基于項目學習的初中物理綜合實踐活動的案例分析
——以“自制簡易望遠鏡”為例

陳 剛

（西安交通大學蘇州附屬初級中學，江蘇蘇州 215021）

2004年蘇科版初中物理教材中開始編入綜合實踐活動.它是在一章后或數章后為學生提供的一種項目學習活動.這種學習活動以物理知識和科學方法為基礎，與科學、技術、工程、數學（STEM）相聯系，實現物理學科內的綜合，甚至是跨學科間的綜合.［1］

1 項目學習的內涵

項目學習譯自英語“Pr oject-Based Lear ning”（縮寫為PBL），由美國進步主義教育家克伯屈（Kil patrick）最早提出.項目學習旨在為學生提供真實的情境和特定的教學目標，讓學生制定計劃，綜合運用所學的多學科知識和技能，有效利用各種資源，解決一系列相互關聯的現實問題，最終以產品或研究報告的形式結束.［2］它關注學生在活動中，在聯系社會生活和自身已有知識經驗的基礎上，去主動構建知識，進而形成技能，成長經驗.學生為完成項目任務，能充分發揮自身的主體作用，并在互助合作中獨立地、創造性地解決實際問題.物理是實驗性學科，在項目任務驅動下的學習既符合初中學生的年齡特征，又適合物理的學科特點.在活動中的每一次任務的完成，學生能體驗成功的歡樂，繼而使學習物理的興趣能持久地保持及發展.［3］高質量的項目學習往往指向學生學習的本質，成為發展學生跨學科素養最為重要的一種學習模式.［4］基于項目學習的初中物理綜合實踐活動設計模式如圖1.

圖1

2 “自制簡易望遠鏡”的項目學習案例

2.1 基于生活，確定項目主題

制作簡易望遠鏡是一個基于生活的工程類問題，融合了多學科知識.目鏡和物鏡涉及了物理學中透鏡成像的知識，有利于學生深化物理知識的學習與應用；觀察對象的選擇與天文地理中的月食、流星雨等相關；透鏡、套筒等材料的選擇、組裝和固定等需要一定的工程基礎.

筆者于2021年4月16日開設“自制簡易望遠鏡”的教學，5月26日晚上19∶00左右，學校所在地區可以觀察到月食.以觀察月食為目標向學生提出：大家想擁有一個裝置能夠更清晰地觀看月食嗎？主題明確，又有誘惑力，激發學生的興趣.

2.2 問題驅動，設計解決方案

由于初中物理弱化了凸透鏡成像的作圖要求，初中生還不具備望遠鏡成像原理的認知基礎，如果簡單告知兩個透鏡的距離，讓學生根據提供的器材直接組裝，就失去了綜合實踐課程的意義.因此我們從學生現有的認知（照相機和放大鏡）出發，通過問題驅動，在實驗探究中認識望遠鏡的工作原理，了解其核心部件，進而設計解決方案.

2.2.1 喚醒學生認知，再現照相機

師：同學們能利用工具盒（圖2）里的器材，給遠處的教學樓照個像嗎？原理是什么？

圖2

（學生僅用凸透鏡操作.）

生：凸透鏡成像.

師：照相機拍下來的可以隨時欣賞它，你們的可以隨時看到嗎？

生：不能.

師：看一下我們桌上的操作臺，思考一下，這個操作臺有什么用呢？

生：把相應的器材插在蘿卜上，便于固定器材.

（學生用凸透鏡、光屏在操作臺上操作，如圖3.）

圖3

師：你們對底片上的美景滿意嗎？為什么？

生1：像是倒著的.

生2：太模糊了（不清晰）.

生3：太小了……

師：像比較暗，看不清，你有優化方案嗎？

生1：用手電筒照亮物體.

生2：房間太亮了，關燈.

（關燈觀察，像明顯清晰了.）

師：如果現在我在室外，白天想要照相呢？

生：把光遮一下.

（出示內置光屏的套筒，學生改進實驗裝置，如圖4.）

圖4

師：現在這個像清晰了，你還有不滿意的地方嗎？

生：小，倒立的.

師：為什么我們看到的是倒立、很小的像？

生：凸透鏡相當于一個照相機，且物體離凸透鏡太遠，物距遠大于兩倍焦距.

師：同學們回答的都很棒，哪位同學愿意上來和我一起來模擬一下成像的原理呢？

（師生互動演示成像規律，并在黑板上貼上照相機成像原理的板畫，如圖5.）

圖5

案例分析：放棄光具座，用蘿卜作為固定器材的支架，來源于生活，操作方便，也與蘇科版教材的實驗思想一致——選擇身邊的器材進行實驗.雖然隨著經濟的發展，大部分初中物理實驗不再需要“拼拼湊湊做實驗”，但是“壇壇罐罐當儀器”有利于學生發現身邊的實驗器材，使物理實驗不在局限于學校、局限于實驗室，使物理實驗走進家庭、走向社區和社會.利用學生已有認知，當u＞2f時凸透鏡成倒立、縮小的實像的照相機原理，使遠處物體的像成在近處的光屏上，通過問題驅動，要在任何情況下看清像，需創造一個較暗的環境，使套筒自然的出現，初步為望遠鏡的雛形做好鋪墊.適時在黑板上貼上此時成像時像的大致位置，變抽象為直觀，也為認識望遠鏡的原理做好初步準備.

2.2.2 利用組合思維，再置放大鏡

師：由于物體距凸透鏡較遠，像就非常小.那么我們能不能把這個像放大一點呢？你有什么好辦法？

生1：讓物體靠近透鏡.

生2：換焦距大一點的透鏡.

生3：加個凸透鏡.

師：（追問生3）原理是什么？這個凸透鏡如何放置呢？

生：放大鏡，放置在光屏的后方.（學生實驗，如圖6、圖7.）

圖6

圖7

師：請一位同學仿照之前的方法，在黑板的圖5上再放置放大鏡.

（學生貼板畫，如圖8.）

圖8

案例分析：繼續借助學生已有認知，當u＜f時，凸透鏡成正立、放大虛像的放大鏡原理，將兩個凸透鏡組合使用，可以使遠處物體較小的像適當放大，初步完成望遠鏡的原理，但教師此時并不說破，為后續認識望遠鏡做鋪墊.

2.2.3 巧用自制教具，初識望遠鏡

師：現在我們將套筒的后半截取下，透過透鏡還能看到對面的教學樓嗎？

生：哇！更清晰的像！

案例分析：圖4 中的自制套筒有兩截套筒組成，具體結構如圖9（①為前半截，比較長；②為后半截，比較短，約2 c m 左右；③為半透明硫酸紙，平整密封在后半截的一端，與前半截組裝后置于筒內，相當于光屏；④處開口，規格為2 c m×1 c m，可以卡入凸透鏡的支架，也可以根據需要前后調節；⑤為支架，可以插在蘿卜上，便于固定）.并用單面膠將前后兩截套筒組合后，作為光屏的硫酸紙置于套筒內.這樣既可以保證光屏置于較暗的環境中，也可以在該環節一起隨著后半截套筒而取下，當學生隨后直接透過兩個透鏡再次觀察到更清晰的像時，立刻頓悟——這不就是一臺望遠鏡嗎？圖8的板畫也就是望遠鏡成像的原理圖，使無形變有形，抽象變直觀，學生的認知進一步升華，成功到達最近發展區.此刻，學生不僅僅是看到了一架望遠鏡，還了解了望遠鏡的主要部件，認識了望遠鏡的成像原理，為后續的選材、組裝做好知識上的儲備.

圖9

2.3 團隊合作，實施方案規劃

師：大家想擁有一架屬于你自己的獨一無二的望遠鏡嗎？我們需要哪些主要器材呢？

生1：兩個透鏡.

生2：要兩個套筒，長度一長一短，直徑一大一小.

師：我給大家準備了不同透鏡組（如圖10），請組長來取，先到先得哦.

圖10

（在組內討論的基礎上，組長選取透鏡組.）

師：針對本組選擇的凸透鏡的焦距，請組內討論大小套筒的長度大約是多少？

生1：我們透鏡組的規格是f1＝70 c m 和f2＝10 c m，根據黑板上的原理圖，我們組應該選擇長度約為65 c m 左右的大筒和選擇長度約為15 c m左右的小筒.

生2：我們透鏡組的規格是f1＝20 c m 和f2＝5 c m，根據黑板上的原理圖，我們組應該選擇長度約為15 c m 左右的大筒和選擇長度約為5 c m 左右的小筒.

師：在教室的中間我們擺了很多的筒和輔助材料（如圖11），請同學們根據你們的思考，選擇合適的套筒和輔助材料.

圖11

（學生選擇筒和輔助材料.）

師：器材選好了，我們準備如何組裝呢？

生1：可以用雙面膠固定透鏡，也可以用醫用膠帶固定透鏡.

生2：大、小筒之間的固定用泡沫塑料.

師：大家認真閱讀大屏上的“提醒和建議”（見圖12）后，開始你們的制作.

圖12

（學生動手制作：組裝望遠鏡.）

案例分析：提供不同的透鏡組，給學生有思考和選擇的空間，也可制作成不同放大倍數的望遠鏡，從而能夠比較不同望遠鏡的性能.通過組內合作、組間互助，選擇合適的組裝器材，小組協作完成簡易望遠鏡的制作.雖然知識準備充分，但是學生在組裝過程中依然有較大的難度，如兩個凸透鏡如何固定在大、小套筒內，大、小套筒如何連接才能保證既不松動，又能保證小筒能夠適當前后移動.說明學生的操作能力和工程組裝能力還有待訓練和培養，因此該環節需要教師全程參與、組織和管理，及時跟蹤項目進展、指導學生活動，不斷激勵學生，適時、適度地提供幫助和引導.

2.4 展示交流，實現多元評價

師：制作好的小組，可以利用你們的或其他組的望遠鏡觀察遠處的物體.

（學生活動，如圖13、圖14.）

圖13

圖14

師：我們每個小組都很棒，那么現在大家來談一談，你們制作過程中什么感受呢.

第6 組：制作過程很復雜，實驗材料要精挑細選.

第4組：只要知道了制作原理，完成望遠鏡的制作就很簡單.

第2組：我們在選材的時候選擇的透鏡小了，導致制作不方便，但我還是覺得我們小組很棒.

第5組：我們在制作過程中，在物鏡和目鏡和筒安裝的時候有過分歧，后來我們靜下心來認真分析了他們其中的原理結合老師講解的知識，然后就完成了我們的作品，所以這個作品和老師的教導分不開.

師：請各小組組長和聽課老師將你的獎牌貼在你認為最優秀的小組下方（如圖15）.

圖15

案例分析：通過組內自評、組間互評、教師他評，結合各小組成員整節課的過程動態、參與程度、項目作品的整體結構和使用效果作出多元評價.通過多元化的評價過程和結果，學生反思在學習過程中出現的問題，提高元認知水平.在展示、交流和評價過程中形成經驗性知識，促進知識遷移和應用，學生的思維得以層層優化，從而可以進一步優化項目方案、改進制作工藝，甚至產生新的項目主題，最終達成深度學習，體會項目學習的樂趣.

3 項目學習的意義

3.1 有利于培養學生的核心素養

項目學習是一種以學生為中心的學習方式，它更加注重學生的學習自主性，在學習過程中通過創設具體的問題情景，在更大程度上激發學生的興趣，讓學生成為主動的學習者.由于在一個項目任務中可能涉及多個學科知識，它也更加注重聯系生活，注重學生的親身體驗，讓學生在學習中學會綜合運用知識與技能來解決生活中的實際問題；項目學習更注重對學生創造思維與能力的培養，問題的解決不拘泥于一種方法，學生可以結合自身特長與優勢展開學習.［5］學生在項目的引領下學習，獲取能靈活運用的程序性、綜合性知識，引發學生從多角度思考解決問題的方法，提高學生的思維能力.在實踐活動中，培養學生獨立思考和自主學習的習慣；在小組合作中，培養學生合作意識和團隊精神，發展了學生間彼此接納和尊重、贏得自信與信任、樂于挑戰和創造、積極參與和合作、體驗成功與分享等積極的情感態度，全面培養學生的核心素養.

3.2 有利于促進教師的專業成長

項目學習是跨學科、跨知識領域的綜合學習，這就要求教師能整合物理學科的課程資源以及其它學科的課程資源，甚至是社會生活生產中的資源，因此有時還需要其它學科的教師協同教研，梳理學習素材，根據學生的興趣、能力和生活背景，確定項目主題，設計項目方案.這對教師的課程執行力、領導力和開發力提出十分高的要求.在項目研究中，教師必須認真研讀課標和教材，把握學生的已有認知、研究教學方式和評價標準，在實踐中不斷反思總結，形成教學經驗和課堂特色，促進教師的專業成長.

3.3 有利于整合校本化課程資源

我國科學教育界傾向于將STEM 作為一種以真實問題解決為目標，項目學習為途徑的教學策略.可見，項目式學習理論與STEM 教育理念不謀而合，且十分符合STEM 教育培養綜合性人才的宗旨.2019年頒布的《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》指出：在實驗教學中要遵循學科特點，積極推動學生開展研究型、任務型、項目化、問題式、合作式學習.鼓勵學校向學生開放實驗室，方便學生利用課余時間，以獨立或小組合作方式開展實驗探究.廣泛利用校外資源積極開展科學實驗活動.因此項目學習的活動空間不會只局限于教室，學習的內容不會僅限于教材上羅列的素材.這就需要教師對教學資源重新梳理和整合，把學生的生活作為課程建設的源泉，從學生興趣入手，結合自己的特長，整合地域教育資源，汲取現成教材中的積極因素，設計基于項目的綜合實踐活動，逐步生成和發展鮮明的課程特色，豐富初中物理課程內涵，有效整合課程資源，促進校本課程的建設，［6］有利于“雙減”政策的落地生根.