基于項目式學習的高中物理實驗教學設計

[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼]A [文章編號] 1674-6058（2025）20-0055-04

一、項目式學習的內涵及意義

項目式學習是一種強調學生主體性、創造性和問題解決能力的教學方法。項自式學習中，學生從實際問題出發，確定目標，制定并實施方案，協同攻克難題、完成項目，最后展示成果。此過程不僅能加深學生對知識本質的理解，使其更好地探究復雜真實問題，還能鍛煉學生的實踐操作能力，助力他們設計創意作品。項目式學習融入杜威“做中學”思想，讓學生在真實情境中調動已有知識解決問題，充分發揮主體性，有利于培養學生的學科核心素養[]。

二、項目式學習促進實驗教學

項目式學習為實驗教學創設真實情境、布置復雜任務，打破實驗教學局限于驗證性實驗的桎梏，有效彌補傳統實驗教學的不足。它既能增強學生的自主探究能力和合作意識，又能讓實驗更具探究性和創新性。項目式學習和實驗教學都強調通過實踐操作和問題解決提升學生的學科核心素養，目標高度契合。基于此，將項目式學習自然融人實驗教學，可使實驗教學更加系統、科學。同時，通過反思和改進環節，學生能不斷優化實驗設計與操作，提升實驗學習質量。

項目式學習以學科知識為載體，以深度學習和持續構建學科知識體系為目標，將學與用貫穿于教與學的過程中[2]。以項目式學習開展高中物理實驗教學，是實現學科核心素養培養、提高實驗教學質量的有效途徑。在項目式學習過程中，學生全程參與項目的設計與實施，充分鍛煉了動手操作能力。在設計環節，學生需要提出多種方案并篩選出最優的方案，提升了創新思維能力和問題解決能力。

三、基于項目式學習的高中物理實驗教學設計

“利用傳感器制作簡單的自動控制裝置”是一節實驗課，但傳統實驗教學側重于分析、解釋和組裝，不能很好地實現學科核心素養培養目標。為此，需借助真實需求導向的任務，模擬產品設計過程，讓學生經歷實驗組裝、驗證的過程。在教學中，教師引導學生運用物理學科的概念、思想與工具，采用分析、設計、實驗、實踐等方式，解決真實情境中的問題[3]。從而形成一節以\"設置真實情境，提出真實需求，應用物理規律，設計合理方案，選擇合適器材，實驗驗證效果，總結實踐經驗”為主要環節的項自式學習課。本文以“利用傳感器制作簡單的自動控制裝置”為例，探討基于項目式學習的高中物理實驗教學設計。

（一）項目提出—初步了解產品設計的關鍵要素

問題情境：住宅、商店、倉庫等場所為保障人身和財產安全，需設計門窗被打開時的自動報警裝置。

問題：如果你是產品設計師，需重點考慮哪些要素？

產品設計要素眾多，教師借此問題引導學生討論，聚焦功能性（滿足用戶需求）、可靠性（穩定耐用）、可用性（簡單方便）三個關鍵要素，激發其產品設計興趣與欲望

（二）項目分析—分析功能需求，形成實現途徑，選用合適元件

引導學生將門的開關狀態與電學裝置狀態一一對應，這是實現自動控制的前提，也是本環節的重點。明確此關鍵方向后，通過以下具體問題，引導學生思考自動報警裝置的設計要點。

問題1：該裝置對應門的哪兩種狀態，如何用電學裝置顯示？

問題2：如何將這兩種狀態與提示方式對應，作為一個子功能？

學生討論后，從可用性考慮，決定用“發聲”與“發光\"區別“開”“關\"狀態，達成共識：“開”對應發聲裝置，“關\"對應發光裝置。

問題3：實現自動控制，需將“開”與“關”這兩種狀態轉化為什么信號？

問題4：可用什么裝置將上述兩種狀態轉換為電學信號？

學生想到要將“開”“關\"信息作為觸發信號，但不確定哪個元件能被其觸發，遇到困難，進而思考并提出“紅外觸發，門開時阻斷光的接收”“機械觸發，門開時電路斷開”“聲音觸發，人走進來發出聲音\"等方案。討論中，學生認識到“機械觸發”易損壞，可靠性差；“聲音觸發\"存在聲音干擾和輕聲開門時不觸發的問題，可用性差；“紅外觸發”不了解，暫時無法設計；“干簧管觸發”可實現“非接觸”且耐用的開關功能（見表1）。

表1四種觸發方式的功能比較

學生就報警元件選喇叭還是蜂鳴器展開討論。部分學生因曾在電影中看到用喇叭提醒誤入警戒區的人，認為喇叭可行，但意識到其不適合家庭使用。在討論過程中，話題延伸到指示元件的選擇，學生意識到選用二極管作為指示燈比普通燈更節能。

（三）項目設計—設計實現門窗防盜報警功能的電路

問題1：請設計“門打開時蜂鳴器報警”的電路

（如圖1或圖2）。

圖1蜂鳴器報警電路1

圖2蜂鳴器報警電路2

問題2：請設計“門關上時二極管發光\"的電路（如圖3）。

圖3二極管發光電路

問題3：分成兩個電路能否實現“自動\"這一功能？需要在一個電路實現兩個功能，哪些是公共部分？哪些是獨立部分？可用什么裝置實現兩個功能之間的切換？

問題4：請將上述兩個電路整合成“門窗防盜報警”電路（如圖4）。

圖4門窗防盜報警電路

電路設計是難點環節，教學中教師遵循由簡入繁的原則進行思維引導，讓學生經歷從子功能實現到多功能整合的過程。

學生首先產生困惑：門打開時，蜂鳴器發聲，干簧管是接通還是斷開？常開或常閉干簧管與蜂鳴器應串聯還是并聯？接著推理：門關上時干簧管閉合，二極管發光。學生質疑：用兩個電路實現功能太浪費，遂提出共用干簧管和電源，將兩個功能整合到一個電路中。隨后，學生又疑惑繼電器如何將干簧管的通斷信號轉換為兩個支路的開關信號。解決一系列疑惑后，小組完成電路圖設計并展示其工作原理。

（四）項目實踐與評價—完成實驗與評估效果

問題1：電路中電源電壓與各電學元件的額定電壓、額定電流之間應該滿足什么關系？

問題2：請根據電路圖列出所需的電學元件，并由電壓（電流）之間的關系選擇合適的元件

問題3：怎樣才能安全、快捷地連接電路（如圖5）？

圖5門窗防盜報警電路實物圖

問題4：如何判斷預期功能是否實現？

問題5：請總結一下利用傳感器制作簡單的自動控制裝置的設計思路。

選擇電學元件的額定電壓（電流、功率）時，學生認識到元件參數需相互匹配。教師可引導學生思考：若蜂鳴器的額定電壓為5V，應選幾伏的電源電壓？若發光二極管的工作電流為 5～10mA ，應選擇多大的保護電阻？如何選擇合適的繼電器？

從任務情境分析到自動控制裝置的實現，這一過程充分展現了學生的綜合思維能力。教師引導學生總結問題解決過程，列出項目實施的一般路徑（如圖6），提升學生的元認知水平。

任務情境 需求分析 特征解讀 元件選擇 電路設計報警電路、發光電路，合電路→ → → ↑ √真實問題 感知門窗開關 門窗開關時相 干簧管 實驗驗證 分組實驗門窗防盜報警 報警裝置 對位置的變化 蜂鳴器 √ 功能驗證動接通電路 轉換為開光 電磁繼電器 反思提升 學生反思過路自動切換 遷移思維方法

（五）項目改進—分析光控開關的功能需求并設計電路

問題情境：街上的路燈采用定時開關，但存在一些問題，如天氣晴好、傍晚天還很亮時路燈就亮了，而陰雨天，天很暗了路燈卻還未開啟。那么，可用什么傳感器來實現對路燈的自動控制呢？

問題1：強光照射時，光敏電阻的阻值如何變化？對應路燈的狀態是什么？反之呢？

問題2：圖7中三極管的作用是什么？

圖7二極管（模擬路燈）發光電路

問題3：圖7中，怎樣才能讓三極管導通，從而使二極管（模擬路燈）發光？

問題4：請連接電路，并解釋圖7的工作原理。

在“功能分析”環節，教師引導學生總結出“無光照或少光照時燈亮，有光照時燈滅”的規律。從“光敏電阻與三極管直接控制LED燈\"轉變為\"將其作為開關信號觸發開關動作”，這是自動控制思維的一個重要突破。

教學過程中，教師要給學生留足討論時間，并逐步引導他們關注三極管的自動控制功能。三極管的功能及其三個接線腳的接法是教學難點，教師可引導學生從電勢高低、電流強弱、串并聯電路的關系等角度進行分析。

問題5：圖8中，繼電器的作用是什么？為什么要使用繼電器？并聯在電磁繼電器上的二極管有何作用？能否換成一個普通電阻？

圖8 路燈電路

問題6：請連接電路，并解釋圖8的工作原理

問題7：學校的樓道燈，需要在晚上有人時開啟，開啟樓道燈需要幾個條件？它們是“與”還是“或”的關系？需要什么傳感器？你能粗略描述一下電路結構嗎？

教師引導學生思考并質疑：三極管集電極的電流能否直接點亮路燈？由此引導學生將該電信號作為開關信號，實現開關動作以點亮路燈，實現思維方法遷移。接著探討：若要在天更暗時點亮路燈，應如何調節 R₁ ？隨后引導學生分析樓道燈的開啟條件，學生發現需同時滿足天黑（由光敏電阻判斷）和有人（由紅外人體感應傳感器檢測）這兩個條件。

（六）項目升華—了解自動晾衣架的功能需求與電路設計

問題情境：下雨時，晾衣架收回；天黑時，晾衣架收回。

問題1：晾衣服時對應哪些典型的天氣環境狀態？什么傳感器可以感知這些環境狀態？

問題2：在不同的天氣環境下，自動控制裝置需要采取什么動作措施？

問題3：傳感器與動作之間通過哪些控制裝置進行信號傳輸？

問題4：請設計自動晾衣架的工作原理圖（如圖9）？

圖9自動晾衣架的工作原理

問題5：分析圖10所示裝置的工作原理，小組討論并判斷其能否實現收衣服的自動控制。若要求晾衣架收回后，還能根據天氣情況自動晾出去，應如何改進設計？

圖10 自動晾衣架的電路

電路分析：該電路由光敏電阻、濕敏電阻、三極管等元件連接而成，通過繼電器控制兩個并聯的開關，再與常閉干簧管串聯，共同控制電動機電路的通斷以實現相應功能

鑒于本裝置的電路較為復雜，可將其系統分為電機工作部分與環境感知部分分別分析。電路系統對應兩個控制模塊，可拆開分析。如下雨時，濕敏電阻將信號傳遞給控制裝置，控制裝置啟動電動機，電動機經傳動皮帶收回晾衣架；當磁鐵靠近干簧管時，干簧管向控制裝置傳遞信號以關閉電動機，收衣動作完成。

四、設計反思

這節課涉及傳感器、繼電器和三極管等內容，學生較為陌生。傳統教學通常按照“情境介紹一功能分析一電路分析一實驗講解一實驗操作\"的流程組織學習，但這種方式忽視了學生的主體作用，未能很好地體現新課標“運用學科知識解決生活中的實際問題”的要求，也不利于科學探究素養的提升。本教學設計立足指向核心素養的學科實踐教學，讓學生在模擬產品設計的過程中運用學科知識解決真實情境問題，發揮該其實踐價值。

在高中物理實驗教學中，教師可通過“導體電阻率測量”“簡易電動機設計”“自動澆花系統設計”“太陽能充電器制作”“用撲克牌完成橋梁承重結構設計”等實驗，提升學生的項目式學習能力。在高中物理實驗教學中，項目式學習通過創設真實情境任務，驅動學生沿著“問題提出一方案設計一實踐驗證一迭代優化”鏈條進行探究，整合學科知識與實踐內容，促進科學思維建構與科學探究素養發展。項自式學習采用成果導向協作學習模式，不僅增強了實驗教學的情境性與開放性，還通過跨學科融合與創新性解決問題，推動實驗教學從“驗證性操作”向“素養本位實踐”范式轉型，顯著提升了實驗教學的綜合育人效能。

[參考文獻]

[1］徐海浮，張馬悅.基于項目式學習的“自制天文望遠鏡”教學實踐案例[J].物理教師，2024，45（8）：27-29，34.

[2]袁加興.項目式學習的高中物理實驗專題復習課探索：以新人教版“導體電阻率的測量”為例[J」.物理教師，2022，43（4）：85-87，90.

[3」江險峰.指向核心素養的高中物理學科實踐：以“曲線運動”教學為例[J].中學物理教學參考，2023，52（32）：15-18.

（責任編輯 黃春香）