項目驅動教學法在物理社團活動中的應用

張昌華

摘? ?要：在物理社團教學過程中通過項目教學法設計和制作基于傳感器的項目，學生可以掌握傳感器的原理、結構、性能和分類，以及傳感器的安裝、調試和檢測方法。同時，通過完成項目，學生可以實現理論與實踐相結合，提高分析問題和解決問題的能力，并體驗到沉浸式學習的樂趣。

關鍵字：雙減;物理社團;項目驅動教學法;傳感器;自動消毒消防多功能垃圾桶

引言

自從國家提出《關于進一步減輕義務教育階段學生作業負擔和校外培訓負擔的意見》（簡稱“雙減”）政策以來。從社會和學校對教育教學的理念和需求都發生了變化，要減少學生過重學業負擔，給于學生自由發展空間。國家還提出開展課后服務滿足學生多樣化需求，各校響應國家政策，充分利用課后服務開展各種社團活動來豐富學生課余生活。作者所處義務階段中學也成立初中物理社團。物理社團是由對物理有興趣的愛好者相聚而成的互益組織，組織成員以學生為主，教師是組織者。物理社團將為物理愛好者提供理論聯系實際和培養創新思維活動場所。為了讓學生在社團中自由探究又有小組合作和培養學生解決問題能力，本文探討傳統教學模式與社團教學模式區別，從而確定以項目教學法做為物理社團主要教學方法，利用傳感器設計“自動消毒消防多功能垃圾桶”項目完成本學期的課程教學設計。

1? 物理社團教學模式與傳統的物理課堂模式區別

（1） 教學方法不同：傳統教學模式以課堂講授為主，注重知識傳授和考試成績，而社團教育注重通過學生自主參與、自我管理和自我實踐進行知識和技能的積累和創新。

（2） 學習目的不同：傳統教學模式注重學生對各個學科知識的掌握，而社團教育則注重培養學生的興趣和愛好，提高他們的綜合能力和創造力。

（3） 教學資源不同：傳統教學模式借助書籍、課件等教學資源進行教學，而社團教育依賴更多的是社團團體自身的資源和互聯網等平臺的支持。

（4） 師生角色不同：傳統教學模式中，教師是學生的主導者和引路人，而在社團教育中，教師更多扮演著指導者和激發者的角色，鼓勵和引導學生的自主探索和創新。

（5） 所學內容不同：傳統教學模式中，教師主要教授本學科內容，而社團可以應用跨學課知識進行探究學習。

2? 教學方法

項目驅動教學是一種建立在建構主義理論基礎上的教學方法，是通過實施一個完整的項目而進行的教學活動，采取小組討論、協作學習等多種方式，在教師的指導下共同完成項目任務的一種教學方法，其特點是以學生為中心、教師為指導、項目任務為基礎的新型教學模型[ 1 ]。

作者通過以物理社團學生為載體，按照人數劃分為多個項目小組，而教師在項目中，將知識點分拆、分化，并在教學中用少量的時間以“啟發式”方法引導各小組通過查找資料、小組合作，從簡單認識各種類型的傳感器到利用傳感器完成單一功能電路設計，最終實現具有復雜功能的科技產品。整個項目創作過程中培養學生動手能力并把理論知識聯系實際從而完成知識吸收與內化，在解決問題過程中激發學生創新精神。

3? 教學設計與實踐

《物理課程標準》（2022年版）指出：“強化課程綜合性和實踐性，推動育人方式變革，著力發展學生核心素養凸顯學生主體地位，堅持與時俱進。反映經濟社會發展新變化，科技技術進步新成果”[ 2 ]。課程標準在跨學科實踐中還指出：“初中生結合實例，了解一些新材料的特點及應用”。傳感器是能夠感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件和裝置[ 3 ]。傳感器是現代科技重要結晶，廣泛應用于生產生活中，特別人工智能技術發展，傳感器作為探測器被大量采用，因此把傳感器引入物理社團是必然趨勢也是時代需求。

3.1? 項目選題

選用生活案例和熱點問題設計項目，學生通過運用所學傳感器知識解決問題，并激發學生的學習興趣，為學生高質量地完成項目教學任務奠定基礎。

項目背景：

（1）疫情

2019年末開始新型冠狀病毒在世界范圍內大流行，給人類生命帶來嚴重的威脅，各國政府都想盡辦法阻止病毒的傳播。國家鼓勵民眾做好個人衛生和公共衛生，要求不能隨地吐痰、隨地扔垃圾、每個人佩戴口罩、最后產生的垃圾分類消毒處理。在家庭產生的垃圾也是防疫的重點，特別是在外用過口罩的處理至關重要，而傳統的垃圾桶只有儲存無消毒功能這就存在防疫漏洞。

（2）消防

每年新聞都有報道由于煙蒂引燃垃圾桶引發火災，雖然公眾都知道不能把燃燒的煙蒂扔入垃圾桶，會對煙蒂簡單地處理，但含有余溫的煙蒂碰到易燃物也會引起火災。如果有一種垃圾桶可以發現垃圾桶內燃燒的煙蒂或出現煙霧和溫度突然升高時就能及時報警并滅火，就能把安全隱患消滅。

社團以時小組為單位分組討論并由教師組織各組充分交流，最終社團決定完成一個具有消毒和消防多功能的垃圾桶項目，體現教學以學生為主體、教師為主導的教育理念。

3.2? 項目可行性分析

社團經過討論實現“自動消毒消防多功能垃圾桶”需要解決的有五大問題：

（1）垃圾桶種類的選擇；

（2）控制平臺的選擇；

（3）采用什么方法才能判斷垃圾桶蓋打開還是關閉；

（4）傳感器的選擇；

（5） 消毒方式的選擇。

3.3? 設計與論證方案

問題一解決方案：市場上存在各種功能的垃圾桶，但無同時具備消毒、消防功能垃圾桶，

解決方法一：利用市場上已經具有消毒功能的垃圾桶進行改造增加消防功能，現有的消毒垃圾桶都是采用紫外消毒，但是由于廠家把軟件集成在芯片里了，很難修改再二次開發，增加消防功能。

解決方法二：如利用市場上最簡單功能的機械垃圾桶，從基礎開始開發工作量大，但可以根據需要而設計，最終選擇以機械垃圾桶為本項目的基礎平臺。

問題二解決方案：由于要處理傳感器數據就涉及到處理平臺，市場上有樹莓派、Arduino、單片機，在指導教師建議下，選擇一個開源平臺 Arduino，通過了解Arduino更適合控制硬件，其平臺主要采用C/C++語言，信息課有涉及Arduino和C語言編寫程序。

問題三解決方案：當主人打開垃圾桶蓋，把垃圾扔入后，怎么知道垃圾已經扔完了？要解決這問題是通過判斷垃圾蓋是否重新蓋上了，問題變成怎樣判斷垃圾桶蓋關閉。經過全體社團多次交流討論，上網查資料及指導教師建議，先采用水銀開關（傾側開關）嘗試解決，但效果不好。水銀開關靈敏度不夠，且在桶蓋上安裝比較困難，很容易變形。后來經過多方查資料及多次試驗，利用霍爾傳感器當開關，在垃圾桶身上安裝一個磁鐵，霍爾傳感器安裝在桶蓋上通過靠近和遠離磁場強弱的變化，產生電流信號，判斷出桶蓋閉合或斷開，通過判斷蓋子的閉合來表示扔垃圾行為結束。

問題四解決方案：這個項目要用到多種傳感器，雖然平時教師有簡單介紹傳感器，具體市場上有多種傳感器和使用方法都不了解。按項目功能分別去網上尋找能夠感應溫度、濕度、煙霧、火焰的傳感器。由于本項目要用到的傳感器比較多，通過比較最終選用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器，難點是每種傳感器的連接方式都不同，其中還遇到網上購買的傳感器質量有問題，為問題的解決增加了難度，最終查了很多參考資料并經多次試驗才解決。

問題五解決方案：消毒和消防是本項目的重要功能，市場消毒主要采用紫外線消毒和稀釋84消毒液消毒。紫外消毒需要照射一定時長才有效果，并且物品不能遮擋消毒效果才好，紫外線消毒功率比較大需要大電源，一般應用大型消毒柜。稀釋84消毒液消毒成本低廉，雖然會在物體上有殘留液體對消毒物體有一定的腐蝕，但對本項目無影響，并且利用稀釋84消毒液還可以用來為消防功能的實現提供水源。最終通過分析選擇稀釋84消毒液為消毒原材料，利用垃圾蓋閉合后Arduino控制水泵工作2秒進行抽消毒液噴灑垃圾，如果遇到火情水泵不斷噴灑并報警實現消防功能。

3.4? 項目教學設計

教師預先整理分析項目可能涉及的知識，對項目進行功能分塊與知識點分解，制定項目進度表，通過教師的引導和啟發，構建（項目模塊，知識點）的課程節點模式，并作為學生課程任務，由學生逐步深入項目建設，最終完成系統構建。課程以學生為主體，以項目實踐引領知識點的學習與貫通。以“自動消毒消防多功能垃圾桶”項目教學為范例，以具有一定電學基礎，能夠熟練使用電流表、電壓表，并對串并電路特點和連接有充分了解，還具有Arduino編程經驗的初三學生組成社團，設計出這學期的教學進度表（表1）。

3.5? 教學實踐

按項目功能模塊將社團分為三個小組，每個小組分別完成相應知識資料查閱和功能設計。任務如下：

第一小組查閱霍爾傳感器、火焰傳感器原理和使用方法，并完成傳感器在垃圾桶安裝和測試。

第二小組查閱煙霧傳感器原理和使用方法，動手設計水泵電路和安裝。

第三小組查閱溫濕度傳感器原理和使用方法，并利用Arduino實現對傳感器控制。

教師為學生確立學習任務目標，讓學生在相應的項目情境中進行探究式自主學習，教師在學生自主學習過程中鼓勵學生表達自己對問題看法和創新想法，引導學生通過傳感器實踐加深對理論知識理解。在完成項目模塊后，鼓勵學生撰寫實驗報告和記錄解決問題的心得體會，以此提高學生分析能力和總結能力。每次活動都預留十分鐘讓每組代表分享學習過程的收獲，提出項目實踐過程遇到的困難由全體社員交流和討論。社員之間可以取長補短做到知識和思維的共享，也培養合作和協作精神。最后教師需要對其進行評講總結，分別指出其存在的問題或不足，然后進行針對性教學引導，整體層面提高學生的物理知識學習能力，凸顯項目教學的價值。

3.6? 項目驗收與評價

圖1為項目傳感器連接圖，圖2為局部實物組裝圖。

本作品是集消毒消防為一體的垃圾桶，解決生活中垃圾桶細菌多不衛生，并解決特殊時期防疫生活垃圾消毒問題。本作品安裝各種傳感器利用傳感器反應靈敏實時監控起到監控火情的作用，本垃圾桶可以放在公共區域使用能阻斷疫情傳播和預防火災。通過完成項目，學生可以實現理論與實踐相結合，提高分析問題和解決問題的能力，培養團隊精神、協調溝通和表達表現的能力。因此，項目教學法是提高學生傳感器技能水平的有效方法，本作品還參加第37屆福建省青少年科技創新大賽榮獲三等獎。

4? 結語

在“雙減”政策下開展物理社團活動能豐富學生的課余活動，激發學生學習物理的興趣，采用項目教學法讓每個社員都是知識的貢獻者和收獲者，享受物理社團學習的快樂。在“自動消毒消防多功能垃圾桶”整個項目中，學生是項目設計與實施的主體，有利于初中生對傳感器原理的理解，還在實踐過程中培養學生理論聯系，團隊的協作的能力。

參考文獻：

［1］ 謝麗萍.基于認知規律的項目驅動式翻轉課堂教學模式研究[J].軟件工程，2018，21（1）：44，45-47.

［2］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范出版社，2022.

［3］ 吳建平.傳感器原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2016.