原始物理問題與項目式學習融合的教學研究

1引言

項目式學習（PBL）以學生為主體、解決實際問題為導向，備受當今教育界的關注.然而，在高中教學實踐中，它面臨著耗時較長、與課程脫節、加重學生負擔等困境，導致實際效果未達預期.鑒于此，探索原始物理問題解決與項目式學習的融合模式，發揮兩者優勢，構建與高中物理課程緊密結合的教學方法，這一方面值得深入探究.

2 理論依據

2.1基于原始物理問題的教學理論

原始物理問題教學通常依據物理問題解決的自組織表征理論（SORT）開展.該理論涵蓋七種表征層次，本研究著重于解決物理習題教學中難以處理的“定向表征”“抽象表征”“圖像表征”“賦值表征”等前四個層次，如圖1所示.通過將項目研究過程微型化并匹配高中物理教材，期望提升學生的模型建構、遷移創新等能力.

2.2兩種教學法的融合具有互補性、可操作性、創新性

原始物理問題教學側重于學生物理思維的形成與評價，著重培養學生物理觀念與科學思維，特別是模型建構能力.項目式學習則突出學生的主體地位，強調小組協作、過程管理與評價，重視成果展示，有助于培養學生溝通、信息獲取、跨學科學習及解決問題的綜合能力，同時強化學生科學論證與科學責任態度.兩者融合具有互補性、可操作性與創新性.融合的關鍵在于將項目式學習與物理課程有機結合，時間控制在3個課時內，創新形式，能融人教學各環節，實現學科課程與項目式學習的深度融合.

3教學設計

如圖2，下面以《探秘悠悠球》一課的教學設計來更好地說明如何將原始物理問題的解決與項目式學習融合.

3.1 原始物理問題展示

如圖3所示，教師在課堂上演示悠悠球進入睡眠狀態（高速旋轉且發光）及退出睡眠狀態的操作，引發學生興趣.同時提出兩個關鍵驅動問題：一是探究悠悠球在靜正時不發光而高速旋轉時發光的原因；二是探索悠悠球進入睡眠狀態的條件及其在最低點高速旋轉的原理.

3.2 任務1 探究悠悠球發光原理

3.2.1 模型選擇階段

六人一組，每組配備兩個悠悠球，通過拆解觀察內部結構（包括電源、LED燈和彈簧）如圖4.

設計意圖 模型選擇是學生根據物理現象與頭腦中的前概念進行定向聯系的過程，觀察到有紐扣電池、LED燈和彈簧就會激活頭腦中閉合電路的模型，激發出能量守恒的物理觀念.

3.2.2 模型建立過程

（1）確定研究對象：學生仔細描述悠悠球的物理現象，如用力甩動后悠悠球轉速快時發光且停在最低點持續轉動，從而確定研究對象為彈簧等部件.

設計意圖 在復雜的現象中能確定研究對象，是建模成功的第一步.如何將現象用準確的文字表達出來，這涉及語言文字的編碼過程，也是學生在筆試過程中解碼題目文字還原成物理情境的逆過程，能培養學生在現象和文字間相互轉換的能力，這就是原始物理問題教學的優勢.

（2）運動與受力分析：學生畫出悠悠球受力分析圖，討論悠悠球發光原理.在這個過程中，涉及對研究對象的抽象處理，如是否將彈簧一端視為質點的討論.

設計意圖在復雜的原始物理問題中，應如何合理地忽略次要因素，將研究對象抽象成理想模型，是非常重要的一種建模思維.如果學生無法正確地抽象研究對象，將無法正確建模.

（3）賦值物理表征：在確定模型涉及圓周運動后，學生進一步探討影響悠悠球發光的物理量，并嘗試寫出相關表達式，如彈簧彈力與向心力的關系等.

設計意圖學生畫運動示意圖和受力分析圖的過程是在頭腦中對情境進行賦值表征和圖像表征的過程，這是建模中非常重要的一步.是否能成功畫出示意圖決定了模型定性是否成功，而是否能正確賦值，則決定了能否對問題進行定量研究.

成果展示 小組派代表上臺講解悠悠球發光的原理.彈簧作為電路開關做圓周運動，當悠悠球轉速足夠大時，彈簧的側向彈力不足以提供向心力，未固定的一側發生離心運動，接觸金屬開關，如圖5.

3.2.3 模型應用環節

教師提出關于不同平面（水平面與豎直面），悠悠球燈亮情況的問題，接著讓學生預測在豎直面上隨著轉速的增加是否會出現燈只會在某個位置亮的情況，并預測該位置.

實驗觀察 如圖6為8秒曝光時間的頻閃圖.調節轉速達到臨界速度時，當彈簧運動到豎直面的最低點時，可觀察到悠悠球發光，檢驗模型的正確性.

設計意圖 模型檢驗的過程是一個科學論證的過程，我們的理論模型是否正確，需要有科學的論證過程，這里就需要培養學生的證據意識，如果可以通過實驗來驗證就更有說服力了.而通過縝密的邏輯推理和論證過程，可以培養學生嚴謹的科學態度.

3.3任務2 降低悠悠球睡眠臨界速度

3.3.1 模型建立

由于此任務驅動問題難度較大，教師將其分解為多個子問題：（屏幕演示）

（1）研究對象是什么？它可以看成質點嗎？（2）鋼球做圓周運動的半徑是什么？請在圖7中標出.

（3）請畫出鋼球此時的受力分析圖，它受到的是共點力嗎？（如圖8）.

（4）推導出恰好進入睡眠狀態時彈簧彈力 F_su 與一個鋼球所需的向心力 大小的關系，判斷彈力與哪些物理量有關？

聯立得： F₃₄=2mω²L

設計意圖 ① 教師可以根據學生情況，將問題分解成不同難度的子問題，使問題難度可以與學生能力匹配，達到跳一跳摘得到的效果，增強學生參與的積極性和自我效能感. ② 設計的《微項目式學習成果展示表》作為項目支架，引導學生自主學習，即使教師不能時刻參與每一組的討論，學生也能依據項目支架推進研究.

3.3.2 模型應用實踐

學生圍繞降低悠悠球睡眠臨界速度展開討論，提出多種方案，如更換勁度系數低的彈簧或提高鋼球質量等.在選擇最佳方案時，學生綜合考慮實際條件，如定制彈簧的便利性等因素.

設計意圖這一過程讓學生體驗解決真實問題的復雜性，在困難甚至挫折中培養科學的態度與責任.另外，項目式學習面對的問題往往是開放性的，沒有標準答案的，所謂最佳是根據當時的條件和所要達到的修理標準選擇最可行的方案.

3.4任務3 設計踏板摩托車離心離合器

如圖9，踏板摩托車啟動怠速時，需要做到發動機轉動但是輪子不動，只有加大油門時才會帶動輪子，實現這種功能的裝置叫離心離合器，請討論設計一個離心離合器，畫出草圖，并說出其工作原理，如圖10.

設計意圖 設計過程是創新思維發揮作用的過程，需要將頭腦中原有的知識遷移到新情境中創造性地解決問題，小組討論，恰恰形成了前概念的高頻碰撞和高效反饋系統結合的創生閉環.而小組的成果展示，又形成了小組間的創生閉環，讓思維生產過程得到螺旋式的提升，最終推動著問題向著更合理的更佳的解決方案發展.

4結語

原始物理問題與項目式學習融合的有效策略是將項目式學習微型化，并固化其關鍵環節.分組環節可根據學生能力差異搭配，促進團隊互助.固定的研究模式，固化流程，可節省項目規劃時間.成果展示環節利用成果展示表，既能作為研究支架，又能提高展示效率，課后還可拓展其他成果.這種融合模式緊扣新課標要求，回歸高中物理課程本質，對培養學生核心素養，尤其是通過反復物理模型建構訓練提升建模能力具有關鍵作用.當眾多微項目式學習以常態化融入課堂教學后，有望匯聚成更全面、深入的項目式學習體系，推動物理教學不斷發展創新.

【基金項目：本文系廣東省2022年度中小學教師教育科研能力提升計劃項目立項名單重點課題“基于原始物理問題的高中項目式學習實踐研究\"（課題批準號：2022ZQJK046）的階段性成果.】參考文獻：

[1」中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[M.人民教育出版社，2020.

[2]邢紅軍主編.高中原始物理問題教學研究[M].北京：北京師范大學出版社，2017.