基于项目式学习的高中物理教学

摘   要：项目式学习注重培养学生的综合素养，能够有效推进育人方式的变革。首先，介绍了项目式学习的内涵和要素。然后，根据项目式学习的设计流程，以“设计自行车码表”为例，探究了基于项目式学习的高中物理教学的设计思路、课程实施方案，并进行了教学反思。

关键词：项目式学习；教学设计；自行车码表

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）2-0081-5

项目式学习是一种以学生为中心的教学模式，是学生从现实中的基本问题出发，围绕复杂的来自真实情境的主题，以小组方式进行的开放性探究活动。该模式通过完成一系列如设计、计划、问题解决、决策、作品创建、结果交流等学习任务，最终提升知识建构能力［1］。巴克教育研究所提出了项目学习设计的黄金标准，包含七个要素：具有挑战性的问题、持续探究、真实性、学生的话语权和选择权、反思与总结、评价与修正、公开展示作品［2］。结合项目式学习内涵、设计要素以及我国物理教育教学的理论与实践，项目式学习的学习流程应包含选定项目、项目计划、活动探究、方案设计（或作品制作）、成果交流、活动评价六个环节。本文基于此理论，以“设计自行车码表”为例，探究基于项目式学习的高中物理教学的设计思路与课程实施方案，并进行了教学反思。

1    项目背景

1.1    项目内容分析

项目以“设计自行车码表”为主题，引导学生运用圆周运动的知识研究自行车的运动，探究自行车速度和里程的测量原理，并提出测量的设计方案。项目主题是学习了圆周运动基本知识之后的应用课。“圆周运动”是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修二模块“曲线运动与万有引力定律”中的内容，内容要求为：“会用线速度、角速度、周期描述匀速圆周运动”［3］。项目主题既是对匀速圆周运动、线速度、角速度、周期、转速等物理量之间关系的深入理解，也是理论联系实际、学以致用的纽带。

1.2    学情分析

学生学习了1课时的内容后，已经了解了匀速圆周运动的特点，能够准确描述圆周运动的快慢，并利用物理量之间的关系进行简单计算。同时，学生对构建物理模型、分析论证等科学研究方法也不再陌生，也了解实验室、生活中一些测速工具的原理和技术手段，具备运用物理知识解决生活中实际问题的能力。自行车是学生十分熟悉的交通工具，但学生并不能深入理解自行车的传动结构以及其与运动的关系。

2    项目设计方案

2.1    项目目标

（1）通过对自行车车轮的运动以及传动结构的研究，能够建立基于质点的圆周运动模型，并利用线速度、角速度等物理量描述圆周运动。

（2）通过对自行车的运动和结构的研究，能够根据圆周运动的特点以及各个物理量之间的定量关系，提出设计方案，推理出测量原理。

（3）通过项目的问题分析和小组合作环节完成任务，建立解决问题的一般思路与方法；构建物理模型，将生活问题转化为物理问题，并利用常用的实验技术手段进行实验实施。

（4）在完成项目的过程中，项目成员能够关注社会热点和科技前沿，有创新意识和团队协作精神。

2.2    项目安排

项目分为3个阶段：第1个阶段为项目背景介绍以及测量原理的探究，在课上完成，学时1课时；第2个阶段为项目设计与实施，学生通过分组合作形成完善的设计方案并在课下完成；第3个阶段为课堂展示和方案评价，在课上完成，学时1课时。

2.3    项目评价

项目评价由过程性评价和终结性评价组成。过程性评价采用小组互评的方式，评价内容为项目实施过程中小组成员的情感态度及能力。评价量表由教师设计并在项目结束后发给学生进行评价，评价标准参考表1。终结性评价采用组间互评及教师评价的方式。组间互评侧重项目成果的评价，方式为课上展示后由其他小组成员进行质疑和提问，也可以对方案发表意见和建议。各小组全部展示完毕后，根据方案评价标准设计量表，对其他小组的方案进行打分。教师评价侧重于学习目标的达成，利用后测题进行检验。

3    项目实施

3.1    项目背景介绍及测量原理探究

3.1.1    项目背景

现在，越来越多的人选择骑自行车进行健身。为了保证骑手能合理地控制锻炼时间和强度，能不能设计一种装置，可以实时测量自行车的里程和速度呢？这其实就是自行车码表，自行车码表的主要功能是实时测量并显示车速和里程。

3.1.2    项目主题

设计一种测量自行车里程和速度的码表。

3.1.3    测量原理探究

教师展示自行车，引导学生认识自行车的传动结构，认识到车轮的滚动与自行车的整体运动有直接联系。

提出问题：车轮的转动与车的运动有什么定量关系？为了解决这个问题，设计探究活动及驱动问题展示给学生，学生进行分组探究。

探究活动：祝融号车轮上“中”字的奥秘。

我国自主设计的火星车“祝融号”的后轮上被设计师刻下了一个“中”字，如图1所示。其技术意义是根据车辙中“中”字的间距，判断车轮是否打滑。

驱动问题：

（1）如果车轮不打滑，出现“中”字的间距有什么规律？

（2）车轮上哪一点的运动可以代表车轮整体向前的运动？

（3）每出现一个“中”字，车轮整体向前移动的距离是多少？

（4）若把“中”字看作车轮边缘上的一个点，以轮轴为参考系，该点做什么运动？每出现一个“中”字，该点通过的距离为多少？

（5）请你总结车轮的转动与车轮整体向前的运动之间有什么定量关系。这对自行车里程和速度的测量有什么启示？

学习支架：为每个小组提供一卷透明胶带，透明胶带的开口处粘上一条纸带，纸带长度刚好为透明胶带的周长。

小组展示：解决问题，提出结论，并利用提供的教具解释（图2）。

结论：车轮边缘一点以车轴为参考系做圆周运动，运动的弧长等于车整体在地面上移动的距离。

得出测量原理：自行车行驶的里程等于车轮边缘上的点绕车轴转动的弧长。

公式：S=2πrN，式中r为车轮半径，N为车轮转动的圈数。自行车整体运动的速度等于车轮边缘上的点绕轮轴做圆周运动的线速度。

3.2    设计方案的展示

3.2.1    展示案例1

该案例是利用光电门测量自行车的里程和速度。

方案设计：在自行车轮毂侧面固定一个挡光片（宽度2 cm），将光电门固定在车轮侧面，并靠近车轮，使挡光片经过光电门时可以遮住发光孔，如图3所示。

测量原理：车轮每转动一圈测一组数据，即为挡光片的线速度大小。由于挡光片的位置并不在车轮边缘，需要测出挡光片到车轴的距离，并根据同轴转动的关系计算出车轮边缘的线速度大小，即为自行车的实时速度，结果如表2所示。记录一段时间内测量数据的个数，可得到车轮转过的圈数。再根据测出的车轮半径计算里程。

问题探讨：自行车车轮每转一圈测一次速度，这样测量自行车的实时速度精确吗？查阅资料后，得出以下数据：普通人骑自行车的平均速度为15 km/h，约为4.16 m/s，26寸轮毂的自行车车轮半径约为33 cm。求车轮边缘的点绕轴做圆周运动的周期？学生通过计算得出周期约为0.5 s。可以看出，车轮每转一圈经过的时间很短，一个周期内速度大小的变化可以忽略不计，即车轮边缘上的点以车轴为参考系做匀速圆周运动。

学生交流：其他组同学对该组的设计方案提出问题或建议。

学生1：我想提出两个问题。第一，挡光片的形状应该是弧形，因为线速度的大小是弧长与时间的比值。第二，光电门的发光孔和接收孔容易遮挡，也容易受到环境光的影响，怎么处理这个问题？

小组成员回答：可以尽量减小孔间距，同时增强发光亮度。

3.2.2    展示案例2

该案例是利用磁传感器测自行车里程和速度。

方案设计：将磁铁固定在自行车辐条上，磁传感器固定在车架上，传感器探头对准并靠近磁铁，如图4所示。

测量原理：磁铁每转到对准磁传感器的位置时，传感器的示数会出现一次峰值，一段时间内出现峰值的次数即为车轮转过的圈数，如图5所示。再测出车轮的半径，来计算里程。测出相邻两个峰值之间的时间间隔，可以得到车轮边缘上的点绕车轴做圆周运动的周期。车轮的周长除以周期可以得到线速度大小，即为自行车的速率。

方案改进：B-t图像中峰值的出现有时并不稳定。通过资料查阅，发现一种更好的替代品——电磁计数器，它可将磁信号转化为电信号，并能稳定输出车轮转动的圈数。

学生交流：其他组同学对该组的设计方案提出问题或建议。

学生2：为什么峰值出现不稳定的情况？

小组成员回答：我们查阅了资料，可能与磁铁的运动以及辐条的磁化现象有关系。

教师展示案例：利用踏频传感器测量自行车的里程和速度。

方案设计：踏频是单侧曲柄每分钟转动的圈数。利用踏频传感器测出脚踏板的转速，通过自行车的传动关系计算出车轮边缘的线速度和转速，可得出自行车整体运动的速度和一段时间内车轮转动的圈数。再根据车轮周长计算出自行车的里程。

原理探究：以轴为参考系，A，B，C，D点均做圆周运动，半径分别为rA，rB，rC，rD，如图6所示。（1）A，B，C，D点的传动关系？（2）推导A点线速度、转速与C点转速间的定量关系？小组进行合作探究。

学习支架：每组发一个探究传动关系的自制教具，如图7所示。

小组展示：

（1）利用自制教具中的角度盘，可得出相同时间间隔时，两盘转过的角度之比。再根据两盘的半径之比，得出皮带传动的线速度关系。比较圆盘转动时同一条半径上不同点的线速度，可得出同轴转动的角速度关系。

（2）根据“A，B两点角速度相同，B，D两点线速度大小相同，C，D两点角速度相同”的关系，得出

v=r

n=

3.3    小组互评

问题：一个好的方案应该有哪些标准？

学生回答：有效性、科学性、方便性、低成本……

活动：以小组为单位讨论并评价三个设计方案，并进行打分。互评表的设计如表3所示。

3.4    中国传统文化介绍——记里鼓车

中国古代劳动人民发明了一种记录里程的工具——记里鼓车。《晋书》记载：“记里鼓车，其中有木人执槌向鼓，行一里则打一槌。”记里鼓车通过复杂的齿轮传动，实现每前进一里，敲一下鼓，体现了中国古代劳动人民的智慧。

展示记里鼓车模型（图8），并进行演示。

课下活动：同学们，请查阅资料了解记里鼓车原理，体会中华文化的博大精深。

4    结束语

项目设计中，学生利用描述圆周运动快慢的基本知识，以小组合作的方式探究了自行车里程和速度的测量原理、自行车的传动结构特点，提出了设计方案并进行了展示。最后，由各小组对所有方案进行评价。学生在合作探究中运用知识解决问题，锻炼了解决问题的能力，充分发挥了学生学习的主观能动性。

测量原理的探究是项目学习中的难点。项目设计通过引入“祝融号”的案例，将问题具体化，并设置驱动问题引导学生合作探究。项目借助教具展示，化抽象为具体，较好地突破了难点。

利用光电门、磁传感器等测量了自行车的里程和速度，为学生利用现代技术解决实际问题提供了思路。踏频传感器的引入既拓展了学生的视野，又提出了探究自行车传动结构原理的新问题。通过自制教具的探究，将抽象问题具体化，使学生在动手、观察及合作交流中完成学习任务。课堂中，可利用智能手机中的数据分析软件和投屏软件，将传感器测量数据实时显示到大屏幕上，课堂效果很好。除了对实施测量方案的学生进行互评以外，教师应在课前了解方案内容，在课上给出更科学的评价，鼓励学生继续改进并形成项目报告。最后，记里鼓车的介绍是很好的情感、态度与价值观的教育素材，让学生感受古代劳动人民的智慧，感受中华文化的博大精深。

参考文献：

［1］柯清超.超越与变革：翻转课堂与项目学习［M］.北京：高等教育出版社，2018.

［2］巴克教育研究所. 项目学习教师指南：21世纪的中学教学法（第2版）［M］.任伟，译.北京：教育科学出版社，2008.

［3］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京：人民教育出版社，2020.

（栏目编辑    贾伟尧）

收稿日期：2023-07-11

基金项目：郑州市教育科学研究课题“项目式学习在高中物理大单元教学中的应用研究”（2023-ZJKYB-S11-002）。

作者简介：王黎阳（1993-），男，中小学一级教师，主要从事高中物理教学工作。