基于項目式學習的本土化初中物理綜合實踐活動案例設計

陳 超

(蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇 蘇州 215000;昆山市花橋集善中學 江蘇 蘇州 215300)

桑芝芳

(蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇 蘇州 215000)

《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》(2017版)明確指出課程目標以培養學生綜合素質為導向，著力發展學生核心素養，特別是社會責任感、創新精神和實踐能力[1].核心素養著眼于人的全面發展，是知識、能力、情感態度的整合，具有整體性、普適性和跨學科性等特點[2].筆者認為物理綜合實踐活動是核心素養下新一輪物理教學改革的創新所在.它是一種基于物理知識和科學方法的項目學習活動，學生圍繞項目任務進行探究和設計活動，通過經歷全程的探究和設計深化對科學探究和技術的理解，提升科學探究能力和技術設計能力[3].一線教學中不少教師對其課程性質的把握存在偏差，將它簡單處理為以教師為主導的技術課或實驗課，學生活動完全在教師規定的框架內進行.課堂雖以學生動手實驗為主，但僅訓練了實驗操作能力，學生分析、解決真實問題的能力沒有得到實質性的提升.為此，本文嘗試結合地方資源、學校特點與學生差異，開發“自制彩色舞臺燈”的本土化初中物理綜合實踐活動，以明確且貼近生活的項目任務為主線，利用驅動問題幫助學生綜合運用各學科知識完成作品的設計與制作，培養跨學科核心素養.

1 “自制彩色舞臺燈”項目背景

研學旅行作為綜合實踐活動的重要形式已被納入中小學階段的必修課程.學生通過旅行獲得具身體驗，在真實環境與活動的交互作用中獲得全面發展.筆者任教于昆山某所中學，學校每學年都會組織一次社會實踐活動，“中國第一水鄉”周莊便是常去的一站.大量臺資企業的引入使得昆山有了內地“小臺灣”的稱號，“海峽兩岸中秋燈會”是昆山在周莊舉辦的一大特色活動.燈會以水鄉、古鎮、田園江南格局為依托，將傳統彩燈和水霧、水幕、激光投影等現代光影藝術相融合，重點打造了“水鄉古鎮、臺灣老街、鄉村·祁莊”3個主題片區和“花巷與雨巷”燈光秀區.信息時代的學生雖對燈光表演不陌生，但欣賞之后大多停留在視覺感嘆的階段，沒有了解或思考過舞臺燈的原理和結構.筆者抓住這一情況，融入初中物理電學、光學相關內容與工程設計思想，滲透社會服務意識與民族團結理念，開發了“自制彩色舞臺燈”的項目學習.

2 “自制彩色舞臺燈”項目設計

2.1 項目目標

教學目標是指導、實施和評價教學的基本依據，確定目標是教學設計的首要環節.“自制彩色舞臺燈”是基于現實生活的項目式學習，旨在培養學生的必備品格和關鍵能力，學習任務相對復雜，其教學目標的制定必須清晰、明確、操作性強.現根據《義務教育物理課程標準(2011年版)》相關要求，從物理核心素養的“物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任”4個層面出發，制定如表1所示項目目標.

表1 “自制彩色舞臺燈”項目目標

2.2 項目實施

2.2.1 任務與驅動

利用“表演體會情境”[4]，根據色彩、亮暗變化多端的燈光表演明確項目任務：以小組為單位設計與制作彩色舞臺燈，要求舞臺燈的亮度可調節，顏色可變換.

制作材料：電源(6 V)、LED燈泡(3.6 V，0.75 W)、燈座、開關、導線、定值電阻、電流表、電壓表、滑動變阻器、電位器、彩色濾光片、電機、熱熔膠槍、硬紙板等.

任務驅動1：如何使一個LED小燈泡發光？

學生在電學實驗中白熾燈用的較多，對LED燈較陌生.教師課前給出對比表格(見表2)，鼓勵學生利用圖書、網絡等資源從材料、能量轉換、電路連接特點等方面對白熾燈和LED燈進行區分，完成表格內容.學生對比發現發光二極管單向導電的特性，根據白熾燈發光的簡單電路設計使LED燈發光的電路圖，如圖1所示.

表2 比較白熾燈與LED燈

圖1 使燈泡發光的簡單電路

教師：你設計的電路能直接使用嗎？如何才能使LED小燈泡正常發光呢？

學生小組交流討論，仔細觀察實驗器材的相關參數，通過簡單計算發現電路中需要添加阻值約為12 Ω的定值電阻才能使LED燈正常發光.根據結論修改電路設計(如圖2所示)，完成實物電路的連接.

圖2 使LED燈正常發光的電路

分析：布置課前作業幫助學生做好學習準備，培養自學能力.通過表格對比，學生自然而然地從白熾燈的發光電路遷移設計LED燈的發光電路，形成一定科學思維.在計算電路保護電阻時，需要讓學生意識到LED燈不是純電阻，不能直接運用歐姆定律計算它的電阻.閉合開關后會有小組出現發光二極管不亮的情況，引導學生自主討論原因，找到“調換電源正負極”的解決方法.此環節的設計能夠幫助學生進一步理解和運用歐姆定律，強化安全用電意識，形成確保產品使用安全的基本設計思想.

任務驅動2：海峽兩岸燈會的舞臺燈亮度或明或暗，如何才能改變LED小燈泡的亮度？

學生小組內部先展開頭腦風暴，提出在原有電路的基礎上加入不同阻值的定值電阻、滑動變阻器、電位器等方案，并設計符合要求的電路圖(如圖3所示).

圖3 學生設計圖：調節LED燈的亮度

再以小組為單位面向全班展示設計圖，闡述設計思路，接受組間評議.方案(a)每次調節LED燈的亮度都需要拆解電路，重新連接，操作麻煩，且電路中LED燈的亮度不可連續調節.方案(b)雖可有效解決方案(a)的兩個問題，但此調節方式實用性不高，制成的產品體積會比較大.方案(c)中用到了電位器，電位器的本質與滑動變阻器相同，但體積相對較小，旋轉旋鈕即可改變接入電路的阻值，操作簡便.

教師：修改方案(c)使電位器順時針旋轉LED燈變亮，逆時針旋轉LED燈變暗.

學生根據要求修改電路圖(如圖4所示)，并完成實物電路的連接.

圖4 學生修改后的設計

分析：根據海峽兩岸燈會舞臺燈的明暗特點提出驅動任務，激發學生學習興趣的同時，強制學生主動聯系電學知識給出多種方案，增強解決實際問題的能力.通過組間評議活動，學生對不同的方案進行審視與反思，學會科學質疑與論證.明確方案優缺點后，進一步的修改要求幫助學生熟悉電位器的使用，學會判斷不同連接方式下電位器的電阻變化，同時使得產品設計更符合日常使用習慣.

任務驅動3：海峽兩岸燈會的舞臺燈色彩多變，我們又如何改變燈光的顏色呢？

學生的設計思路大致有以下幾條：

(1)根據并聯電路特點，在電路中直接并聯多個彩色LED小燈泡，每條支路上的LED燈各有一個控制開關，需要什么顏色的燈光，閉合對應支路開關即可.

(2)根據并聯電路特點和光的三原色原理，在電路中并聯紅、綠、藍三色LED小燈泡，3條支路各有一個控制開關，通過三原色光不同比例的混合可得到不同的燈光顏色.

(3)根據透明物體只能透過與其顏色相同的色光，在普通LED小燈泡前更換不同顏色的濾光片即可改變燈光的顏色.

教師對學生的設計思路給予充分的肯定，鼓勵小組對不同方案進行評價.

方案(1)的設計簡單明了，但若要實現燈光顏色的多樣性，需要的彩色小燈泡數量較多，制作成本高.方案(2)理論上能夠得到所有顏色的燈光，但實驗操作難度較大，實際效果可能不理想.方案(3)只需在驅動任務2的電路基礎上加上濾光片，操作簡單，成本較低.

教師：方案(3)每次改變燈光顏色都要人為手動更換濾光片，如何改進才能使LED燈實現自動變色呢？

學生集思廣益，形成解決方案.用硬紙盒制作一個燈箱，拿一塊硬紙板剪成圓形，圍繞紙板圓心打上大小合適的圓孔，每個圓孔分別粘貼不同顏色的濾光片，再將圓形硬紙板與電機連接固定在燈箱中，通過電機工作帶動圓形紙板旋轉，從而實現LED燈的自動變色，設計如圖5所示.

圖5 學生設計圖：改變燈光顏色

分析：此驅動任務需要學生綜合運用光學知識，靈活應用不同物理原理設計解決方案.教師引導學生從方案的可行性、產品的實用性和美觀性出發評價各方案的優缺點，使學生在項目的設計與完善中主動實現知識的意義建構，學會多角度思考和分析問題.“舞臺燈自動變色”的項目小任務也使學生深刻體會到科技方便生活.

任務驅動4：完成舞臺燈的制作，附上產品說明書.

小組學生根據設計圖紙分配組內任務，填寫活動記錄單.教師巡回觀察，適時且適當地指導學生出現的問題，確保各小組能按計劃完成產品的制作.

分析：實際產品的制作可以使學生熟練掌握多種操作技能，培養動手實踐能力與創意物化能力，學會團隊分工與合作.制定產品說明書的任務也能幫助學生進一步明確產品的原理、功能和使用方法，構成產品開發的完整流程.

2.2.2 成果與反思

完成舞臺燈的制作后，教師組織開展產品發布會，給出問題：如果你是消費者，你更愿意選擇哪個舞臺燈呢？學生以小組為單位簡單展示自制舞臺燈的設計圖紙、燈光效果、使用說明書等.發布會不僅僅局限于展示產品，學生還可以分享自己在項目學習中的收獲、遇到的問題和對“項目制作”這種學習方式的看法等.

拓展與延伸：

(1)學生制作的舞臺燈功能相對單一，與周莊燈會的燈還存在不小的差距.學生可在現有基礎上繼續優化，如增加角度調節和旋轉功能、設計“花巷與雨巷”燈光秀區的圖案燈等.

(2)課后作業：整個周莊海峽兩岸燈會使用了百余組彩燈，嘗試調查燈光秀消耗的電能，寫成調查報告.通過拓展作業啟發學生關注能源問題，幫助學生認識科學·技術·社會·環境之間的關系.

(3)海峽兩岸燈會全方位地展示了昆山與臺灣的交流合作成果，請你結合自身實際談談如何進一步促進兩岸友好關系的建立.給予學生自由空間，在暢所欲言中進一步深化民族團結的愛國意識.

2.2.3 交流與合作

小組活動是項目式學習的主要組織形式，交流與合作貫穿于項目式學習的全過程.每個驅動問題的解決都是在組內成員的討論、質疑中完成的，而針對每個問題提出的方案也是在小組之間的展示、評議中完善的.學生通過學習共同體的合作與交流解決現實問題，在獲得理論知識、技能與實踐經驗的同時也收獲了極大的成就感，激發出強烈的學習內驅力.組與組之間的項目競爭也更有利于培養學生的集體榮譽感，形成團隊意識.另外，教師也是學習共同體的一員，主要起著觀察、傾聽、指導的作用.

2.3 項目評價

初中物理綜合實踐活動主張多元評價和綜合考察[1].“自制彩色舞臺燈”項目采用學生自評、生生互評、教師點評的多主體評價和口頭、匯報、列表賦分等多種評價方式，將評價貫穿于項目的每個環節.除了對產品的評價，項目式學習的評價內容更側重于學生個體的縱向發展情況.教師要深入分析產品背后的學生思想、創意與體驗，利用寫實記錄、個別訪談、檔案袋等質性評價方式時刻關注學生在項目活動中的各種表現和處理問題的各種策略.整個項目力求通過多樣化、多主體、有針對性的適時評價層層挖掘學生潛能，激發學生挑戰欲望，不斷增強學生的實踐能力、創新能力與綜合解決實際問題的能力.同時根據項目評價反饋，教師可以靈活機動地調整項目設計，不斷完善項目目標、項目實施等多方面內容.

3 總結與建議

“自制彩色舞臺燈”的項目學習活動顛覆了傳統的教學模式，通過產品的開發與創新促使學生主動整合跨學科資源，在一個個難點突破中逐漸培養創新意識，提高創意物化能力.該項目還利用本土資源和地方文化打破了國家課程的單一性，通過真實學習情境的創設激發學生學習內驅力，提高學習效率.當然，這種全新的教學模式也對教師提出更高的要求.教師要充分把握教材內容，了解學生學情，合理設置項目主題與驅動任務.項目學習的任務背景通常是現實生活中的實際問題，內含更多的知識難點和技術難題.這就需要教師提前預判項目實施的大致過程，清楚探究活動中的難點、重點與興奮點，做好充分的準備.同時教師也要具備終身學習意識，不斷拓展各類知識儲備，強化掌握各種技能，提高自身教學素養.

另外，本文僅僅是從初中物理學科的角度，抓住周莊的一個特色活動“海峽兩岸燈會”設計了“自制彩色舞臺燈”項目.我們還可以利用周莊古戲臺的昆曲表演和舞臺表演的升降設備開發“自制昆曲古樂器”和“自制簡易電梯”項目，組合形成本土化初中物理綜合實踐活動系列課程，著重培養學生跨學科的科學素養.或者進一步向外拓展從名勝遺跡、名人文化、紅色記憶、水鄉特產、家鄉發展等方面融入道德、歷史、藝術等方面的人文教育，構建“周莊文化”綜合課程，全面培養學生的核心素養.