单元视域下的初中物理项目化教学设计--以“内能与热机”单元为例.pdf

E-mail:28.教学设计2023年5 月中物理教学参考第5 2 卷第5 期单元视域下的初中物理项目化教学设计以“内能与热机”单元为例马清霸徐晓梅（云南师范大学物理与电子信息学院云南昆明650500)文章编号：10 0 2-2 18 X(2023)05-0028-05中图分类号：G632.3文献标识码：B摘要：以初中物理“内能与热机”单元为例，阐述单元视域下初中物理项目化教学设计三个环节的构建。在项目选定环节，基于对课标、教材、学情的分析，选定项目并制定单元项目化学习目标；在项目实施环节，以驱动性问题引领，进行项目探究并形成项目成果；在项目评价环节，开展项目成果交流与展示，进行全过程评价。三个环节的流程环环相扣，实现教、学、评一体化。关键词：单元教学；项目化学习；教学设计单元设计是一种基于课程标准，以物理核心素养为背景，策划出基于一定目标和主题而展开探究的活动。“课时主义”把教学内容碎片化地当作知识点来处置，缺乏“全局性展望”2 。传统教育背景下，教师习惯围绕知识点进行课时教学设计，导致课时之间的联系往往被忽视，学生难以对物理知识有整体的认识。因此，单元设计被越来越多的学者认为是撬动传统课堂转型的支点。项目化学习是一种建构性的教学方式，教师先将学习任务项目化，引导学生基于真实情境提出问题，利用相关知识与信息资料开展研究、设计和实践操作，最终解决问题，展示和分享项目成果 3。近年来，项目化学习作为核心素养落地的一种方式，其理论研究和实践操作受到国内外教育者的广泛关注。不少研究表明，项目化学习能够加深学生对知识的深度理解 4 ，提高学生学习兴趣和问题解决能力 5 ，有效培育学生学科核心素养 6 项目化学习依托真实情境，围绕核心概念，给学生提供挑战性任务，这种挑战性任务恰恰是单元设计需要的“大任务 7，需要综合运用多课时知识才能解决。这就意味着项目化学习应该跳出传统教学设计模式，突破单课时制，在单元视域下进行设计。项目化教学设计不同于课时教学设计对知识点的安排，它是通过对知识与知识、学生与知识、学生与学生关系的安排，让学生主动投人学习 8 。单元项目化教学设计从选定项目出发，通过引入驱动性问题让学生主动投人项目探索，并将驱动性问题进行分解，以此设置阶段性项目任务，学生在完成阶段性项目任务的基础上逐步形成项目成果，最后进行交流、展示与评价。因此，设计包含项目选定、项目实施、项目评价三个环节。单元项目化教学设计流程如图1所示。下面，以沪科版物理九年级第十三章“内能与热机”单元为例，阐述单元视域下的初中物理项目化学习教学设计的三个环节流程的构建。项目选定环节项目实施环节项目评价环节1.创设真实情境，引入驱小制作调研报告1.课标分析动性问题一1.成果交流来源演讲倡议书与展示2.教材分析软心念核素2.分析驱动性问题，设计阶段性项目任务戏剧表演3.学情分析性议3.深化合作探究，建立多题等样而有意义的思考与行动2.全过程评价4.选定项目与制定单元项目化学4.形成项目成果，凝练核多主体多维度习目标心知识和探究历程图1*通讯作者徐晓梅，云南师范大学教授，研究方向为理论物理及物理课程与教学论E-mail:.教学设计May.2023物理教学参考Vo1.52 No.5一、项目选定项目的选定要依托课标、教材、学情。所选项目可以是学生日常生活中感兴趣的问题，也可以是社会性议题、热点问题等。选定项目时，要考虑项目能否承载核心概念，是否有利于培养学科核心素养。（一）课标分析“内能与热机”单元在义务教育物理课程标准（2 0 2 2 年版）中主要对应“内能”“能量、能量的转化和转移”两个二级主题，是培养学生能量观念的重要章节。在课标中的内容要求表述如下 ：（1)了解内能和热量，从能量转化的角度认识燃料的热值；（2）通过实验了解比热容，能运用比热容说明简单的自然现象；（3)了解热机的工作原理，知道内能的利用在人类社会发展史上的重要意义；（4）了解能量及其存在的不同形式，能描述各种各样的能量和生产生活的联系；（5）通过实验认识能量可以从一个物体转移到其他物体，不同形式的能量可以相互转化；（6）结合实例认识功的概念，知道做功的过程就是能量转化或转移的过程。本单元大多数知识处于了解水平，其中“能量的转化和转移”“功”的概念处于认识水平。认知性目标水平层次较低，但是强调与生产、生活的联系。因此，教师在教学设计时要注重联系生产和生活实例，激发学生学习兴趣，提升社会责任感，（二）教材分析教材中“内能与热机”单元包含了“物体的内能”“科学探究：物质的比热容”“内燃机”“热机效率和环境保护”四节内容。这四节内容形成如图2 所示的有机整体：由分子动理论知识引人内能这一核心概念，通过探究改变物体内能的途径之一一一热热传递，建立热量概念，进而引人比热容；通过探究改变物体内能的另一途径一一做功，使机械能和内能建立了联系，进而引人内燃机、热值和热机效率。比较不同燃料完全热值燃烧时放出热量的分子永不停多少分子息地做无规一动能内能与机械能则运动做功内燃机热机效率的相互转化改变内能内能两种途径物体间内能吸收或放出热量热传递热量比热容传递的多少与哪些因素有关分子间存在分子斥力和引力势能图2（三）学情分析学生在学习本单元内容之前，已经学过功、动能、势能相关知识，也从生活经验中体会到一些热现象。但是这些知识与经验是以分离的知识点存在于学生头脑之中。如果忽视了课时知识之间的联系，学生就难以形成对物理知识的整体认识。所以，需要教师引导学生在单元学习中使其系统化。（四）制定单元项目化学习目标本单元的内容涉及能源与环境保护。在我国的新发展理念之下，能源和环保无疑是一个重要的社会性议题。基于上述分析，教师选定“关于社区燃料结构及使用情况对环保、经济和社会发展影响的调研”项目（以下简称“燃料调研项目”）。研究表明，培育素养的情境带有真实世界中不良问题结构的特点 8 燃料调研项目对于初中生来说是复杂的、有挑战性的，属于结构不良问题。但正因如此，学生才有可能将物理核心素养渗透于项目实践中，使核心素养的培育具体化、具有可操作性，因此，制定本项目的单元项目化学习目标如下：物理观念在整个项目过程中，了解能量存在多种形式，认识不同形式的能量可以相互转化，且总能量守恒；能从物理学的视角解释与内能相关的自然现象。科学思维经历实验探究、项目调研，在回答驱动性问题及其分解问题的过程中，提高科学推理能力；经历项目调研报告的撰写以及项目成果交流展示，提升基于科学知识和数据论证自己观点的能力。科学探究经历实验及调研方案的设计与实施，体会科学探究的一般步骤；在小组头脑风暴过程中，培养质疑意识；在小组合作过程中，提高团结协作能力。科学态度与责任通过实验探究、项目调研，提高学生严谨、求实的科学态度；在项目调研过程中感受环保的必要性，提升社会责任感。二、项目实施在项目实施环节，首先，教师通过创设真实的问E-mail:30.教学设计2023年5 月中物望教学参考第5 2 卷第5 期题情境，引人驱动性问题，促进学生积极主动的思考；然后，将驱动性问题进行分解，设计与之对应的阶段性项目任务，为完成最终项目搭建支架；接着，让学生在完成阶段性项目任务和项目调研的过程中深化合作探究；最后，形成凝练核心知识和体验探究历程的项目成果。（一）创设真实情境，引入驱动性问题在“燃料调研项目”开始，教师播放燃料燃烧对环境影响的视频，并将视频定格在如图3所示的工厂汽油燃烧产生大量废气的画面。接着补充阅读材料：我国每年机动车排放的尾气量大约在1.2 亿吨左右，随着我国经济快速发展，汽车使用量急剧上升，汽车尾气排放对环境造成的影响也日趋严重。图3在视频效果的冲击下，学生能够感受到环境保护的重要性。这时，教师引出驱动性问题：谈谈你所在社区的燃料结构以及燃料燃烧对环保、经济和社会发展有何影响？回答这个问题，学生需要了解社区的燃料结构，如炊事、交通、取暖等；需要挖掘问题背后的物理知识，如热量、热值、热机、热机效率等；需要从环保、社会发展、经济发展等多个维度进行调研。于是便会涉及很多知识。并且这种复杂的、富有挑战性的结构不良问题给学生提供了多维探索的空间，更有利于培养高阶思维，相对于“获取和整合知识”“扩展和精炼知识”两个低阶思维而言，学生能够有意义地运用知识10 。引导学生思考教师给出的项目任务，即针对驱动性问题，做一份调研报告，同时将学生分为若干个项目小组开展研究。（二）分解驱动性问题，设计阶段性项目任务驱动性问题具有一定的抽象性，如果马上开展合作探究，会让学生感到无从下手，所以，在驱动性问题确立后，要引导学生将驱动性问题进行适当分解。根据所分解的问题再进行阶段性项目任务设计，并对每一阶段的学习目标、教学活动、课时安排等进行规划，由阶段性项目任务串联起一个单元的内容。这样能够让学生通过完成阶段性项目任务，习得本单元的知识，发展提升核心素养，并为完成调研报告奠定知识基础。基于此，教师制定“燃料调研项目”的单元项目化学习计划如下：【第一课时】分解问题1个什么是燃料？你身边有哪些燃料？学习目标通过归纳生活生产实例，了解燃料及社区燃料的结构。教学活动各项目小组充分讨论，交流各自的想法。阶段性项目任务结合生活实例认识燃料，从炊事、交通、取暖等方面讨论社区燃料结构。分解问题2 燃料燃烧时的能量如何转化？学习目标通过实验“感受”内能，类比机械能概念，得出内能概念；在对实验现象的讨论中，了解能量及其存在的不同形式。认识不同形式的能量可以相互转化教学活动各项目小组交流讨论。教学活动观察实验：装有水的试管塞上塞子，加热后，水蒸气将塞子喷出；观察冷、热水中墨水扩散快慢；讨论分子引力模型，阶段性项目任务讨论实验中能量存在的形式及其相互转化；结合墨水扩散实验和分子引力模型，讨论影响内能的因素。【第二课时】分解问题1通过哪些途径可以改变物体的内能？学习目标小组合作钻木取火，知道做功可以改变物体的内能；列举生活实例，说明热传递可以改变物体的内能。教学活动探究改变物体内能的两种途径。阶段性项目任务小组合作进行“钻木取火”；列举生活中热传递形式及其能量转化分解问题2 如何衡量热传递过程中内能传递的多少？学习目标通过阅读和交流，了解热量的知识，教学活动学生阅读、交流。阶段性项目任务阅读教材，小组讨论得出“热量”概念【第三课时】分解问题1物体吸收或放出热量与哪些因素有关？学习目标通过实验了解比热容，能用比热容说明简单的自然现象；在实验探究中提升控制变量的能力。教学活动探究物质吸热或放热规律。阶段性项目任务务小组合作实验探究汽油、柴油吸热或放热规律，得出比热容的概念。E-mail:.教学设计May.2023中物理教学参考Vo1.52 No.5【第四、五课时】分解问题汽油、柴油等燃料如何给交通工具提供动力？学习目标能说出热机概念及汽油机的工作原理；体会内能的利用对人类社会的重要意义。教学活动引入瓦特发明蒸汽机的故事，探究汽油机的工作原理阶段性项目任务小组合作用酒精灯自制简易斯特林发动机。【第六课时】分解问题如何比较不同燃料完全燃烧时释放热量的多少？学习目标经历实验设计，体会科学探究的步骤；通过实验探究，能从能量转化的角度认识热值。教学活动力实验探究：燃料完全燃烧释放的热量与什么因素有关。阶段性项目任务小组合作设计实验，探究燃料完全燃烧释放的热量与什么因素有关。【第七课时】分解问题燃烧释放的热量能完全被利用吗？热量利用率对环境有何影响？学习目标通过绘制汽车燃料能量走向示意图，知道能量守恒和能量能够相互转化；知道热机效率概念，形成能量耗损观，教学活动讨论热机效率。阶段性项目任务小组合作绘制汽车燃料能量走向示意图。【课后活动】分解问题燃料燃烧对环保、经济和社会发展有何影响？学习目标通过项目调研实现对“内能与热机”单元概念的深度理解；在项目调研中不断提升环保意识和社会责任感。教学活动学生进行项目调研。阶段性项目任务完成项目调研，形成调研报告。（三）深化合作探究，建立多样而有意义的思考与行动不同于传统教学中，以自我为中心的学习模式，项目化学习要让学生在小组合作的过程中经历一种包含知识、行动、态度的学习实践。1.制定调研方案调研开始，同一小组成员要共同制定调研方案。调研方案应包括调研背景、调研目的与任务、调研范围、调研内容、调研方法、调研程序、调研进度安排等内容。有了项目调研方案，学生才有可依据的步骤和方法，不至于无从下手。2.搜集资料小组成员可以通过网络、向社区居民访谈、在社区发放调查问卷等方式了解社区燃料种类，每种燃料的成分、热值，燃料燃烧效率等信息。在遇到困难时，教师可以适时进行指导。3.项目调研各小组依据项目调研方案一步步推进调研。在调研过程中，小组成员要有分工，有合作。例如，可以让一部分小组成员调研炊事燃料使用情况，另一部分小组成员调研交通燃料使用情况，最后汇总调研情况，合作分析调研结果，（四）形成项目成果，凝练核心知识和探究历程项目化学习具有可视化的项目成果，如小制作、调研报告、倡议书、演讲、戏剧表演等。本项目的成果是形成一份针对驱动性问题的调研报告。该调研报告包含对本单元核心知识的深度理解；社区燃料结构情况及数据佐证；燃料燃烧效率对环境保护、社会与经济发展的意义的阐述。三、项目评价环节对项目成果进行交流与展示使得整个项目更具真实性，能够让学生的学习更有动力，同时可以促使学生再次回顾项目历程，审视项目成果。同时，对成果的评价与成果展示是紧密相连的，项目化学习要对整个项目实践过程进行评价，从而促进反思，（一）成果交流与展示在学生“燃料调研项目”完成后，教师可以组织学生举办“燃料调研项目成果展”，展会可以邀请家长、校内外专家、老师等参与。公开的成果展能够让学生获得仪式感，让学生觉得他们的成果是对社会有意义的，并收获成就感。在燃料调研项目成果展上各小组学生结合多媒体展示精心合作完成的调研报告，说明调研报告的设计思路、项目历程、调研报告制作过程中遇到的问题，以及如何进行思考与再设计、再创造。（二）全过程评价单元项目化学习的评价应囊括多主体、多维度，使表现性评价和终结性评价并重，将评价“嵌人”到项目化学习的全过程。所以除了纸笔测试外，教师也要对燃料调研项目的阶段性项目任务、项目成果进行评价，以检测学生核心素养达成情况。对本项目的阶段性项目任务的评价，采用“核心素养理念下表现性评价等级模型”11，以“第七课时阶段性项目任务：绘制汽车燃料能量走向示意图”为例，其表现性评价，如表1所示。对本项目成果的评价，其评价如表2 所示。E-mail:（本文编辑：王萍.教学设计2023年5 月中物教学参考第5 2 卷第5 期表1评价内容评价要点等级A等级B等级C等级D等级E教师评定1.知道能量守恒和能量能够相互转化完全正基本正较难正 基本不完全不物理观念2.知道机械效率概念，理解能量耗损确建立 确建立确建立能建立能建立科学思维科学探究小组合作，正确绘制汽车燃料能量走向示意图很好好较好一般不会科学态度在绘制汽车燃料能量走向示意图过程中，体会燃料很强强较强一般很弱与责任能量耗散对环境的污染，提升环保意识表2组内自组间教师评价内容分值评价标准主评价互评评价能够独立设计调研方案（5 分）能够结合环保政策、现存问题阐述调研背景（5 分）调研方案20分调研方案有明确的调研目的、范围、方法、程序、进度安排（5 分）能够根据组员差异，合理分配调研任务（5 分）能够采用网络、向社区居民访谈、在社区发放调查问卷等多种方式收集社区数据收集20分燃料结构数据，获取燃料热值、燃烧效率等信息（10 分）能够甄别数据的有效性和可靠性（10 分）能够用图、表等多种方式分析数据（10 分）数据论证20分能够结合内能、热值、热机效率等物理知识形成合理的结论（10 分）调研结论20分能够结合调研数据，阐述燃料燃烧对环保、经济和社会发展的影响（2 0 分）调研报告结构完整，主题突出（10 分）表现性20分层次清楚，逻辑性强，文笔流畅（5 分）图、文、表并茂，能够体现调研全过程（5 分）纸笔测试、阶段性项目任务表现性评价、项目成果评价共同构成本项目的评价体系。对每一个阶段性项目任务的评价不一定都要涵盖核心素养的四个方面，但是所有阶段性项目任务的评价，合起来就应囊括“内能与热机”单元核心素养的要求。而燃料调研报告的撰写过程，则是学生从物理学的视角出发，运用能量观念描述与解决实际问题，在项目调研过程中不断提升科学思维、科学探究能力，树立社会责任意识的过程。因此，对项目成果的评价，更是对核心素养评价的深化四、反思单元教学能够实现对课时知识的整合，通过合理的设计使单元逻辑转变为学生的认知逻辑。而项目化学习能够让学生在做中学，并指向对核心知识的深层理解；项目化学习是实现单元教学的有效途径。不同于常规课堂上实施的微项目，单元视域下的项目化学习对学生具有一定的挑战性，耗时较长。所以，教师要基于学生经验，仔细研读课标，紧紧围绕教材，设置阶段性项目任务，给学生完成最终项目搭建脚手架。同时，整个项目过程教师应合理规划课时，留给学生足够的课余时间进行探究。参考文献1陈刚，李涤非.基于核心素养的单元设计实践研究：以初中物理“如何学习物质的形态和变化”为例 J.物理教学探讨，2 0 19,37（1）：30-36.2钟启泉.单元设计：撬动课堂转型的一个支点J.教育发展研究，2 0 15，35（2 4）：1-5.3杨明全.核心素养时代的项目式学习：内涵重塑与价值重建J.课程教材教法，2 0 2 1，4 1（2）：5 7-6 3.4罗莹，谢晓雨，韩思思，等.中学物理教学新模式：基于项目的教学 J.课程教材教法，2 0 2 1，4 1（6）：10 3-10 9.5Makkonen Taina,Tirri Kirsi,Lavonen Jari.Engagementin Learning Physics Through Project-Based Learning:ACase Study of Gifted Finnish Upper-Secondary-LevelStudentsJ.Journal of Advanced Academics,2021,32(4):1-32.6黄明燕，赵建华.项目学习研究综述：基于与学科教学融合的视角J.远程教育杂志，2 0 14，32（2）：9 0-9 8.7李俊鹏，魏洁。基于物理学科核心素养的单元教学设计现状分析 J.物理教师，2 0 2 1，4 2（1）：2 9-34.8夏雪梅.项目化教学设计：学习素养视角下的国际与本土实践 MI.北京：教育科学出版社，2 0 18（11）：9-10.9中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2 0 2 2年版)M.北京：北京师范大学出版社，2 0 2 2：2 2-2 3.10罗伯特J，马扎诺，黛布拉J，皮克林.培育智慧才能：学习维度教师手册 M.盛群，何晔，张慧，译.福州：福建教育出版社，2 0 15（4）：15 3-15 4.11周莹，刘茂军.物理教学表现性评价的等级模型建构与实施 J.教学与管理，2 0 18（2 8）：7 3-7 5.