新課標下高中物理項目式學習的實踐探究

摘 要：基于項目式學習的物理課堂教學，旨在引導學生從日常生活問題入手，真實地解決老年人和嬰幼兒的體溫及濕度監(jiān)測問題。在這一項目式學習案例中，學生不僅能夠?qū)⑽锢碇R與數(shù)學、計算機和通用技術(shù)相結(jié)合，還能夠自主發(fā)現(xiàn)問題、提出解決方案和動手實踐，培養(yǎng)了他們的物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：項目式學習；傳感器；太陽能電池

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）12-0069-5

堅持以目標導向、問題導向和創(chuàng)新導向為原則，更加注重讓學生在真實情境中開展科學探究，是２０２２版新課程標準的重要修訂原則。項目式學習恰好體現(xiàn)了這一點，它能夠有效地將各學科知識融合，解決實際情境中的問題。目前，關(guān)于如何在高中物理教學中實施項目式學習的典型案例仍然較為缺乏。為了更好地落實“做中學”的教育理念，通過構(gòu)造典型案例推廣項目式學習模式顯得十分必要。

１ 項目式學習在物理教學中的教學現(xiàn)狀

項目式學習（簡稱ＰＢＬ）是一種以認知學習為基礎(chǔ)、以學生為中心的教學方法，建立在建構(gòu)主義理論之上。教師根據(jù)課程標準和教學內(nèi)容，以問題為導向，結(jié)合學生的生活經(jīng)驗，通過小組合作探究，旨在解決實際生活中的問題并實現(xiàn)知識的應(yīng)用。項目式學習模式在國外起源較早，相關(guān)研究文獻數(shù)量眾多，應(yīng)用領(lǐng)域也相對廣泛，這表明國外在項目式學習理論和實踐方面已經(jīng)相對成熟。然而，在高中物理教育中，相關(guān)研究仍顯不足，如圖１所示。

根據(jù)對選擇物理的高中學生的觀察和訪談，大多數(shù)學生在學習中往往急于完成任務(wù)，解決物理問題的主要目的是為了通過考試。盡管學生能夠按照老師的指導方法解決問題，但他們很少主動思考其他可能的解決方案，這表明他們在解決項目中的問題時缺乏有效的主動意識。這種主動意識實際上可以顯著提高學生的學習效率。然而，在整個物理學習過程中，如果教師不主動激發(fā)學生的思維方式，他們的創(chuàng)造力和科學思維能力將難以提升。此外，從學生在高中物理實驗中的表現(xiàn)可以看出，學生在實踐中應(yīng)用物理概念的機會較少，動手能力普遍不理想。這進一步說明，目前的物理教學往往僅關(guān)注教會學生如何解題以通過考試，而忽視了實際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。教育學家ＲＯＹ指出，學生可以通過觀察環(huán)境和經(jīng)驗，學習如何表述復雜的事物，而將設(shè)計上復雜的內(nèi)容表達出來能夠促進學生的創(chuàng)造性思維［１］。在這種情況下，教師可以設(shè)計項目，讓學生通過想象、理性思考和調(diào)查來進行設(shè)計。Ｌｉａｎｇ等人認為，這種方法能夠?qū)W生的學習態(tài)度從被動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃樱ぐl(fā)他們的學習興趣，因為在項目設(shè)計的過程中，學生會感受到學習與生活之間更深的聯(lián)系和意義。

在學習物理理論時，學生往往很少提前思考如何創(chuàng)造事物，也缺乏對物理問題創(chuàng)新解決方法的探討。通常，他們只是通過計算來回答問題，但對問題的理解卻不夠深入。在物理實驗中，學生往往僅按照實驗指導步驟進行，缺乏對是否可以嘗試新步驟的思考和培訓。

為了增強學生的動機和思維方式，基于項目的學習模式可以有效實現(xiàn)這一目標。在項目式學習中，學生將接受創(chuàng)造性和創(chuàng)新性培訓，這種環(huán)境能夠有效提升他們的創(chuàng)造性思維，使得項目得以順利創(chuàng)建和實施。Ｈｏｎｇ等人指出，項目式學習是一種重要的學習方法，能夠幫助學生更好地利用工具和媒介，發(fā)揮其教學和學習潛能［２］。根據(jù)Ｈｏｌｕｂｏｖａ的報告，項目式學習在多學科問題的解決和活動教學方面具有明顯優(yōu)勢［３］。

２ 物理項目式學習案例

關(guān)于傳感器的章節(jié)，新版物理教材比較舊版，雖然刪去了實驗探究課程，但實際上增加了很多實用性的內(nèi)容，新版教材中第三節(jié)用傳感器做簡單的自動控制裝置，其實是可以做成實驗的。這一章學習了傳感器的基本原理，也做了簡單的傳感器電路連接。但是，教材中的例子都是非常抽象、簡單的，現(xiàn)實生活中并不能直接利用。因此，本案例將傳感器融入日常生活，并發(fā)揮其實際作用。

２．１ 確定項目主題

該項目以探索失能老人和需要人照料的嬰幼兒為主要內(nèi)容，其身體體溫和濕度尚缺乏及時測量的技術(shù)，導致照料者難以及時發(fā)現(xiàn)他們身體的異常情況。因此，項目“失能老人與嬰幼兒基本生理特征監(jiān)測”旨在基于失能老人和嬰幼兒的生理特征，設(shè)計一種能夠?qū)崟r監(jiān)測體溫和濕度的新能源系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)護老人與嬰幼兒的健康狀況，當他們的體溫和濕度出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)能夠及時提供提示信息。以此項目為主題，讓學生探究傳感器的實際應(yīng)用，培養(yǎng)其分析、解決實際問題的能力。

２．２ 構(gòu)建實際生活情境

情境引入：嬰幼兒需要父母的照顧，生活不能自理的老人同樣也需要照顧。所以，非常有必要對他們的體溫和身體濕度進行監(jiān)控。

２．３ 構(gòu)建項目式學習模型

項目式學習案例如表1所示。

２．４ 項目設(shè)計匯總

２．４．１ 設(shè)計原理

系統(tǒng)通過外部的溫度傳感器和濕度傳感器獲取被護理者的體溫和濕度，檢查其是否存在異常。一旦檢測到數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)將通過外部藍牙模塊將被護理者的健康數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)護人的手機，提醒是否需要更換衣物或進行其他護理。

圖２展示了由濕度傳感器、溫度傳感器、藍牙模塊和手機ＡＰＰ等組成的被護理者監(jiān)測追蹤整體框架。該框架利用傳感器、無線數(shù)據(jù)通信和事件檢測等技術(shù)，實現(xiàn)健康監(jiān)測追蹤的信息化。

設(shè)計的電路主要分為三個部分。主控芯片ＳＴＭ３２Ｆ０３０Ｆ４Ｐ６，選擇此芯片是因為其低功耗和小體積。由于裝置的要求較高，希望在完成功能的同時，芯片盡可能小。傳輸方式主要采用藍牙，因此使用藍牙模塊Ｂ－０００４。溫度和濕度的測量模塊為ＳＨＴ２０溫濕度傳感器。結(jié)合通用技術(shù)，設(shè)計了流程圖（圖３）。

２．４．２ 硬件選擇及原理

藍牙模塊部分：如圖4、圖5所示，傳感器的數(shù)據(jù)采集與手機屏幕顯示之間通過藍牙連接，采用射頻藍牙無線模塊［４］。

Ｂ－０００４模塊可以通過簡單的ＩＯ－Ｃｏｎｔｒｏｌ，實現(xiàn)模塊與模塊之間的點對點傳輸，從而完成模塊與手機的數(shù)據(jù)傳輸。

溫濕度傳感器部分：選用的溫濕度傳感器是ＳＨＴ２０，能夠同時測量溫度和濕度。具體的內(nèi)部測試原理如下：

溫度傳感器部分：光纖柵溫感原理是外界溫度變化引起光纖柵Ｂｒａｇｇ波長的漂移。

濕度傳感器部分：本項目采用電容式濕敏元件，其結(jié)構(gòu)為薄膜電容元件。當環(huán)境濕度變化時，濕敏元件的介電常數(shù)會發(fā)生變化，這將導致電容的改變。

太陽能電池部分：本次供電模塊采用太陽能電池板、太陽能控制器、鋰電池和ＢＵＣＫ型電路。通過小型獨立太陽能發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)傳感器在任意地點的獨立工作，控制中心使用太陽能智能控制器。

可將光伏電池的電路轉(zhuǎn)換成圖６。Ｉｐｈ為光電流，ＶＤ表示ＰＮ截面的二極管，Ｒｓｈ和Ｒｓ分別表示材料內(nèi)部的等效并聯(lián)及串聯(lián)電阻，Ｒ０為外電阻。

根據(jù)變壓器原理，計算得出需要３．３ V～３．７ Ｖ的電壓，因此光伏電池能夠提供所需電源。在光照良好的情況下，太陽能電池可以自動儲電，而在沒有光照時，則可作為正常電源使用。

２．４．３ 發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

獨立太陽能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用太陽能電池板，通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化生成電能。太陽能控制器在系統(tǒng)中發(fā)揮協(xié)調(diào)充放電的作用。整個結(jié)構(gòu)的核心是控制器，其目的是調(diào)節(jié)太陽能電池板、鋰電池和傳感器之間的功率和電壓關(guān)系，以滿足傳感器對輸入功率的需求。

２．４．４ ＡＰＰ程序部分

接收到來自單片機的數(shù)據(jù)后，將其進行處理，并與設(shè)定的標準值進行對比，最終做出相應(yīng)的動作。例如，對于老人而言，可以將其信息及時通知家人或護士，以便進行快速處理。

選取的ＡＰＰ軟件是ＭＩＴ ＡＰＰ ｉｎｖｅｎｔｏｒ。這款編程軟件專為沒有系統(tǒng)學習編程知識的人員設(shè)計，用戶在編程過程中無需專業(yè)研發(fā)人員的幫助，非常適合中學生在項目式課堂中使用。該軟件預先編寫了所有代碼，用戶只需添加服務(wù)選項，按需選擇即可。這意味著學生只需根據(jù)需求拼湊代碼。

２．５  成果測試

對于老人，主要測試其背部的溫濕度，以監(jiān)測身體狀況并提醒調(diào)整衣物。對于嬰兒的尿不濕，同樣可以通過控制溫濕度進行檢測。由于模塊小巧、易于裝卸，既可用于失能老人，也可用于嬰兒尿不濕，體現(xiàn)了作品的多樣性。

在手機ＡＰＰ上，溫度和濕度分別設(shè)置了標準值，并對這兩種數(shù)據(jù)進行分析，最終確定的臨界值為溫度３３ ℃和濕度６８％，如圖７（ａ）所示。當溫度未超過標準值時，界面將顯示當前的溫濕度值；當溫度超過３３ ℃時，手機將震動并顯示當前溫度，提示減少衣物，如圖７（ｂ）所示；當濕度超過６８％時，手機同樣會震動，顯示異常，提醒更換衣物，如圖７（ｃ）所示。

手機ＡＰＰ 使用說明：

ＳＴＥＰ１：打開手機ＡＰＰ。

ＳＴＥＰ２：點擊按鈕“已搜索到的藍牙”，選擇設(shè)備對應(yīng)的藍牙進行連接。

ＳＴＥＰ３：選擇連接對應(yīng)的藍牙后，將返回主界面。藍牙配對連接成功后，中間的“ｃｈｅｃｋ”按鈕前將出現(xiàn)一個綠色的勾，并顯示當前的溫度和濕度，如圖8所示。

ＳＴＥＰ４：需要斷開藍牙時，點擊按鈕“ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ”，關(guān)閉ＡＰＰ。

３ 結(jié) 論

通過本節(jié)案例可以看出，項目式學習在中學物理中的應(yīng)用對教師確實具有一定的挑戰(zhàn)。教師需要對教材內(nèi)容進行優(yōu)化整合，通常還需結(jié)合其他學科的知識，然后再通過項目設(shè)計進行實踐。該案例的籌備時間為一整周，對于項目式學習而言，這仍然較短。學生在開始時甚至不習慣與他人合作。在整個過程中，會不斷出現(xiàn)各種問題，學生會自發(fā)思考解決方法。然而，通過本節(jié)課的學習，基于項目的學習證明了其能夠有效推進學生的創(chuàng)造性思維。結(jié)果表明，基于項目的學習模式比合作學習模式更能激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維。

參考文獻：

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［４］張群，楊絮，張正言，等．藍牙模塊串口通信的設(shè)計與實現(xiàn)［Ｊ］．實驗室研究與探索，２０１２，３１（３）：７９－８２．

（欄目編輯 賈偉堯）

收稿日期：2024-04-02

基金項目：重慶市教育科學規(guī)劃一般課題“新課標下高中物理實驗項目式學習的實踐探究”（K22YG141661）。

作者簡介：羅國（1972-），男，中學高級教師，主要從事中學物理教學以及區(qū)教育局行政管理工作。