基于项目学习的学生高阶思维能力培养

王峰 刘文庆

摘 要：水火箭是物理学中一个常见的实践类项目，常常出现在STEM项目学习、研究性学习或其他学生的实践活动中.从项目学习模式开发和学生高阶思维能力培养角度出发，对该问题进行了实践研究，得到不少实证材料与教学反思，能够有效论证基于项目学习的水火箭活动确实可以有效提升学生的高阶思维能力.

关键词：项目学习;高阶思维能力;水火箭

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）11-0034-04

1 高阶思维能力和项目学习

布鲁姆（Bloom）等专家按照认知的复杂程度，将思维过程具体化为六个教学目标，即学习时需要掌握的六个类目的行为表现，由低到高包括记忆、理解、应用、分析、评价、创造，其中记忆、理解和应用，通常被称为低阶思维;分析、评价和创造，通常被称为高阶思维.

高阶思维能力是一种侧重高层次思维水平的综合能力，它是当今社会学习者得以生存与发展的必备技能，我国教育部的课程标准（2017年版）关于核心素养要求中对思维能力有较高、较普遍的要求，因此发展培养学生的高阶思维能力就成为核心素养导引下提升教学质量的内在需求.当然要培养学生的高阶思维能力必须借助一些平台或途径，笔者通过几年的努力尝试发现，通过项目学习的方式，结合系统思考、创新思维、批判性思维等方法，可以有效地提升学生的高阶思维能力.

项目学习以“项目为主线，教师为主导，学生为主体”，是一种动态的课堂教学方式，它以学习者为中心，围绕着一个具体的项目深入地开展研究，其任务具有真实性和开放性，让学生面对真实的问题情境实现知识的意义化建构，经历更优质、科学的学习过程，进而较大程度地激发学生的学习潜能，促进高阶思维能力的提升.

因此，在培养高中生高阶思维能力上“项目学习”相比“传统学科课堂”或“学生自主研究性学习”等方式具有较大的优势.本文以水火箭项目学习为例，介绍项目设计开发的过程和学生高阶思维能力提升的实际效果.

2 水火箭项目活动的设计与实践

2.1 设计研究

核心问题1：为什么要选择水火箭这个项目进行研究？

项目学习有三大特点：（1）所有项目都是真实的;（2）每个项目都是独立的，都由项目确立、实施、结束和结果评估等环节构成;（3）项目实施活动所给予学生的，不仅是将来做事所需要的知识和能力，而且可能就是同学们将来所要做的事情本身.对照这三点：（1）水火箭项目是真实的;（2）它包括确立课题、计划分工、实验操作、反馈调整、结果评估等阶段;（3）该项目与将来的航天、军事、科技等领域具有相关性，可以为某些学生将来的潜在工作打下基础.因此“水火箭”项目是非常适合进行“项目学习”的.

高阶思维能力主要包含分析、综合、创造等行为表现.对比分析：水火箭项目开展过程中需要学生从理论上进行分析、在实践中进行技术运用、在克服困难共同研讨过程中激发集体的智慧，获得灵感并创造性地解决问题.经历这些学习过程学生的高阶思维能力必定会得到提升.

核心问题2：水火箭（斜抛运动）的力学原理复杂，如何让高中生更顺利地开展研究？

水火箭斜抛运动是一个过程复杂的实际问题， 其受力和质量都是变化的，导致其在飞行过程中加速度的变化是极其复杂的，进而导致速度、位移的变化都是复杂的，要想把这些问题解决是非常困难的，必须要用到高中生难以掌握的微积分来进行处理.

那么，对于高中生该如何降低他们的研究台阶？笔者采用系统动力学软件建模的方式进行，主要软件为STELLA，它可以帮助学生逾越微积分的障碍，只要在电脑界面上进行模块的构建，把逻辑关系准确链接，电脑进行运算，最终就可以实现不需要微积分就能够呈现出运动变化规律的结果.采用这样的方式，学生就可以顺利进入到对水火箭项目的后期的各种参数调整的研究过程中去，这样学生就“有能力”对水火箭进行更深入的研究.

在水火箭项目学习的过程中，学生们首先要用系统思考的方法进行逻辑关系梳理，然后进行建模处理，再进行数据模拟运行预测结果，图1是学生研究过程中的一些资料.

学生用图像展现预测数据（竖直位移为零时的水平位移即为射程）.

以上这些研究过程资料表明，运用合适的平台和工具能够提升学生对复杂问题的分析水平，具体有三点：（1）利用因果环路图（反馈逻辑循环图）能非常方便地分析非线性复杂问题;（2）利用动力学建模能轻松地处理复杂动态的微积分问题;（3）利用调节滑块、表格和图像等功能能够非常方便地调整参数、观测各种条件下的斜抛射程的变化趋势.

2.2 实验反馈

笔者带领学生到学校的操场去进行水火箭的发射实验.学生们在实验过程当中，他们分工合作，运用控制变量法进行有效的实验，得到了很多有价值的数据.通过实践，学生们发现原本的理论分析和实际情况是有出入的，他们原本建立的模型还是不够完善的.所以，经历第1次实践活动之后，笔者带领学生回到教室重新进行整理，对他们之前建模过程中的不足的环节进行改进.

改进方面有： （1）细化考虑喷水过程问题，学生一开始认为水是瞬间喷出去的，但实际上水火箭发射的过程中，它的水并不是一下子全部喷出去的，運行过程中约有2米的路程是在不断喷水的，需要重新构建模型;（2）需要考虑气压变化的因素，瓶内气压随着水的减少，气体体积增大压强减小，在短时间内发生近似的等温膨胀变化;（3）考虑空气阻力与迎风面积的关系，比如用到斯托克斯公式（f阻=6πηrv，η是空气的黏滞阻力系数，r是水火箭截面的半径，v是水火箭的飞行速度）进行调整;（4）通过各种手段提高瓶口橡皮塞的密闭性，使喷水时瓶内气压尽可能大.

2.3 调整拓展

学生们对一开始的建模进行有效的调整，然后得到了与第1次测量的结果具有较高吻合度的预测数据，然后再调整可变参数，预测相关结果，综合分析哪些参数组合会得到最佳的抛射距离？最后再到操场上去进行第2次实验，这时候学生发现，这次的实验获得的最大抛射距离与建模分析结果的一致性更好，大家都比较兴奋，成功之色溢于言表.

学生优化后的系统动力学模型，下面是学生们进行实验研究的一些过程资料（如图4和图5，数据见表1）.

笔者在选修课上带领学生对水火箭进行实验研究，过程中学生们非常认真地进行实验规划—建模研究—实验操作—数据记录—调整参数—循环操作……

实验中学生们采用了很多科学实验中常用的方法，如控制变量法、平均值法等，这些科学方法的使用能更好地提升他们分析问题、解决问题的能力水平.

学生在后续的实践活动中，依然发现了一些问题，比如说水火箭在飞行过程中会有轨迹的“抖动”现象， 要解决这样的问题是非常困难的，因为这跟空气动力学中的气流规律（如湍流）相关，目前学生的知识还不够，只能做一些调整尝试.笔者向学生介绍一些相关知识和稳定性措施，再经过学生共同商议，最终决定对水火箭的箭体设计做结构改进：（1）加装更加牢固的尾翼;（2）在箭头加装整流罩;（3）调整配重的合理分配（比如说使得舰体的前方配重更大一些）.这样一来，水火箭飞行的稳定性确实得到了提高，射程也变大了.

2.4 反思总结

通过学生们不断优化的研究活动，最终他们得到了令人可喜的成果，以下是学生的一些实践结论、误差分析和反思总结.

小组1：在进行了水火箭两组共24次实验后，我们总结出了初步结论：

（1）最佳发射角度约为35°;

（2）最佳注水量为瓶子容积的40%-50%;

（3）整流罩可以大幅减少空气阻力产生的影响，提升水火箭的射程;

（4）侧翼、尾翼可以增强稳定性，提升射程;

（5）发射初速度与加气压力成正相关，但过大的压力会使水火箭在发射架上漏水，并不能飞到一个理想的距离.

小组2：实验结论是水火箭飞行距离与打气次数相关，发射角约为40°时能飞行至最远距离.

反思不足：在实验中我们发现，当打气次数（对应给予的冲量大小）达到一定程度时水火箭会向后翻滚，我们猜测可能与水火箭的质量及分布有关.

（1）水火箭头部应当适当增重，重量不足时会导致发射方向难以预测;

（2）水量不能过多，过多时打气会受到流出水的影响，同时水无法尽快喷出影响空中运动的轨迹;

（3）打气不能过多，发射时若喷射气体过多会影响水火箭发射的轨迹.

……

汇总学生的总结发现，各个小组的同学最终的结果都是一致的，他们都发现了发射的倾角适当时，斜抛射程才能最远，同时他们也发现在配重、水量、气压的处理以及机身的结构等方面，都要进行适度调整，才能达到最佳的综合效果.这些结果让学生体会到水火箭是一个综合度很高的项目，需要系统化考量各个因素，有些因素之间是相互影响制约的，并不是越大越好，不同因素对核心问题的影响程度不同，必须要分清主次，等等.

3 水火箭项目活动的评价与反馈

3.1 学习成效评价

活动结束之后，学生进行反思总结，各个小组都阐述了自己的一些观点，在研究过程当中遇到的困难以及解决的方案，还包括他们最后获得成功的一些喜悦感受.当然笔者也在更高层次上要求他们对于自我的实践进行评价，以及对其他小组的实践进行评价.

学生们说：一个看似简单的问题，其背后往往隐藏着非常复杂的一些理论问题，要想解决好这些理论问题是非常不容易的，必须要借助一些平台或工具，才能够更好地开展研究;通过其他小组的一些演示他们经常会获得很好的灵感，能够去对自己的小组的水火箭进行改进，最终各个小组通过相互学习和借鉴，大家的水平都得到了有效的提升，在此过程当中大家的创造力也得到了不同程度的激发.

活动结束之后，很多学生都撰写了研究报告.笔者对学生的研究报告进行了有效指导，让他们形成体系完善、结构合理、格式标准的科技小论文.这些论文得到了一些平台的认可，比如说2019年中国系统工程学会系统动力学专业委员会举办的“系统思考冬令营论文评比”活动当中，有的学生的论文就获得了一等奖，还有在学校科技文化节上举办了科技论文比赛，有的学生的论文获得了二等奖，另外，他们还相应进行了一些研究性学习，撰写了论文报告，并获得了学校的研究性学习优秀奖等等.这些成绩都是对于学生项目学习研究过程的一种肯定.

3.2 高阶思维能力提升实效调查

当学生由高二步入高三之后，笔者对他们进行了一次跟踪问卷调查.请他们反馈在水火箭项目学习过程中所获得的一些进步，尤其是在高阶思维方面的提升情况，调查结果表明，他们对于自我思维提升的感悟是令人鼓舞的，下面是他们的问卷调查数据和一些感悟.

下面是对于参加过水火箭项目的学生（共20位学生参与）进行问卷调查的内容.

（1）通过学习你觉得自己在思维方法、习惯、能力水平上是否有进步？

（2）是否能经常透过事件的表象去提取背后隐藏的逻辑结构和原理？

（3）是否能经常思考为解决问题而采取的措施有无后遗症？

（4）是否能经常用系统思考的方法，动态、反馈式地分析一些复杂的事情？

（5）是否能更加审慎地判断或评价一些事件？

（6）是否能对某些重要的事情进行综合分析、全面梳理？

统计数据显示：（1）有96.9%的学生对能力提升持认同态度，62.5%的学生非常认同，學生们是十分认同自我的高阶思维能力得到了有效提升;（2）数据显示，有些思维习惯的养成还需要进一步培养，比如关于后遗症的思考，其实这也是现实生活中常常困扰人们的问题，尤其对于各行各业的决策者来说，这种思维能力更为重要.

4 基于项目学习的高阶思维能力培养的反思与展望

通过长达五年、多个学生小组的水火箭项目学习研究，笔者有不少心得.

（1）一个好的项目的设计是非常重要的，它必须符合项目学习的一些基本特征：如真实的项目、具有一定的开放度和理论深度、项目能够与将来的学习工作接轨等.

（2）在项目活动推进的过程中要做好充分的设计与准备，利用好各类工具和平台，让学生的思维能够得到最大化的激发，在学生们进行理论分析、反馈处理、调整提升、交流合作等过程中，有效地提高他们解决问题的水平，培养他们的高阶思维能力.

（3）在总结反思的过程中，让学生积极地自评、互评，能够提升学生评价的意识、能力和水平.

（4）在实践的过程中，通过交流互动、头脑风暴等方式，启迪智慧，激发灵感，能让学生们的创造力得到有效的提升.

综上所述，通过水火箭项目的学习，学生的高阶思维能力确实得到了有效的提升，也给了笔者非常大的鼓励，笔者将继续努力开发更多的有意义、有价值的研究项目，让学生更多地参与到这些项目的学习过程中，不断提高师生的高阶思维能力水平.

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（收稿日期：2021-02-18）