基于項目式學習的高中物理教學

摘" "要：項目式學習注重培養學生的綜合素養，能夠有效推進育人方式的變革。首先，介紹了項目式學習的內涵和要素。然后，根據項目式學習的設計流程，以“設計自行車碼表”為例，探究了基于項目式學習的高中物理教學的設計思路、課程實施方案，并進行了教學反思。

關鍵詞：項目式學習；教學設計；自行車碼表

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

項目式學習是一種以學生為中心的教學模式，是學生從現實中的基本問題出發，圍繞復雜的來自真實情境的主題，以小組方式進行的開放性探究活動。該模式通過完成一系列如設計、計劃、問題解決、決策、作品創建、結果交流等學習任務，最終提升知識建構能力［1］。巴克教育研究所提出了項目學習設計的黃金標準，包含七個要素：具有挑戰性的問題、持續探究、真實性、學生的話語權和選擇權、反思與總結、評價與修正、公開展示作品［2］。結合項目式學習內涵、設計要素以及我國物理教育教學的理論與實踐，項目式學習的學習流程應包含選定項目、項目計劃、活動探究、方案設計（或作品制作）、成果交流、活動評價六個環節。本文基于此理論，以“設計自行車碼表”為例，探究基于項目式學習的高中物理教學的設計思路與課程實施方案，并進行了教學反思。

1" " 項目背景

1.1" " 項目內容分析

項目以“設計自行車碼表”為主題，引導學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，并提出測量的設計方案。項目主題是學習了圓周運動基本知識之后的應用課。“圓周運動”是《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》必修二模塊“曲線運動與萬有引力定律”中的內容，內容要求為：“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、轉速等物理量之間關系的深入理解，也是理論聯系實際、學以致用的紐帶。

1.2" " 學情分析

學生學習了1課時的內容后，已經了解了勻速圓周運動的特點，能夠準確描述圓周運動的快慢，并利用物理量之間的關系進行簡單計算。同時，學生對構建物理模型、分析論證等科學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。自行車是學生十分熟悉的交通工具，但學生并不能深入理解自行車的傳動結構以及其與運動的關系。

2" " 項目設計方案

2.1" " 項目目標

（1）通過對自行車車輪的運動以及傳動結構的研究，能夠建立基于質點的圓周運動模型，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構的研究，能夠根據圓周運動的特點以及各個物理量之間的定量關系，提出設計方案，推理出測量原理。

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

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

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，學時1課時；第2個階段為項目設計與實施，學生通過分組合作形成完善的設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，學時1課時。

2.3" " 項目評價

項目評價由過程性評價和終結性評價組成。過程性評價采用小組互評的方式，評價內容為項目實施過程中小組成員的情感態度及能力。評價量表由教師設計并在項目結束后發給學生進行評價，評價標準參考表1。終結性評價采用組間互評及教師評價的方式。組間互評側重項目成果的評價，方式為課上展示后由其他小組成員進行質疑和提問，也可以對方案發表意見和建議。各小組全部展示完畢后，根據方案評價標準設計量表，對其他小組的方案進行打分。教師評價側重于學習目標的達成，利用后測題進行檢驗。

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

現在，越來越多的人選擇騎自行車進行健身。為了保證騎手能合理地控制鍛煉時間和強度，能不能設計一種裝置，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

設計一種測量自行車里程和速度的碼表。

3.1.3" " 測量原理探究

教師展示自行車，引導學生認識自行車的傳動結構，認識到車輪的滾動與自行車的整體運動有直接聯系。

提出問題：車輪的轉動與車的運動有什么定量關系？為了解決這個問題，設計探究活動及驅動問題展示給學生，學生進行分組探究。

探究活動：祝融號車輪上“中”字的奧秘。

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

驅動問題：

（1）如果車輪不打滑，出現“中”字的間距有什么規律？

（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？每出現一個“中”字，該點通過的距離為多少？

（5）請你總結車輪的轉動與車輪整體向前的運動之間有什么定量關系。這對自行車里程和速度的測量有什么啟示？

學習支架：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，提出結論，并利用提供的教具解釋（圖2）。

結論：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動的弧長。

公式：S=2πrN，式中r為車輪半徑，N為車輪轉動的圈數。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。

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

測量原理：車輪每轉動一圈測一組數據，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，并根據同軸轉動的關系計算出車輪邊緣的線速度大小，即為自行車的實時速度，結果如表2所示。記錄一段時間內測量數據的個數，可得到車輪轉過的圈數。再根據測出的車輪半徑計算里程。

問題探討：自行車車輪每轉一圈測一次速度，這樣測量自行車的實時速度精確嗎？查閱資料后，得出以下數據：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？學生通過計算得出周期約為0.5 s。可以看出，車輪每轉一圈經過的時間很短，一個周期內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。

學生交流：其他組同學對該組的設計方案提出問題或建議。

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

小組成員回答：可以盡量減小孔間距，同時增強發光亮度。

3.2.2" " 展示案例2

該案例是利用磁傳感器測自行車里程和速度。

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

測量原理：磁鐵每轉到對準磁傳感器的位置時，傳感器的示數會出現一次峰值，一段時間內出現峰值的次數即為車輪轉過的圈數，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：B-t圖像中峰值的出現有時并不穩定。通過資料查閱，發現一種更好的替代品——電磁計數器，它可將磁信號轉化為電信號，并能穩定輸出車輪轉動的圈數。

學生交流：其他組同學對該組的設計方案提出問題或建議。

學生2：為什么峰值出現不穩定的情況？

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象有關系。

教師展示案例：利用踏頻傳感器測量自行車的里程和速度。

方案設計：踏頻是單側曲柄每分鐘轉動的圈數。利用踏頻傳感器測出腳踏板的轉速，通過自行車的傳動關系計算出車輪邊緣的線速度和轉速，可得出自行車整體運動的速度和一段時間內車輪轉動的圈數。再根據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點的傳動關系？（2）推導A點線速度、轉速與C點轉速間的定量關系？小組進行合作探究。

學習支架：每組發一個探究傳動關系的自制教具，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，兩盤轉過的角度之比。再根據兩盤的半徑之比，得出皮帶傳動的線速度關系。比較圓盤轉動時同一條半徑上不同點的線速度，可得出同軸轉動的角速度關系。

（2）根據“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”的關系，得出

v=r

n=

3.3" " 小組互評

問題：一個好的方案應該有哪些標準？

學生回答：有效性、科學性、方便性、低成本……

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

3.4" " 中國傳統文化介紹——記里鼓車

中國古代勞動人民發明了一種記錄里程的工具——記里鼓車。《晉書》記載：“記里鼓車，其中有木人執槌向鼓，行一里則打一槌。”記里鼓車通過復雜的齒輪傳動，實現每前進一里，敲一下鼓，體現了中國古代勞動人民的智慧。

展示記里鼓車模型（圖8），并進行演示。

課下活動：同學們，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" " 結束語

項目設計中，學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里程和速度的測量原理、自行車的傳動結構特點，提出了設計方案并進行了展示。最后，由各小組對所有方案進行評價。學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，充分發揮了學生學習的主觀能動性。

測量原理的探究是項目學習中的難點。項目設計通過引入“祝融號”的案例，將問題具體化，并設置驅動問題引導學生合作探究。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，為學生利用現代技術解決實際問題提供了思路。踏頻傳感器的引入既拓展了學生的視野，又提出了探究自行車傳動結構原理的新問題。通過自制教具的探究，將抽象問題具體化，使學生在動手、觀察及合作交流中完成學習任務。課堂中，可利用智能手機中的數據分析軟件和投屏軟件，將傳感器測量數據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生進行互評以外，教師應在課前了解方案內容，在課上給出更科學的評價，鼓勵學生繼續改進并形成項目報告。最后，記里鼓車的介紹是很好的情感、態度與價值觀的教育素材，讓學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：

［1］柯清超.超越與變革：翻轉課堂與項目學習［M］.北京：高等教育出版社，2018.

［2］巴克教育研究所. 項目學習教師指南：21世紀的中學教學法（第2版）［M］.任偉，譯.北京：教育科學出版社，2008.

［3］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（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：鄭州市教育科學研究課題“項目式學習在高中物理大單元教學中的應用研究”（2023-ZJKYB-S11-002）。

作者簡介：王黎陽（1993-），男，中小學一級教師，主要從事高中物理教學工作。