項目式教學視角下的跨學科實踐教學設計
——以初中物理光學單元為例

許瀚勻 吳錫理 姚建欣

(1. 浙江師范大學教師教育學院,浙江 金華 321004; 2. 北京師范大學物理學系,北京 100875; 3. 溫州市鹿城區教育研究院,浙江 溫州 325000)

為了落實核心素養培養要求,2022年義務教育物理課程標準增設了“跨學科實踐”,要求選取與日常生活、工程實踐及社會熱點關聯緊密的育人情境和系列問題,提升課程教學的綜合性和實踐性.[1]項目式教學通過完成科技探索類的項目來組織教學,能有效促進學生核心概念的理解和關鍵能力發展,[2]是課程標準所倡導的教學方式之一.即以項目任務創設教學情境,以真實問題驅動教學任務,在參與項目探索的過程中發展核心素養.本文選擇課程標準中一級主題“運動和相互作用”下的二級主題“聲和光”的光學部分,在參考國內外教材、教學設計的基礎上,經過多輪實踐探索,開發了初中物理光學跨學科實踐教學“制作校園logo投影燈”.教學設計立足物理學科核心內容,同時融入“結構與功能”等工程技術思維方式.期望以此對以物理學科為主體的跨學科實踐教學進行探索.

項目式教學設計的基本模式為根據課程標準和學情分析確立教學目標,以驅動問題為線索組織課程內容,形成連貫教學序列,結合學習評價反饋結果調整教學內容和策略,達到核心概念和關鍵能力共同進階.以下按 “教學目標”“驅動問題”“教學序列”“學習評價”等要素展現設計過程.

1 確定教學目標

通過分析課程標準內容要求和學業質量要求,明確學生在光學單元應知道光的直線傳播、反射、折射和色散等現象及原理,探究光的反射、平面鏡成像和凸透鏡成像規律,能夠應用光線模型、平面鏡成像規律、凸透鏡成像規律分析解釋現象,解決簡單問題.

除了以課程標準要求為目標之外,還需對學生的學習起點進行分析.學習起點重點對學生已有知識、能力水平作出診斷,即學情分析.在小學階段,學生通過觀察、實驗活動和日常經驗對光學概念有了碎片化的認知.對尚未系統學習光學知識的學生進行調查發現大部分學生對光學概念的認知依賴于日常經驗,沒有概括形成規范的科學術語,一般是碎片化的;少部分學生能進行簡單歸納推理,建立簡單的光線模型.[3]根據課程標準和學習起點的分析,按物理學科核心素養維度對光學單元提出下述教學目標(如表1).

2 設定驅動問題

驅動性問題是在項目式教學中事先設計好的問題,由教師和學生共同設計、探究和回答.驅動問題是項目式教學的核心組織特征.[4]其為學生的學習提供有意義、有價值的真實問題情境,建立項目式教學與學生生活的聯系,從而激發學生好奇心,引發學生持續的思考和探究,并引領和串連不同階段的教學活動.遴選驅動問題,需考慮課程標準的學業要求和學生生活中的真實問題,從學科觀念的視角審視課程內容的結構安排,分析核心知識內容和能力培養要求.好的驅動性問題一般具備以下特征:激發好奇心、可行性強、學習價值高、情境化、可持續性、符合科學倫理規范.光學單元的驅動問題可以設置為“如何設計并制作logo投影燈”“眼見是否為實”等.本單元以“如何設計并制作logo投影燈”為項目驅動問題,表2以此為例對驅動性問題的特征進行解讀.

表2 驅動性問題的特征

3 安排教學序列

為實現單元教學目標,需設計完成教學目標和解決真實問題的一系列關鍵節點和可能路徑.在光學單元教學設計中,項目以核心概念的構建為主線,關鍵能力的培養為暗線串聯教學序列.表3設計了學生在學習光學單元過程中的關鍵節點和可能路徑.為回答驅動問題,學生需要觀察、使用和拆解兒童logo投影燈,探索其結構和功能,激發對投影燈原理的探究興趣,進一步產生與驅動問題相聯系的系列新問題.通過設計與教學目標和驅動問題保持一致的光學單元關鍵活動,學生能盡可能回答自己提出的問題,以此逐步完成投影燈的設計與制作.

表3 光學單元任務序列

該路徑中,學生的科學概念將經歷“光的直線傳播→光的反射→光的折射→光的色散→凹凸透鏡識別→凸透鏡成像原理”的發展過程,促成學生對光學概念的理解.整個單元中,光線模型將持續發展,并不斷被應用于解釋、推理、預測物理現象.學生的建模能力將經歷“構建光線模型→修正、應用視物模型→建構和應用光與物體相互作用的模型→構建光的顏色模型→修正、構建和使用復色光光線模型→構建、應用凸透鏡的光線模型”的發展過程.學生將在已有概念、能力的基礎上,沿核心概念和關鍵能力發展路徑依次經歷系列學習活動,逐步達成知識的整合理解和能力的發展.[5]

4 課時教學案例

以“任務導入”課時為例,介紹如何為學生創設教學氛圍,激發積極思維,促進學生自主學習和合作學習.

4.1 氛圍拉動:創設適宜教學情境

在課程伊始,教師先介紹生活中的投影燈,在表達自己對該類光學產品贊賞的同時,要求學生嘗試觀察、使用、拆解兒童logo投影燈(如圖1).學生觀察投影燈發現其具備3個功能按鈕/旋鈕:開關、投影燈片旋鈕、調焦旋鈕.學生將產生一定的疑惑:這些按鈕/旋鈕會對應什么功能?

圖1 兒童logo投影燈的結構與功能

使用投影燈時,學生就能解決在觀察過程中的疑問.開關、投影燈片旋鈕、調焦旋鈕的結構分別對應控制光源、切換投影和調整投影清晰度的功能.進而提出進一步的問題:這些按鈕/旋鈕為什么會有此對應功能?其中蘊藏著什么物理原理?同時學生也會遇到一系列問題,部分問題通過實踐探索可以即刻解決.如投影圖像不清晰,為調節清晰度,學生或調節調焦旋鈕,或改變投影燈與投影幕布之間的距離.仍有部分問題需要通過后續課程學習或自主學習來解決.例如在調節清晰度時,調焦旋鈕的轉動方向、角度和移動距離的方向、大小都會隨具體情況變化;又如移動距離后,雖然投影清晰,但圖像的大小、亮度都會因此改變.以上情境都能調動學生持續思考:調焦旋鈕、移動距離的變化到底有什么規律呢?如何在有尺寸要求的情況下投影出更亮且清晰的圖像?或如何在亮度固定的情況下投出尺寸更大且清晰的圖像?

最后借助拆解投影燈、觀察其內部結構的活動,學生將會產生更多的疑問.例如“(a) 燈泡發出的光顏色是白色的,為什么投影的顏色是多彩的?(b) 燈片的材料是什么,為什么光能從這兒穿過?(c) 投影燈中的透鏡和放大鏡有點相似,在投影過程中到底有什么作用呢?”等.

4.2 問題驅動:拆解系列驅動問題

以投影燈結構與功能的真實情境為課程切入點,激發了學生的好奇心,營造適宜教學氛圍,驅動學生逐步產生清晰且具象的疑惑,為學生提供了生成子問題的機會.此時教師即可拋出驅動問題“如何設計和制作logo投影燈?”引發進一步的思考,示意學生圍繞光學單元需要學習的核心知識與生活經驗、活動發現建立聯系,幫助學生提出、整理、完善、精煉有價值和實際意義的系列問題.引導學生從如何設計能達到適宜投影效果的角度對系列問題進行歸類、聚焦、評價,通過多輪討論形成單元學習的子問題“(a) 我們為什么能看到物體?(b) 如果物體被擋住還能看到物體嗎?(c) 為什么投影燈能投影出多彩的圖像?(d) 能否投影出尺寸合適且大小清晰的像?”.

4.3 協作促動:設計連貫任務序列

教師沿學生認知發展路徑,對歸類好的子問題進行排序調整,引導學生小組內部合作結合投影燈功能制作規劃本次項目的初始任務單.各小組匯報初始任務單,再經由組間討論、教師完善形成與子問題相關聯的、促進概念學習和能力發展的系列任務.在整個單元教學過程中,學生仍可以繼續在子問題下添加與其相關的新問題.[6]教師亦需以子問題和教學目標為依據,對光學單元活動進行適當增減和調整順序,幫助學生回答盡可能多的問題.如圖2所示,問題和任務與投影燈的結構與功能相關.課程從驅動問題出發,通過探討、回答4個子問題集以支持解決驅動問題.

圖2 師生討論生成任務序列

4.4 規范推動:制作明確驗收標準

為回應驅動問題,學生要明確項目最終需要達到的成果,即制作一個實物作品——直徑達1.2 m的投影燈.在此過程中,教師需要鼓勵學生制訂目標,即讓學生結合課程目標和實際需求,分析投影燈需要測評的內容、維度.再通過組間討論交流和后續課程的學習,不斷迭代改進評價量表,制訂明確且適宜的驗收標準以監控學習成果.

5 設計學習評價

學習評價應側重形成性評價,在單元學習前、單元學習中、單元學習后,以多種形式貫穿整個單元.[7]單元學習前可通過前測、訪談等方式了解學情,作為教學設計的依據.根據本單元內容,前測可命制選擇題、填空題、作圖題和簡答題.選擇題便于通過選項迅速判斷學生的原有認識;簡答題能給予學生更多的展示自己思維的空間,從而能獲取更多的學生信息.單元學習中通過課堂活動表現評價(師生對話、課堂觀察、活動中學生的表現成果、學生團隊合作情況)和課時作業多種方式針對性地評價診斷學生的學習狀態.單元學習后可通過單元后測、個別輔導等方式對核心素養的教學目標達成情況進行診斷.通過后測和個別輔導診斷學生的核心知識、關鍵能力、態度責任的現況,作為下一單元教學設計的依據.

學習評價的設計需要依據教學目標,結合學習任務呈現評價內容、評價指標、評價方法.如表4呈現了依據學習表現設計的光學單元“制作logo投影燈”任務1評價方案.以課堂評價為基礎,教師對課堂教學內容、策略、進度等方面進行調節和設計課后作業.

表4 光學單元“制作校園logo投影燈”任務1評價方案

6 學生成果展示

本單元教學設計在一線教學中進行了研討應用,獲得了一定的教學成果.在“成果展示”環節,學生分組匯報了實物作品的制作材料、選材原因和設計思路(如圖3).從作品選材和設計思路均可看出,學生對光學單元的學科核心概念、跨學科概念的理解.

圖3 學生設計思路圖

同時分享了在設計過程中遇到的困難以及解決的方案,演示了實物作品(如圖4)并對作品進行了自評.從學生成果可以看出,學生能應用科學工程實踐知識完成作品,并根據評價量表優化成果.在本節課的組間交流、師生互動活動可以看出,光學單元教學培育和發展了學生的合作探究素養、質疑創新品格、可持續發展理念.大部分學生能做到有根據地提出、吸納建議,并表現出更愿意去參與團隊合作的傾向.

圖4 部分實物作品及演示結果圖