基于学科项目化学习理论的实验教学设计

摘    要：学科项目化学习能培养学生的问题解决、元认知、批判性思维、沟通与合作等重要能力. 物理学科教学要立足课堂模式，融入学科项目化的设计要素，将低阶认知“包裹”入高阶认知，突出“学生本位”，设计关键性驱动问题，采用学科项目化教学支架，帮助学生内化知识，养成科学态度与责任感.

关键词：学科项目化;高阶认知;核心素养

学科项目化学习不是为项目而项目，不是为了要产生一个显性的结果而开展项目，其最终的结果是来自师生、生生对问题情境的共同探索. 从课程改革的发展来看，出现了基于问题的学习、研究性学习、探究性学习等学习形态，但是这些学习方式在高强度评价盛行的教育生态下，只能用独立的研究型形态的课程进行.学科项目化的设计要素融入物理学科教学，将低阶认知“包裹”入高階认知，在不降低学科学业成绩和保证基础类知识与技能不损失的情况下，设计培育学生的问题解决、元认知、批判性思维、沟通与合作等重要能力的课程.学科项目化学习是将学习过程翻转，通过对驱动性问题的思考和探究，将知识学习、能力提升和问题解决、产品形成整合在一起[1].

学科项目化学习不能通俗地理解为项目化学习活动，那样会造成教学目标和教学过程脱节。学科项目化学习立足课堂模式，是在不增加总体课时情况下的学习，如果活动过多，会使学生不能静心思考解决问题的方法。学科项目式学习的首要特征是向心性，即项目是课程的中心而非外围和边缘，学生通过项目接触、学习学科的核心概念[2].

下面以普通高中教科书《物理》（下简称“《物理》”）必修第一册第三章第4节中的实验“探究两个互成角度的力的合成规律”为例进行说明。

一、结合学科项目化要素提出实施建议

（一）突出“学生本位”，展现核心素养目标

学科项目化的第一要素是知识观要指向学科核心素养，教学目标是整节课的灵魂，目前教学目标经常提到的“培养或养成学生……”都是从教师角度进行叙述的，学科项目化教学目标则站在“学生本位”进行叙述，能展现核心素养培育目标.我们采用这样的目标叙述：

能描述“为什么要进行力的合成与分解”;

愿意尝试提出两力求合力的方法;

通过学科项目化设计方案，学生积极主动思考问题;

通过讨论和实验探究，学生能对等效做出判断，在具体问题的求解中，学生会运用平行四边形定则计算两个或两个以上共点力的合力，并且提高合作探究能力;在对现象规律的语言阐述中，逐渐提高自己的语言表达能力;

会引申各事物间的关联性，融入生活.

（二）设计关键性驱动问题

设计驱动性项目问题是第二要素，能改变学生学习从低阶学习开始，并且主要在低阶徘徊的现状，让学生明确学习内容的意义，自主地围绕项目逐一解决驱动型问题.

驱动型问题研究途径需要的高阶认知方式必须能够符合学生的认知规律.学习中经历高阶思维过程有利于学生的思维发展与知识建构.先要确定课题的本质问题，这是整节课的出发点和落脚点，本节课的核心思想是使用等效替代思想探究两个互成角度的力的合成规律。然后从本质问题出发设计驱动型问题任务包，引导学生完成项目的研究.

如图1，本项目设计了四个驱动性问题。

驱动问题1的优点在于指向学科本质，促进学生对科学的理解.涉及的高阶思维是“问题解决”，解决的是生活中观察到的现象.

驱动问题2是发散思维的需要，学生如果总是按部就班地开展科学探究活动，限制的是学生的心智发展.要能充分鼓动学生心智发展，学科项目化学习设计必须使用的是高阶思维中的“决策”与“创见”.

驱动问题3和4使学生通过小组合作，进行系统研究分析、展示，在讨论中实验调研，进而完成深度学习.

（三）学科项目化教学支架

学科项目化的第三要素是过程中采用的教学支持手段必须与高阶认知配套，如图2.其中的“分析与建议”，即通过分析获得情境问题的解决问题方案，是全程教学支架的中心;“抽象与操作”，即从情境回到实验室，如何从抽象的问题中决策、“创见”出模型;然后对模型进行“比较与选择”，系统分析即是关于模型实验的组装方式研究;最后对项目进行“反思与改进”，调研思维即是项目过程能够发现问题，解决改进问题.此过程是循环且不断改进的.

二、学科项目化过程策略（课堂节选）

任何一种学习方式都必然存在一个让学生适应的过程.学科项目化不等同于分组实验课堂，所以我们在课前要先向学生说明课程的意义及作用，以获取学生的配合，然后才能达到课程实践的效果.此课例中，学生在理解了教师的设计意图后，表现出了高度的兴趣和参与热情.

（一）明确教学目标，更好体会学习意义（高阶思维：问题解决）

学科项目化关键是要让学生明白为什么要进行这个项目的研究。学生带着动力去研究并克服困难，那么成功带来的成就感就会更突出，学生就会逐渐享受科学探究过程.本节课内容安排在“各种常见力”之后，学生对于这个突然转折有些茫然.《物理》必修第一册经过修改，充分体现出了教学顺序的优化。我们从项目目标出发，先让学生体会问题1：为什么要进行力的合成？请看课堂实录：

师：几个小孩在争抢一个玩具，你能判断玩具将向哪个方向（见图3）运动吗？

生：不能，除非知道最后“总的力”的作用效果.

师：这里大家提到的“总的力”其实就是初中的“合力”概念.我们如果可以求出几个力的合力，那么就能够判断物体接下来的运动情况了.

在学生感悟到了力的合成的必要性后，接下来应该突破学生的认知误区问题2：是不是任意两个力都能够合成？

师：请同学们思考不同物体上的力能否合成？

生：（不是很确定）好像不能.

师：所以我们求力的合成，前提是它们是作用在物体上的一组共点力.比如下图两个木块受力（见图4）可以进行力的合成吗？

对教材知识点顺序进行优化，即得：感悟力的合成意义—了解共点力的概念—力的合成方法研究.

（二）知道等效替代关系，深化理解矢量合成法则（高阶思维：决策、创见）

矢量合成关系在教材中第一次展开讨论，因为力的方向容易利用弹簧测力计记录，所以降低了对矢量合成的理解难度.学科项目化解决方案的实施，关键是要让学生自己形成动力来解决，而让他们有意识地运用高阶思维解决问题才是学科项目化的培养目的.请看课堂实录：

师：这里体现的是等效替代思想，同学们分小组利用手头已有的器材能够模拟这个情景吗？

生：用一个弹簧测力计拉物体沿水平方向匀速前进，或者用两个弹簧测力计拉物体沿水平方向匀速前进（不同角度）.

生：用一个弹簧测力计静止吊着物体，或者用两个弹簧测力计静止吊着物体（不同角度）.

师：那么同学们总结得出F=F1+F2吗？

生：应该不是代数和关系.

师：如果不是，请大家记录力的方向和大小，看看它们的关系.

接下来笔者让学生通过多种情况实验并作图，去尝试发现“合力与分力的关系”.请全体学生运用直觉思维，记录力的大小和方向，观察各个小组典型案例的共性.

学生最终发现“画图连接后，合力和分力像平行四边形”这个特征.这个发现就是一种“创见”思维，科学史上的灵光一闪，往往就建立在这样的猜想上.有了这种猜想后，学生通过多次实验，作图明确了“像平行四边形”这个关系.

（三）完成实验报告，学习汇报互评（高阶思维：系统分析，实验调研）

汇报实验过程有助于团队厘清实验过程的思路、方法.汇报可以检查学生的思路是否能展现问题解决、决策、创见、系统分析、调研等思维过程.我们着重让学生叙述他们对实验中遇到的问题所采取的解决方式.比如有的学生拉动一个弹簧测力计匀速运动，却发现很难记录数据，经过小组研究，最后采用了分别将固定的橡皮筋拉到同一个节点的方式.这个过程就是系统分析、调研解决思维的展现过程.

在过程中，既要强调个人在团队中的作用（记录力的大小、方向的方法等），又必须展现团队成果：团队能够最终对合力与分力的关系进行展示、介绍，讨论过程的不足与改进方法，并制作出实验报告，进行成果展现.学科项目化很有必要引入评价环节，其中，在汇报成果的时候如果能够进行恰当的自我评价，就是一种对必备品格的反思和关键能力的自省.

三、项目过程展现的学习优势

核心素养目标是培养必备品格和关键能力，这需要教师放慢脚步，学校提高认识.学生形成概念性知识，意味着他不仅知道，而且能够理解这个概念的特点，能够运用这个概念来分析新的情境.

（一）培养高阶思维习惯的需要

高阶思维是相对低阶思维而言的，低阶思维包括信息收集、组织、储存、巩固等，这是学生参加选拔性考试的技能，而核心素养能不能考、怎么考已然提上议程，相信只有拥有高阶思维的学生才能在未来掌握优势.因此，学生必须学会从项目目的出发，去进行系统分析、问题解决、决策创见等高阶思维的锻炼.

例如，本课例在实际教学中经常变成验证性试验，缺乏学生感悟问题产生的原因、解决问题的困难与途径等环节.依样画葫芦完成课程的结果，就是大量的疑惑遗忘和兴趣的缺失.而我们的项目式学习在不增加课时的情况下，就能让学生快速切入项目解决过程（注意课堂各环节时间的安排），运用高阶思维，养成思考习惯，在潜移默化中生成个人核心素养.项目驱动问题有助于开发头脑：学习的有效程度取决于学生头脑的活跃程度，而按部就班地进行操作是最容易导致遗忘的学习形式，学科项目化学习的驱动导向使学生必须选择、质疑、反思，主动思考并运用科学思维方法，久而久之就会培养出聪慧的头脑.

（二）更利于内化知识

教学过程中，笔者经常发现：学生虽然明白某个问题，遇到新的情境却无从下手.这本质上就是知识没有内化，只知道依样画葫芦.目前新高考提出的情境弥补问题、问题解决等关键素养，培育的关键是学生要有意识地去建构丰富的情境.学生平时如果只知道练熟公式、类型题，是很难想象出新的情境，进而解决问题的.因此，项目式学习其实开创了有效教学的新途径.

本课例的难点在于发现平行四边形定则。怎样发现是有技巧的，課堂教学如果只展示一个演示实验，那么因为缺乏普遍性，就等于是直接告诉学生就是这样的规则，所以学生印象不深.由于缺乏内化知识的构建过程，遇到特殊的分力如何合成或者能不能合成，学生就不能进行情境迁移，当然也就谈不上解决问题了.在学科项目化学习的过程中，学生通过多种实验情况作图发现“像平行四边形”，运用的是“创见”思维，到最终“确认”过程，这既培养了他们勇于猜想的科学精神，也让他们了解到更多的实例，学会了如何有效处理力的合成的方法.

（三）激发科学态度与责任感

精神发展是学生通过具体的有目的的研究，感知存在于自然世界的力量，要求实事求是，不迷信权威，敢于质疑并大胆创新，善于合作与分享.

评价是项目化的最后一个环节.评价环节能引导学生懂得平等与尊重、细心与信任、挑战与创造，能培养学生善于欣赏、合作的能力等.

参考文献：

[1]夏雪梅.项目化学习设计：学习素养视角下的国际与本土实践[M].北京：教育科学出版社，2018：128-129.

[2]黄跃涛.基于学科项目化学习的物理实验教学设计[J].基础教育参考，2020（8）：48.