基于項目式學(xué)習(xí)的高中物理教學(xué)

摘" "要：項目式學(xué)習(xí)注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，能夠有效推進(jìn)育人方式的變革。首先，介紹了項目式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵和要素。然后，根據(jù)項目式學(xué)習(xí)的設(shè)計流程，以“設(shè)計自行車碼表”為例，探究了基于項目式學(xué)習(xí)的高中物理教學(xué)的設(shè)計思路、課程實施方案，并進(jìn)行了教學(xué)反思。

關(guān)鍵詞：項目式學(xué)習(xí)；教學(xué)設(shè)計；自行車碼表

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）2-0081-5

項目式學(xué)習(xí)是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，是學(xué)生從現(xiàn)實中的基本問題出發(fā)，圍繞復(fù)雜的來自真實情境的主題，以小組方式進(jìn)行的開放性探究活動。該模式通過完成一系列如設(shè)計、計劃、問題解決、決策、作品創(chuàng)建、結(jié)果交流等學(xué)習(xí)任務(wù)，最終提升知識建構(gòu)能力［1］。巴克教育研究所提出了項目學(xué)習(xí)設(shè)計的黃金標(biāo)準(zhǔn)，包含七個要素：具有挑戰(zhàn)性的問題、持續(xù)探究、真實性、學(xué)生的話語權(quán)和選擇權(quán)、反思與總結(jié)、評價與修正、公開展示作品［2］。結(jié)合項目式學(xué)習(xí)內(nèi)涵、設(shè)計要素以及我國物理教育教學(xué)的理論與實踐，項目式學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)流程應(yīng)包含選定項目、項目計劃、活動探究、方案設(shè)計（或作品制作）、成果交流、活動評價六個環(huán)節(jié)。本文基于此理論，以“設(shè)計自行車碼表”為例，探究基于項目式學(xué)習(xí)的高中物理教學(xué)的設(shè)計思路與課程實施方案，并進(jìn)行了教學(xué)反思。

1" " 項目背景

1.1" " 項目內(nèi)容分析

項目以“設(shè)計自行車碼表”為主題，引導(dǎo)學(xué)生運用圓周運動的知識研究自行車的運動，探究自行車速度和里程的測量原理，并提出測量的設(shè)計方案。項目主題是學(xué)習(xí)了圓周運動基本知識之后的應(yīng)用課。“圓周運動”是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》必修二模塊“曲線運動與萬有引力定律”中的內(nèi)容，內(nèi)容要求為：“會用線速度、角速度、周期描述勻速圓周運動”［3］。項目主題既是對勻速圓周運動、線速度、角速度、周期、轉(zhuǎn)速等物理量之間關(guān)系的深入理解，也是理論聯(lián)系實際、學(xué)以致用的紐帶。

1.2" " 學(xué)情分析

學(xué)生學(xué)習(xí)了1課時的內(nèi)容后，已經(jīng)了解了勻速圓周運動的特點，能夠準(zhǔn)確描述圓周運動的快慢，并利用物理量之間的關(guān)系進(jìn)行簡單計算。同時，學(xué)生對構(gòu)建物理模型、分析論證等科學(xué)研究方法也不再陌生，也了解實驗室、生活中一些測速工具的原理和技術(shù)手段，具備運用物理知識解決生活中實際問題的能力。自行車是學(xué)生十分熟悉的交通工具，但學(xué)生并不能深入理解自行車的傳動結(jié)構(gòu)以及其與運動的關(guān)系。

2" " 項目設(shè)計方案

2.1" " 項目目標(biāo)

（1）通過對自行車車輪的運動以及傳動結(jié)構(gòu)的研究，能夠建立基于質(zhì)點的圓周運動模型，并利用線速度、角速度等物理量描述圓周運動。

（2）通過對自行車的運動和結(jié)構(gòu)的研究，能夠根據(jù)圓周運動的特點以及各個物理量之間的定量關(guān)系，提出設(shè)計方案，推理出測量原理。

（3）通過項目的問題分析和小組合作環(huán)節(jié)完成任務(wù)，建立解決問題的一般思路與方法；構(gòu)建物理模型，將生活問題轉(zhuǎn)化為物理問題，并利用常用的實驗技術(shù)手段進(jìn)行實驗實施。

（4）在完成項目的過程中，項目成員能夠關(guān)注社會熱點和科技前沿，有創(chuàng)新意識和團(tuán)隊協(xié)作精神。

2.2" " 項目安排

項目分為3個階段：第1個階段為項目背景介紹以及測量原理的探究，在課上完成，學(xué)時1課時；第2個階段為項目設(shè)計與實施，學(xué)生通過分組合作形成完善的設(shè)計方案并在課下完成；第3個階段為課堂展示和方案評價，在課上完成，學(xué)時1課時。

2.3" " 項目評價

項目評價由過程性評價和終結(jié)性評價組成。過程性評價采用小組互評的方式，評價內(nèi)容為項目實施過程中小組成員的情感態(tài)度及能力。評價量表由教師設(shè)計并在項目結(jié)束后發(fā)給學(xué)生進(jìn)行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)參考表1。終結(jié)性評價采用組間互評及教師評價的方式。組間互評側(cè)重項目成果的評價，方式為課上展示后由其他小組成員進(jìn)行質(zhì)疑和提問，也可以對方案發(fā)表意見和建議。各小組全部展示完畢后，根據(jù)方案評價標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計量表，對其他小組的方案進(jìn)行打分。教師評價側(cè)重于學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成，利用后測題進(jìn)行檢驗。

3" " 項目實施

3.1" " 項目背景介紹及測量原理探究

3.1.1" " 項目背景

現(xiàn)在，越來越多的人選擇騎自行車進(jìn)行健身。為了保證騎手能合理地控制鍛煉時間和強(qiáng)度，能不能設(shè)計一種裝置，可以實時測量自行車的里程和速度呢？這其實就是自行車碼表，自行車碼表的主要功能是實時測量并顯示車速和里程。

3.1.2" " 項目主題

設(shè)計一種測量自行車?yán)锍毯退俣鹊拇a表。

3.1.3" " 測量原理探究

教師展示自行車，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識自行車的傳動結(jié)構(gòu)，認(rèn)識到車輪的滾動與自行車的整體運動有直接聯(lián)系。

提出問題：車輪的轉(zhuǎn)動與車的運動有什么定量關(guān)系？為了解決這個問題，設(shè)計探究活動及驅(qū)動問題展示給學(xué)生，學(xué)生進(jìn)行分組探究。

探究活動：祝融號車輪上“中”字的奧秘。

我國自主設(shè)計的火星車“祝融號”的后輪上被設(shè)計師刻下了一個“中”字，如圖1所示。其技術(shù)意義是根據(jù)車轍中“中”字的間距，判斷車輪是否打滑。

驅(qū)動問題：

（1）如果車輪不打滑，出現(xiàn)“中”字的間距有什么規(guī)律？

（2）車輪上哪一點的運動可以代表車輪整體向前的運動？

（3）每出現(xiàn)一個“中”字，車輪整體向前移動的距離是多少？

（4）若把“中”字看作車輪邊緣上的一個點，以輪軸為參考系，該點做什么運動？每出現(xiàn)一個“中”字，該點通過的距離為多少？

（5）請你總結(jié)車輪的轉(zhuǎn)動與車輪整體向前的運動之間有什么定量關(guān)系。這對自行車?yán)锍毯退俣鹊臏y量有什么啟示？

學(xué)習(xí)支架：為每個小組提供一卷透明膠帶，透明膠帶的開口處粘上一條紙帶，紙帶長度剛好為透明膠帶的周長。

小組展示：解決問題，提出結(jié)論，并利用提供的教具解釋（圖2）。

結(jié)論：車輪邊緣一點以車軸為參考系做圓周運動，運動的弧長等于車整體在地面上移動的距離。

得出測量原理：自行車行駛的里程等于車輪邊緣上的點繞車軸轉(zhuǎn)動的弧長。

公式：S=2πrN，式中r為車輪半徑，N為車輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。自行車整體運動的速度等于車輪邊緣上的點繞輪軸做圓周運動的線速度。

3.2" " 設(shè)計方案的展示

3.2.1" " 展示案例1

該案例是利用光電門測量自行車的里程和速度。

方案設(shè)計：在自行車輪轂側(cè)面固定一個擋光片（寬度2 cm），將光電門固定在車輪側(cè)面，并靠近車輪，使擋光片經(jīng)過光電門時可以遮住發(fā)光孔，如圖3所示。

測量原理：車輪每轉(zhuǎn)動一圈測一組數(shù)據(jù)，即為擋光片的線速度大小。由于擋光片的位置并不在車輪邊緣，需要測出擋光片到車軸的距離，并根據(jù)同軸轉(zhuǎn)動的關(guān)系計算出車輪邊緣的線速度大小，即為自行車的實時速度，結(jié)果如表2所示。記錄一段時間內(nèi)測量數(shù)據(jù)的個數(shù)，可得到車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。再根據(jù)測出的車輪半徑計算里程。

問題探討：自行車車輪每轉(zhuǎn)一圈測一次速度，這樣測量自行車的實時速度精確嗎？查閱資料后，得出以下數(shù)據(jù)：普通人騎自行車的平均速度為15 km/h，約為4.16 m/s，26寸輪轂的自行車車輪半徑約為33 cm。求車輪邊緣的點繞軸做圓周運動的周期？學(xué)生通過計算得出周期約為0.5 s。可以看出，車輪每轉(zhuǎn)一圈經(jīng)過的時間很短，一個周期內(nèi)速度大小的變化可以忽略不計，即車輪邊緣上的點以車軸為參考系做勻速圓周運動。

學(xué)生交流：其他組同學(xué)對該組的設(shè)計方案提出問題或建議。

學(xué)生1：我想提出兩個問題。第一，擋光片的形狀應(yīng)該是弧形，因為線速度的大小是弧長與時間的比值。第二，光電門的發(fā)光孔和接收孔容易遮擋，也容易受到環(huán)境光的影響，怎么處理這個問題？

小組成員回答：可以盡量減小孔間距，同時增強(qiáng)發(fā)光亮度。

3.2.2" " 展示案例2

該案例是利用磁傳感器測自行車?yán)锍毯退俣取?/p>

方案設(shè)計：將磁鐵固定在自行車輻條上，磁傳感器固定在車架上，傳感器探頭對準(zhǔn)并靠近磁鐵，如圖4所示。

測量原理：磁鐵每轉(zhuǎn)到對準(zhǔn)磁傳感器的位置時，傳感器的示數(shù)會出現(xiàn)一次峰值，一段時間內(nèi)出現(xiàn)峰值的次數(shù)即為車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，如圖5所示。再測出車輪的半徑，來計算里程。測出相鄰兩個峰值之間的時間間隔，可以得到車輪邊緣上的點繞車軸做圓周運動的周期。車輪的周長除以周期可以得到線速度大小，即為自行車的速率。

方案改進(jìn)：B-t圖像中峰值的出現(xiàn)有時并不穩(wěn)定。通過資料查閱，發(fā)現(xiàn)一種更好的替代品——電磁計數(shù)器，它可將磁信號轉(zhuǎn)化為電信號，并能穩(wěn)定輸出車輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。

學(xué)生交流：其他組同學(xué)對該組的設(shè)計方案提出問題或建議。

學(xué)生2：為什么峰值出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況？

小組成員回答：我們查閱了資料，可能與磁鐵的運動以及輻條的磁化現(xiàn)象有關(guān)系。

教師展示案例：利用踏頻傳感器測量自行車的里程和速度。

方案設(shè)計：踏頻是單側(cè)曲柄每分鐘轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。利用踏頻傳感器測出腳踏板的轉(zhuǎn)速，通過自行車的傳動關(guān)系計算出車輪邊緣的線速度和轉(zhuǎn)速，可得出自行車整體運動的速度和一段時間內(nèi)車輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。再根據(jù)車輪周長計算出自行車的里程。

原理探究：以軸為參考系，A，B，C，D點均做圓周運動，半徑分別為rA，rB，rC，rD，如圖6所示。（1）A，B，C，D點的傳動關(guān)系？（2）推導(dǎo)A點線速度、轉(zhuǎn)速與C點轉(zhuǎn)速間的定量關(guān)系？小組進(jìn)行合作探究。

學(xué)習(xí)支架：每組發(fā)一個探究傳動關(guān)系的自制教具，如圖7所示。

小組展示：

（1）利用自制教具中的角度盤，可得出相同時間間隔時，兩盤轉(zhuǎn)過的角度之比。再根據(jù)兩盤的半徑之比，得出皮帶傳動的線速度關(guān)系。比較圓盤轉(zhuǎn)動時同一條半徑上不同點的線速度，可得出同軸轉(zhuǎn)動的角速度關(guān)系。

（2）根據(jù)“A，B兩點角速度相同，B，D兩點線速度大小相同，C，D兩點角速度相同”的關(guān)系，得出

v=r

n=

3.3" " 小組互評

問題：一個好的方案應(yīng)該有哪些標(biāo)準(zhǔn)？

學(xué)生回答：有效性、科學(xué)性、方便性、低成本……

活動：以小組為單位討論并評價三個設(shè)計方案，并進(jìn)行打分。互評表的設(shè)計如表3所示。

3.4" " 中國傳統(tǒng)文化介紹——記里鼓車

中國古代勞動人民發(fā)明了一種記錄里程的工具——記里鼓車。《晉書》記載：“記里鼓車，其中有木人執(zhí)槌向鼓，行一里則打一槌。”記里鼓車通過復(fù)雜的齒輪傳動，實現(xiàn)每前進(jìn)一里，敲一下鼓，體現(xiàn)了中國古代勞動人民的智慧。

展示記里鼓車模型（圖8），并進(jìn)行演示。

課下活動：同學(xué)們，請查閱資料了解記里鼓車原理，體會中華文化的博大精深。

4" " 結(jié)束語

項目設(shè)計中，學(xué)生利用描述圓周運動快慢的基本知識，以小組合作的方式探究了自行車?yán)锍毯退俣鹊臏y量原理、自行車的傳動結(jié)構(gòu)特點，提出了設(shè)計方案并進(jìn)行了展示。最后，由各小組對所有方案進(jìn)行評價。學(xué)生在合作探究中運用知識解決問題，鍛煉了解決問題的能力，充分發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。

測量原理的探究是項目學(xué)習(xí)中的難點。項目設(shè)計通過引入“祝融號”的案例，將問題具體化，并設(shè)置驅(qū)動問題引導(dǎo)學(xué)生合作探究。項目借助教具展示，化抽象為具體，較好地突破了難點。

利用光電門、磁傳感器等測量了自行車的里程和速度，為學(xué)生利用現(xiàn)代技術(shù)解決實際問題提供了思路。踏頻傳感器的引入既拓展了學(xué)生的視野，又提出了探究自行車傳動結(jié)構(gòu)原理的新問題。通過自制教具的探究，將抽象問題具體化，使學(xué)生在動手、觀察及合作交流中完成學(xué)習(xí)任務(wù)。課堂中，可利用智能手機(jī)中的數(shù)據(jù)分析軟件和投屏軟件，將傳感器測量數(shù)據(jù)實時顯示到大屏幕上，課堂效果很好。除了對實施測量方案的學(xué)生進(jìn)行互評以外，教師應(yīng)在課前了解方案內(nèi)容，在課上給出更科學(xué)的評價，鼓勵學(xué)生繼續(xù)改進(jìn)并形成項目報告。最后，記里鼓車的介紹是很好的情感、態(tài)度與價值觀的教育素材，讓學(xué)生感受古代勞動人民的智慧，感受中華文化的博大精深。

參考文獻(xiàn)：

［1］柯清超.超越與變革：翻轉(zhuǎn)課堂與項目學(xué)習(xí)［M］.北京：高等教育出版社，2018.

［2］巴克教育研究所. 項目學(xué)習(xí)教師指南：21世紀(jì)的中學(xué)教學(xué)法（第2版）［M］.任偉，譯.北京：教育科學(xué)出版社，2008.

［3］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］. 北京：人民教育出版社，2020.

（欄目編輯" " 賈偉堯）

收稿日期：2023-07-11

基金項目：鄭州市教育科學(xué)研究課題“項目式學(xué)習(xí)在高中物理大單元教學(xué)中的應(yīng)用研究”（2023-ZJKYB-S11-002）。

作者簡介：王黎陽（1993-），男，中小學(xué)一級教師，主要從事高中物理教學(xué)工作。