大概念背景下的物理项目式学习

李文卓 邵明辉 朱尧

摘   要：从大概念的角度出发，整合物理项目式学习，提出了一种新的设计思路，以“桥的设计”为例建立大概念背景下的物理项目式学习设计框架。不仅丰富了大概念和物理项目式学习的研究成果，也为培育学生的物理学科核心素养提供了一个切实有效的方法。

关键词：大概念；物理项目式学习；核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2023）7-0065-5

培养学生核心素养是我国教学的价值导向和目标追求，《普通高中物理课程标准（2017年版２０２０年修订）》明确提出了高中物理课程应在义务教育的基础上，进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展。项目式学习可以很好地提高学生的自主实践探究能力和科学探究意识。同时，结合大概念的整合性思维与物理项目式学习，来培养学生的物理观念和跨学科实践操作能力，向学生渗透物理学科核心素养。

１    大概念的内涵与实践现状

大概念源自奥尔森和怀特利等教育科学领域的教育专家，它是具体科学概念和具体事物的概括和凝练，担当着一个“组织者”的身份，奥苏贝尔的“要领概念”以及布鲁纳的“基本概念”中都有相关论述［１-２］。大概念是具有良好迁移作用的上位概念。它提供了一种跨学科的视角，以整合性的方式从更深层次认识和理解物理事实和技能［１］。大概念可以分为事实知识与技能、学科一般概念、学科大概念、跨学科概念和哲学观念五个层级。教学中，有两种明确大概念的方式，一种是从抽象到具体，另一种是从具体到抽象。项目式学习中的大概念基本是按照这两种方法确定的［１－４］。不同学科的项目式问题都可以找到与之对应的大概念，如表１所示。

但是，当下的中学物理教学中，大概念的实际操作性并不强。这是因为部分教师往往依照教材向学生传授知识，难以帮助学生建立起学科框架。这一问题，可以借助大概念的思维方式解决。例如，可以利用圆周运动这一大概念整合重力、向心力、加速度等知识，帮助学生建立对知识的整体性理解，从而解决其他物理问题。因此，为贯彻新课标的要求，教师需要运用大概念促进学生物理核心素养的真正形成。

２    物理项目式学习的内涵与实践现状

物理项目式学习是将项目式学习中的设计环节与物理课堂教学相结合，在實践中逐步培养物理学科核心素养。物理学科实践性强，物理项目式学习不仅可以调动学生学习物理的积极性，还能提升学生探索知识、获得知识的主观能动性。例如，一个涉及电能、电功、电功率的项目式问题：家用电器一年内待机状态下浪费的电能可以用来做些什么？该问题把课本上死板的知识点转化成鲜活的探究项目，学生需要查阅相关资料了解各种用电器的平均能耗，从抽象到具体地建立物理概念并进行应用，最终合理计算损耗的电能［３］。这种物理项目式学习不仅能够培养学生的自主学习能力，也能潜移默化地培养学生的环保节能意识。

新课标要求提高学生的跨学科实践能力，物理项目式学习越来越受到学校和教师的重视。教师也希望通过这种新颖的学习方式，帮助学生更好地提升科学素养。但是，在项目式学习与物理学科教学相结合的实践研究中，具体实践的可操作性并不强。例如，在太阳能烹饪这一项目中，需要用到光的反射以及能源的利用等物理知识。但在实际操作过程中，学生却未能系统地学习到光学的知识体系，获得的知识较为零散，无法灵活地运用光学观念解决相关问题［４］。在这种情况下，需要用大概念来整合项目式学习内容，使学生通过项目式学习建立完整的知识架构。

３    基于大概念的物理项目式学习设计

基于大概念和物理项目式学习的内涵及实践现状，结合课程标准和学生情况，将大概念与物理项目式学习相结合，以一种新颖的学习方式，将跨学科或学科内分散的知识点有意义地联系起来。大概念背景下的物理项目式学习设计应该包含项目背景、项目主题、项目设计、项目实施、项目成果展示及评价、项目反思六个环节。其中，项目背景从课程标准、教材内容、学情分析三个方面展开分析，并按照确定项目主题、设定大概念、制订教育目标、设计驱动性问题、对学生分组、设定预期成果、设计评价表等步骤进行项目设计。接下来，根据项目设计进行项目实施、项目成果展示及评价和项目反思。以“桥的设计”为例，大概念背景下的物理项目式学习设计流程如图１所示。

４    大概念背景下的物理项目式学习设计案例

４．１    项目背景

桥是道路交通的重要组成部分。近年来，中学教材中经常出现一些与桥梁相关的内容。学生已经学习了机械运动、圆周运动等知识，也具备使用简单工具的能力。而桥梁的设计需要运用力与运动大概念下的压力、向心力、力的合成与分解、压强等多个物理知识点，以及结构力学、流体力学等跨学科知识。让学生亲历桥梁的设计过程，不仅能够培养其探索未知事物的能力，更能从力和运动这一大概念出发，帮助学生更好地掌握物理知识，增强跨学科实践能力。因此，选用“桥的设计”为例开展基于“力和运动”大概念的项目式学习。

４．２    项目设计

４．２．１    确定大概念

大概念是物理学科项目式学习的核心知识。大概念一定要落在学生的最近发展区内，尤其是物理教学，更加需要教师帮助学生理清前后知识的连贯性。桥梁的设计，灵感来源于高中物理必修二向心力课程。该阶段的学生已经具备了一定的物理知识基础，可以结合力与运动来分析物理情境，但需要新颖的学习设计来提高学习兴趣。于是，确定了大概念是力和运动。当然，桥的设计过程中也需要数学比例尺、美术模型美化等跨学科知识，这也符合当下课程标准中跨学科实践对学生全方面发展的要求。

４．２．２    制订项目目标

在此项目中，学生的主要任务是根据自己所学知识，通过收集和整理与桥梁设计相关的资料，设计出一款安全且美观的桥。项目目标可以分成以下四个方面：

物理观念：学生知道研究桥梁承重能力时研究对象是质点，建立起运动和相互作用的物理大概念。

科学思维：学生通过观察桥梁案例，运用模型建构思维来分析桥梁承重能力的影响因素，建构包含压力、圆周运动等知识和相互作用的大概念。

科学探究：学生经历桥梁设计的过程，运用物理知识探究桥的承重能力的影响因素，从而建构力和运动的大概念。

科学态度与责任：学生能够关注国家建设发展，有创新意识和团队协作意识。

４．２．３    设计驱动性问题

驱动性问题是整个项目学习的核心，学生围绕驱动性项目展开项目学习。因此，驱动性问题应当满足情境化、可实施性、新颖性等特点。在“桥的设计”中，驱动性问题为：探究桥的承重能力与哪些因素有关。

４．２．４    对学生进行分组

为了让每一个学生都能投入学习，在分组时应当遵循“组间同质、组内异质”的原则，对全班学生进行科学搭配，合理分组。

４．２．５    预期成果

教师对项目成果要有合理的预期，难度不能太大或过于复杂。在“桥的设计”项目中，设计的桥梁要有一定的承重能力，要有研究报告和桥梁结构说明书等。

４．２．６    项目式学习的评价多样化

在“桥的设计”项目中，采用过程性评价和形成性评价相结合的方式，过程性评价采用组内互评的方式，最终作品呈现采用组间互评的终结性评价方式。

４．３    项目实施

该项目的实施以教师的全程指导、学生的全身心参与为基本原则，以物理大概念为背景，以桥梁的设计为显性活动进行实施。此项目涉及到的物理知识有压力、压强、浮力、力的平衡与分解、结构力学、流体力学等。因此，在“桥梁的设计”目的研究中，可以将中学里力学的大部分知识进行整合，加强物理知识的融合。同时，学生参与学习活动设计的过程也是发展和建立大概念的过程。其中，“桥梁的设计”是整个项目中最核心的部分，教师通过创设情境，引导学生分析和探索桥梁承重能力的影响因素等驱动性问题，指导学生设计模型，并交流测试结果。项目实施流程如图２所示。

任务一：引导学生仔细观察桥梁的结构设计，思考问题：你了解桥的结构设计吗？桥梁的主要结构及其功能关联到哪些物理知识呢？通过小组成员间的讨论，请造桥工程师向大家介绍各部分结构的名称及功能，学生能结合自身经验和资料收集，初步设想出一款安全且美观的桥梁。

任务二：学生通过上一环节确定项目式的任务后，通过小组内讨论分析桥的承重能力与什么因素有关？思考问题：桥梁及承载物的重量由谁承担？怎样能将桥梁受到的力分散和转移？小车过桥的向心力由谁提供？什么情况下小车脱离轨道做离心运动？桥梁的设计还受哪些自然因素的影响？以小组合作的方式探索这些驱动性问题，并能结合各方面知识提出自己对此问题的见解。

任务三：画出桥梁设计的初稿，引导学生分析其涉及到的力学中的受力分析、运动和相互作用观念、数学中的比例尺进行等比例缩放、后期对模型的美化等跨学科知识。

任务四：引导学生巩固运动和相互作用的大概念，学生完成作品，展示交流。

四个项目任务分别对应项目的驱动、设计、开展和发布。以“桥的设计”为例，根据任务展开教师活动和学生活动，主要教学流程如表２所示。

５    项目评价

项目评价要围绕物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面展开。评价目标不仅要重视学生项目式学习的结果，还要对学生学习状态、学习过程中物理核心素养的形成等方面进行全方面评价。项目评价包括项目前期收集整理资料的表现、对资料的处理情况、实践方案的设计、项目作品的展示、学习过程的积极主动性等要素［５］。

项目评价量表根据项目目标从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面展开，分为优秀、良好和及格三个等级，如表３所示。

设计大概念背景下的物理项目式学习的目的是为了契合新课标对学生科学探究能力和跨学科实践能力的要求。因此，对学生核心素养发展的评价必不可少。这就要求教师在项目式学习之后评判学生具体认识了什么、明白了什么、最后做出了什么。重点考查学生物理问题的分析能力、团队协作能力、实践过程中跨学科知识的运用能力、知识迁移能力等［６］。

６    项目反思

大概念背景下，物理项目式学习的设计框架有以下几个优点：第一，提高了学生学习的积极性。项目式学习设计新颖有趣的驱动性项目，能解决学生学习枯燥、积极性不高的問题。第二，能培养学生的实验探究能力，使其真正体会问题、证据、解释、交流的科学探究过程。第三，帮助学生理解物理观念。大概念帮助学生很好地整合了物理知识脉络，解决更多物理问题。第四，能提高学生跨学科实践能力。

大概念背景下的物理项目式学习为物理新课程标准的实践探究和跨学科实践提供了很好的解决办法，在培养学生实践能力的同时，帮助其建立大概念，整合物理概念和规律。该工作为新课标下物理课堂教学与设计提供了一种参考。

参考文献：

［１］张春兴． 教育心理学：三化取向的理论与实践［Ｍ］．杭州：浙江教育出版社， １９９８：２２０．

［２］布鲁纳． 布鲁纳教育论著选［Ｍ］．邵瑞珍，张渭城，等译． 北京：人民教育出版社， １９８９： ２４，３１－３２．

［３］陈倩．大概念统整的学科项目化学习设计研究［Ｄ］．成都： 四川师范大学， ２０２０：３４－３８．

［４］彭羿． 基于项目式学习方式的初中物理教学研究——以“制作可调节亮度的手电筒”项目为例［Ｊ］． 物理教学探讨， ２０２０，３８（９）： ６４－６６．

［５］徐明树．项目式学习在高中物理教学中的实践研究［Ｄ］． 重庆： 西南大学， ２０２０：１９－３２．

［６］武梦玮． 项目学习在中学物理教学中的应用研究［Ｄ］． 天津： 天津师范大学， ２０１９：３６－３９．

（栏目编辑    贾伟尧）