基于项目式教学的物理科学思维培养的研究——以“力与运动”单元为例.pdf

Vol.41 No.11物理教学探讨2023年第1 1 期基于项目式教学的物理科学思维培养的研究以“力与运动”单元为例张娱，曹冬梅延安大学物理与电子信息学院,陕西延安 7 1 6 0 0 0摘要：科学思维是物理学科核心素养的重要组成部分，项目式教学能够将物理教学内容与学科核心素养发展融为一体，有助于培养学生的模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新能力。以苏科版八年级下册第九章“力与运动”单元教学为例，基于项目教学法进行教学设计，要求学生通过动手制作小飞镖和探究飞镖的运动过程，体会其在运动过程中所包含的力与运动的关系，达到培养学生科学思维的目的。关键词：科学思维；核心素养；项目式教学；力与运动中图分类号：G633.72022年版义务教育课程方案和课程标准深化了课程改革,强调了课程育人功能。课程的育人功能要求充分体现学生的主体地位，以学生为中心，促进学生“核心素养”的发展。但在实际教学过程中，大部分教师仍采用传统的讲授方式，已经远远不能满足课标的要求，也不利于培养创新型人才。因此，急需借鉴国际上先进的教学模式,并结合我国的教育现状，建立能够为我国课堂教学服务的新的教学模式。当前，西方发达国家流行的项目式教学模式可以弥补传统教学模式的不足。项目式教学是一种较易实践操作和执行研究型学习的教学模式，它注重学生科学思维能力的培养，不仅能让学生获得知识，还能培养学生的分析、推理、归纳总结、质疑创新等思维能力。1项目式教学在物理科学思维培养方面的优势1.1项目式教学美国巴克（Buck）教育研究所把以课程标准为核心的“项目学习”描述为项目教学方法，学生通过对复杂、真实问题的探究过程和规划、实施项目任务的过程,能够掌握所需的知识和技能 2 。项目式教学先从学生感兴趣的、有价值的具体项文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-6 1 4 8(2 0 2 3)1 1-0 0 6 7-5目出发，围绕项目目标，将项目拆分为多个符合学生认知水平的问题。然后，学生在问题链的驱动下完成项目。最后,展示和评定项目成果 3 。项目式教学对跨学科和合作性任务的意义尤其显著 4 ,它有别于从教材出发的传统教学,而是从项目出发，学生通过自主完成项目来获取知识、提升能力。依据项目式教学流程，可将项目式教学分为三个阶段：(1)项目拆分；(2)项目执行；(3)成果展示 3 。项目拆分阶段是将复杂项目拆分为多个简单的、符合学生认知水平的问题。项目执行阶段解决上述具体的问题，是项目目标和成果之间的桥梁。成果展示阶段中，学生要对项目实施过程进行回顾，梳理实施过程中生成的一系列成果，整理总结为项目成果总报告。总之，项目式教学以具体的项目为导向、以问题为驱动，培养学生模型建构、科学推理、质疑创新等科学思维能力。1.2项目式教学在物理科学思维培养方面的优势思维是大脑的固有功能,往往以分析、综合、抽象、概括、比较、判断、假设、推理、直觉、想象等形式对头脑中的研究对象进行加工与处理,其培收稿日期:2 0 2 3-0 6-1 2作者简介：张娱（1 9 9 7-），女，硕士研究生，主要从事中学物理教学研究。*通信作者：曹冬梅（1 9 7 4-），女，副教授，主要从事物理教学论方面的研究。-67-2023 年第 1 1 期养需要进行相关训练才能完成 5 。在中小学思维教学内容研究中，存在着一条从“学科知识一学科方法一思维方法”的“研究路径”6 。由于思维与知识之间并无直接联系，通过“学科方法”的桥梁作用可以使思维与知识相联系。物理科学思维包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等要素，它是物理学科核心素养的重要内容之一。物理科学思维的培养途径主要有：创设生活模型,培养分析能力；多元问题引导，培养推理能力；思维导图绘制，培养归纳演绎能力；创设质疑情境，培养质疑创新能力 7 。项目式教学正是以学生感兴趣的具体项目为依托，在真实的情境中创设生活模型，通过问题链驱动，学生参与项目的教学过程。因此，它是一种较好的培养物理科学思维的教学模式。首先，在项目拆分阶段，需要将复杂的项目拆分为多个具体问题进行研究，考验学生将复杂事物分解为简单要素的能力,有利于学生分析思维能力的提升。其次,在项目执行阶段，具体问题的解决是一个猜想与逻辑推理的过程,既有利于培养学生的科学推理能力，也可以促进学生积极思考类似问题，对培养学生的质疑创新能力有重要意义。最后,在成果展示阶段，需要把项目成果整理成报告的形式展示，零散知识的整合有利于学生归纳推理能力的提升。另外，项目式教学模式还可以使思维过程显性化，能明确思维类型，展现完整的思维过程 8 物理教学探讨2基于项目式教学的物理科学思维培养2.1“力与运动”单元教学内容分析苏科版八年级物理教材第九章“力与运动”在初中物理中具有重要的地位。其重要性体现在，它是在“物体的运动”和“力”的基础上，将运动和力联系起来，并为第十章“压强与浮力”的学习提供了理论基础，起承上启下的作用。第九章知识思维导图如图1 所示，物体的运动状态是表象，受力才是本质，力是改变物体运动状态的原因。图1 对运动状态进行了分类，并挖掘深层的受力因素,引出了牛顿第一定律,内容之间的因果关系非常适合项目式教学。2.2项目式教学的各个环节对物理科学思维的培养2.2.1项目拆分阶段项目拆分是明确项目的具体任务和所要完成的成果。该阶段需要将项目拆分为符合学生认知水平的问题。案例项目的主题为“探究小飞镖运动与受力之间的关系”。通过引导学生动手制作小飞镖，并通过飞镖游戏，体会飞镖运动过程中所蕴含的物理规律,进而达到“力与运动”章节学习的教学目标。根据项目主题，将项目拆分为三个任务，再把三个任务分解为九个具体问题，项目拆分结果如图2 所示。此阶段注重考验学生将复杂事物分解为简单要素的能力，有利于学生分析思维能力的提升。Vol.41 No.11保持静止保持不变匀速直线运动物体的运动状态速度大小改变变化不受外力受力平衡受力不平衡运动方向改变牛顿第一定律二力平衡；多个力平衡图1“力与运动”单元思维导图-68-Vol.41No.11：问6：投掷飞镖，飞镖离开：！手的瞬间，运动状态如何！改变？手是否给了飞镖一：个推力？：问7：飞镖离开手后，在空-物理教学探讨1：观察静止在桌面上的小飞镖，它所受的力满足平衡条件吗？问2：将飞镖系在弹簧测力计上缓慢匀速上升，飞镖受力是否满足平衡条件？问3：在水平桌面上飞镖在拉力F的作用下做匀速直线运动，受到几对平衡力的作用？：2023年第1 1.期任务一：小飞镖所受平衡力的分析！中飞行时受哪些力的作，用，运动状态是否改变？：问8：飞镖击中靶子后最终；静止，是什么力使它的运动状态发生改变？：问9：将飞镖沿着虚线方向-：问4：飞镖离开手后为什么任务三：建立小任务二：推导出还能飞行相当远的距离？：问5：观察飞镖在不同介质：飞镖力与运动牛顿第一定律（水，空气）中的运动状态，介：之间的关系并进行拓展质阻力对物体运动有什么影响？；投击，能否击中靶心？图2 项目拆分图2.2.2项目执行阶段项目执行阶段主要是解决上述问题，是从项目目标到成果的桥梁，是项目式教学的关键阶段。项目的执行可分为三个具体环节：(1)制作手工小飞镖。教师提供若干材料，学生通过自主上网搜集资料、小组讨论或小组合作学习的形式，选择合适的材料并完成小飞镖的制作。从生活情境出发，让学生多动手、勤观察，自主完成小飞镖的制作，充分发挥学生的自主性，有利于培养创新思维能力。(2)对应飞镖的不同运动形式，分析其运动过程并对其进行划分。让学生进行飞镖投掷游戏，将飞镖看作质点，在游戏过程中研究分析飞镖的运动，注重培养学生“模型建构”的科学思维。(3)各个阶段的受力分析，形成力与运动关系的正确观念。在教师的指导下，学生主动思考，相互交流，从表及里，建立力与运动的本质联系。在真实的投掷飞镖生活情境中，从实验现象出发，带领学生猜想并逻辑推理，进而得出结论，可培养学生“科学推理”的思维能力。项目拆分任务一：小飞问题1:观察静止在桌面上的小飞孝镖所受平衡锁镖，它所受的力满足平衡条件吗？力的分析2.2.33成果展示阶段成果展示是项目式教学的最后一个阶段，学生要在该阶段回顾项目实施过程、归纳概括项目拆分与项目执行阶段的学习、分析物理概念和规律间的联系、梳理项目实施过程中生成的一系列成果并整理总结为项目成果总报告。本项目的成果最终以力与运动的教具和项目成果报告的形式展示,锻炼了学生整合物理知识的能力，也培养了学生归纳总结的科学思维能力。3基于项目式教学的“力与运动”单元教学活动设计3.1项目背景项目源于街市上飞镖投击靶子的游戏，击中靶子会有奖品。那么，如何提高投靶命中率?经过分析，它主要涉及物理中力与运动关系的知识。因此，设计了初中物理“力与运动”单元教学内容的项目式教学，项目主题为“探究飞镖运动过程中力与运动的关系”。3.2“力与运动”单元教学活动设计“力与运动”单元教学活动设计如表1 所示。表1“力与运动”教学设计项目执行教师指导学生对桌面上的小飞镖进行受力分析，画出力的示意图。举一反三，还可以分析放置在桌面上持力，两个力大小相等、方向相的其他物品的受力。（2）物体受到一对平衡力可保持静止。阶段性成果（1 静止在桌面上的飞镖受到竖直向下的重力和竖直向上的支反，且作用在一条直线上。-69-2023 年第 1 1 期续表1问题2：将飞镖系在弹簧测力计上缓慢匀速上升，飞镖受力是否满足平衡条件？物理教学探讨设计实验：将制作好的飞镖挂在弹簧测力计上，缓慢匀速向上移动，此时弹簧测力计的示数为飞镖所受拉力的大小。用天平测出飞镖的质量，飞镖重力的大小用G=mg计算得出。比较拉力和重力的大小。Vol.41 No.11（1）飞镖所受拉力和重力的大小相等且满足平衡条件。(2)物体受到一对平衡力可做匀速直线运动。问题3：在水平桌面上飞镖在拉力F的作用下做匀速直线运动，受到几对平衡力的作用？任务二：推导问题4：飞镖离开手后为什么还能观察飞镖离开手后是否还在运动，（1)投掷出去的飞镖离开了手，仍出牛顿第一飞行相当远的距离？定律并进行拓展问题5：观察飞镖在不同介质（水，教师带领学生在不同的介质中投空气）中的运动状态，介质阻力对掷飞镖。观察并比较飞镖在不同介物体运动有什么影响？质中的飞行距离。任务三：建立问题6:投掷飞镖，飞镖离开手的小飞镖力与瞬间，运动状态如何改变？投掷瞬运动之间的间，手是否给了飞镖一个推力？关系问题7：飞镖在空中飞行时受哪些力的作用，运动状态是否改变？问题8：飞镖击中靶子后最终静止，学生分组进行击靶游戏，观察飞镖是什么力使它的运动状态发生改到达靶面后的运动，讨论飞镖在这变？问题9：将飞镖沿着虚线方向投击，要求学生沿着虚线方向投击靶心能否击中靶心?游戏，教师引导小组讨论飞镖总是射在靶心下方的原因。靶心飞镖教师演示实验并引导学生进行小组讨论，飞镖运动状态和所受作用力之间满足什么关系？思考其原因。反复投掷飞镖，观察飞镖离开手瞬间的运动状态。体会飞镖投掷出去的瞬间是否受到手的作用力？指导学生观察飞行的小飞镖的运动轨迹，用手机拍摄，投屏慢镜头回放，并进行受力分析。一阶段的受力。飞镖受到重力和支持力、拉力与摩擦力，共两对平衡力。能够继续飞行。(2)力不是维持物体运动的原因；惯性是日常生活中较为普遍的现象。（1）飞镖在不同的介质中飞行距离不同，空气和水对飞镖的阻力大小不同，阻力越小飞行距离越远。(2)空气阻力不存在时，飞镖将会一直运动下去。(1)飞镖离开手的瞬间，运动加速，受到手对它的投力作用。(2)物体出现加速运动，是因为受力不满足平衡条件。（1)飞镖在空中飞行时，运动轨迹不是直线。（2)忽略空气阻力时飞镖只受重力作用。(3)物体运动状态改变是因为受力不满足平衡条件。（1）飞镖到达靶面后深入靶子，最终停止运动，运动状态一直在变化。(2)飞镖在水平方向受到靶的摩擦力作用。(3)力是改变物体运动状态的原因。（1)沿着直线方向很难击中靶心。（2）飞镖飞行时重力不能忽略。（3 向前飞行的物体只受重力作用时运动状态一直在改变。研究报告：（1）飞镖飞行时，忽略了空气阻力只受到重力，运动状态会发生改变。因此，需要沿着“问题9”中虚线上方投掷来提高投靶命中率。成果(2）飞镖离开手前受到手的推力作用加速向前运动。飞镖飞行时只受重力作用，运动状态发生改变。由于展示受到靶的摩擦力，飞镖击中靶子后静止。(3)学生课后用磁铁、小铁块、光滑玻璃等材料完成“力与运动 教具的制作。-70-Vol.41 No.114丝结束语项目式教学的各个环节对物理科学思维的培养都具有重要意义。项目拆分阶段有利于提升学生的分析思维能力；项目执行阶段有利于培养学生的科学推理能力；成果展示阶段有利于增强学生的归纳推理能力。项目完成后,学生物理思维逻辑的严密性得到提升，质疑创新能力得到增强。在此教学模式下，学生的合作交流能力、动手实践能力、社会适应能力都显著提高。也可通过计算机仿真实验进行此项目，将物理学与信息技术高度融合，发挥项目式教学的跨学科优势，让学生获得亲身体验，实现“做中学”。参考文献：1张国华.科学修订义务教育课程，深化基础教育课程改革 J.基础教育课程,2 0 2 2(9):9-1 4.2胡红杏.项目式学习：培养学生核心素养的课堂教学活动J.兰州大学学报（社会科学版）,2 0 1 7,4 5(6)：1 6 5-物理教学探讨172.3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)：1 0 3-1 0 94JMaria Teresa Diaz Mohedo,Alejandro Vicente Bijez.Project based Teaching as a Didactic Strategy for theLearning and Development of Basic Competences in FutureTeachersJ.Procedia-Social and Behavioral Sciences,2014,141(8):232-236.5邢红军.物理学科核心素养：透视、商摊与重构 J.教育科学研究,2 0 1 8(1 1):5-1 4.6邢红军.中小学思维教学的深化研究 J.课程教材教法,2 0 1 6,3 6(7):3 3-3 9,7 5.7申屠英军.初中物理科学思维培养途径探索 J.理科爱好者（教育教学）,2 0 2 2(1 2)：1 2 5-1 2 7.8陈运保,刘青.指向科学思维的高中物理教学设计一一以“曲线运动 为例 J.物理教师，2 0 2 0,4 1(8)：2 5-2 9.贾伟尧）2023年第1 1 期(栏目编辑 6 页)380.00340.00300.00260.00220.00180.00140.000图6 2 0 组声速测量结果散点图4结束语将生成式人工智能技术、Arduino可编程电子开发平台与物理实验相结合，测量了超声波在空气中的传播速度。不仅获得了较为精确的实验结果，也展现了一种全新的物理实验设计和实施方式。结果表明，依赖科学技术的赋能，物理实验教学可以更生动、更高效。在这个过程中，学生不仅能更好地掌握相关物理知识,也能更深刻地体验前沿技术。需要注意的是，尽管生成式人工智能技术有了长足进步，但其输出结果仍然存在一定的瑕疵。另外，人工智能缺乏人类的想象力和创造力，无法突破现有的知识框架，也无法像人类一样，在教学过程中传递价值观和道德观。因此，教师应该充分发挥主观能动性。在具体操作上，应利用专业知识去识别并弥补这些瑕疵。在思想认识上，应重视并关注人工智能技术的发展，努力探索其在协同教学、个性化教学等方面的积极作用。参考文献：1中国信息通信研究院，京东探索研究院.人工智能生成内容(AIGC)白皮书 R/OL.2022-09.http:/www.510声速（米/秒）15202任雪梅.跨学科融合开展中学物理实验教学 J.新智慧,2 0 2 2(8):9-1 1.3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)S.北京：北京师范大学出版社，2 0 2 2.4谢晓琳,周少娜.例谈Modellus软件在物理教学中的应用一一以机械振动和机械波主题为例 J.物理教学探讨,2 0 2 3,4 1(5):6 6-7 0.5赵澜斌.Arduino开源平台在高中物理实验教学中的应用 J.物理通报,2 0 2 2(4)：8-1 1.6滕帆帆,牛慧君，王群，等.基于Arduino 的光敏电阻实验改进及其应用探究 J.物理通报,2 0 2 1(7)：1 0 7-1 1 0.贾伟尧）-71-（栏目编辑