教師的幫助下設計實驗方案和實驗表格，開展實驗探究活動，觀察現象，收集實驗數據，分析和歸納，發現并總結規律。開展時間為20分鐘。

任務二：在了解液體壓強特點的基礎上，利用軟塑料瓶、吸管、彈性薄膜、美工刀、橡皮筋、膠水、熱熔膠、玻璃管、橡膠管等物品，改進或創新實驗教具，自行設計其他能夠探究液體壓強影響因素的實驗，經歷方案設計、器材制作、實驗驗證、證據解釋等實驗環節，并與其他小組同學交流分享設計成果。開展時間為25分鐘。

任務一和任務二主要利用課堂時間完成。

（四）改進或創新實驗教具

在任務二中的創新實驗設計，選擇的方案可以有多種，本文介紹兩種樣例作為參考。

樣例1：如圖2，用一個軟質塑料瓶（或塑料盒），將其一端開一個口徑適當的孔洞（與吸管橫截面積相當），插入吸管，周圍用熱熔膠密封使其不漏氣。將瓶內裝入適量水并沒過吸管口。向瓶內擠入適量空氣，使瓶內水進入吸管形成一定高度的液柱，標注“0”位置。將器材浸沒于水中，實驗現象如圖3所示，隨著液體深度增加，吸管內液柱高度越高，說明同種液體中，液體壓強隨著深度的增加而增大；保持液體深度一定，沿水平方向緩慢轉動器材，觀察到吸管內液柱高度沒有發生變化，說明同種液體、同一深度處，液體向各個方向都有壓強，且大小相等；保持一定的液體深度，將器材放入鹽水中，發現自制器材的吸管內液柱高度變高，說明液體深度相同時，液體密度越大，產生的液體壓強越大。

樣例2：如圖4所示，用橡皮管套住兩端開口的玻璃管一端，用彈性薄膜封住橡皮管的另一端；從玻璃管的開口處向里注適量水，將橡皮管彎曲，使裝置的兩端具有一定的高度差；固定裝置不動，在彈性薄膜處放置一個指針（可繞O點轉動），此時標記為“0”位置。如圖5所示，逐漸向玻璃管內注水，隨著液體深度增加，指針繞O點順時針轉動，說明同種液體中，液體壓強隨著深度的增加而增大；將管內水換成同等深度的鹽水，對比指針繞O點順時針轉動的幅度，說明液體深度相同時，液體密度越大，產生的壓強越大。

（五）設計延伸

任務三：對在課堂上改進或創新的實驗教具的使用效果進行評估，針對實際情況進行改進。例如，“2.4樣例2”實驗教具的設計思路來源于儀表的改裝。學生在使用過程中會發現如下問題，可以利用物理知識分析原因并嘗試進行調整與改進。

問題1：在向管內逐漸加水增加液體深度的過程中，彈性薄膜的形變程度不是很明顯。

原因分析：彈性薄膜比較硬，壓力大小一定時，彈性形變量不夠大；薄膜的形變是壓力的作用，也可能是因為橡皮管較細，薄膜受力面積較小，液體對薄膜的壓力較小。

改進方法：增加豎直方向玻璃管的高度，使液面的高度差更大，增大彈性薄膜受到的液體壓強；更換粗一些的橡皮管，增大薄膜的受力面積；將橡皮管換成硬度大的塑料管或玻璃管。

問題2：為了提升實驗效果，需要將支點O靠近A端，從而增加指針B端的偏轉幅度。但在使用器材時發現，指針會自動向左下傾斜。而且當液體壓強增大時，指針順時針轉動，當液體壓強再次減小時，指針A端難以自動下降。

原因分析：由于指針受到重力的作用。

改進方法：使用輕質細桿做指針；將指針A端與彈性薄膜用膠固定在一起，可以使指針A端隨著彈性薄膜的形變程度而自由轉動。

任務四：設置驅動性問題，如怎樣解決傳統魚缸能長不能高的問題，在不增加開口高度的前提下，增加魚缸高度，提高觀賞度，美化生活環境。學生可以利用液體壓強知識，結合大氣壓原理、連通器特點等，發揮豐富的想象力，設計負壓魚缸制作原理及方案。成果既可以是制作的負壓魚缸模型，又可以用文字和圖片展現設計方案。驅動性問題也可以是查閱資料了解目前社會上與液體壓強相關的技術成果等。

在實驗教學中融合項目式學習，學生在執行任務的過程中時間和器材、環境資源是重要因素。受課堂時間及環境因素的影響，項目式學習的所有環節并非都能在課堂上完成，這就需要教師在進行實驗教學設計時注意以下一些方面：（1）實驗內容先以新課標和教材中的實驗探究為主，在此基礎上再開展實驗教具的創新或改進，考慮初中學生的認知水平及實踐能力，創新實驗項目最好以微項目為主，占時短、易操作；（2）實驗項目可以在課堂外繼續深度延展到實驗方案改進、實際應用設計、調查報告制作等，如上面設計方案中的任務三和任務四均可以課后作業的方式完成，促進學生深度學習。

三、評價設計

（一）課堂評價

在實驗探究教學中，對學生的操作情況、表述交流、方案設計、結論成果等進行實時評價。例如，在探究液體壓強影響因素實驗的任務一中，可以對U型管壓強計的使用情況進行評價，然后從形成問題猜想、設計與制訂實驗方案、獲取與處理信息、得出結論、評估交流等方面進行過程性評價。在任務二中可以對學生的設計思路、方案制訂、器材制作、演示實驗效果以及交流分享等方面進行評價。評價的方式包括師生互評、學生互評、自我評價等。

（二）跨學科實踐評價

教師可以對學生的設計或制作成果進行評價，還可以從學生提出問題、收集和處理信息、綜合解決實際問題以及團隊合作等方面的能力角度進行評價。例如，在任務三中，可以評價學生對壓強知識的應用情況，對自制實驗器材的改進方案進行評價；在任務四中，對負壓魚缸的設計理念和構造原理圖、產品的制作效果、美觀度、實用性等進行評價；也可對其他調查報告的完成情況進行評價。教師設計適當的評價量規，應注重評價學生的學習表現和學習過程。評價方式可以是產品設計報告、成果展示過程的教師口頭評價、學生互評和學生自評等。

四、反思與啟示

綜上所述，傳統的實驗探究教學融合微項目學習，在進行新課標及教材中要求的實驗探究并獲得規律知識的基礎上，利用對已有物理概念和規律的認知，嘗試改進實驗方法、實驗步驟，設計更多實驗方案或創新實驗教具，用新的實驗過程展現物理規律，加深對知識的深度理解。同時利用已有知識解釋或解決生產生活中的實際問題。這種教學模式能夠夯實基礎知識，促進學生深度學習，形成解決問題的物理觀念和知識體系，同時還能提升實踐創新能力。