项目式学习在物理化学线上教学中的应用*

司长代，董翊晗，汪鹏霞，雷新有，龙世佳

(天水师范学院化学工程与技术学院，甘肃 天水 741001)

课堂教学模式改革是高校实现人才培养目标和提高教学质量的重要途径，而项目式学习(Project-based Learning，PBL)越来越受到教学革新的重视。目前，中小学教学中更多的实施与探索了项目式学习[1-4]。但由于高等教育课程内容多、难度大、课时数相对不足，使得课堂教学的革新举步维艰。尽管信息化手段在教学过程中不断渗透，但教学效果并没有显著的提高，主要还是学生参与课堂教学的积极性、主动性不足。基于此，特别在疫情期间，为了应对“停课不停学”，消除特殊时期对教学效果的不利影响，线上直播教学算是最好的选择。那么选择线上项目式学习法给予了“居家”学习的学生积极参与课堂教学的平台和时间，让学生能够独立思考和自主探究。当前相关教学研究有理论探索[5-6]，也有实践应用[7-8]，如基础教育[9-10]，再如高等教育[11]。本文以线上项目式学习为教学模式，以卡诺循环内容为教学主线，构建高效课堂，实现教育教学过程中的三维目标，即：知识与技能；过程与方法；情感态度与价值观。

1 项目式学习的发展与内涵

项目式学习的前身是美国学者威廉·克伯屈(william heard Kilpatrick)在1918年提出的设计教学法。20世纪90年代我国尝试探究将该领域的研究引入教学实践中。在近三十年的研究中，很多学者从教与学的方式、教学过程、教育价值等不同角度来定义项目式学习[12-14]。无论从何种角度看，项目式学习都涵盖了在解决真实问题的情境中学习知识、完成任务、发展能力这三个要素。以解决驱动性任务为目的，最大化的激发学生的学习潜能，最终生成知识产品或成果的一种教学模式[15]。这就需要教师最大程度实现因材施教，满足学生个性化需求，进而帮助学生掌握知识与技能。因此，学校和老师应该给予学生更大的发挥空间[16]。而项目式学习在线上教学中的实施，弥补了线下教学时间紧，教学内容难以完成的困惑，也能够促进学生综合能力潜移默化的提升。

2 项目式学习在物理化学课堂教学中的应用

物理化学课堂在传授知识实现教学目标同时，将价值引领、能力培养和知识传授有机融合，充分发挥该课程的育人功能。本文以卡诺循环为例，在对教学内容、教学目标、教学重难点等分析的基础上，渗透思政元素，将其有机融入项目式学习教学模式中，进行教学探究。

2.1 教学分析

2.1.1 教学内容分析

本节内容以研究卡诺定理和卡诺循环为核心。首先介绍了热机问世以来，人类致力于提高热机效率所经过的缓慢的历程，最终提出了卡诺循环，得到了卡诺热机效率。引导学生领悟科学研究要有不畏艰难的探索精神，同时让同学们感受物理化学学科发展蕴涵着科学家们严谨的科学态度及深邃的思想，以此培养学生的科学精神[17]。其次，引出提高热机效率的两种方式：降低低温热源温度和提高高温热源温度。在卡诺定理这部分内容中，分别从可逆热机和不可逆热机两个角度来证明热机效率的极限。说明他们都小于卡诺热机的效率。据此解决了热机效率极限的问题，并为提高热机效率指明了方向。

2.2.2 教学目标分析

(1)认知目标

①让学生在熟悉前期知识的基础上，即等温可逆膨胀、等温可逆压缩、绝热可逆膨胀和绝热可逆压缩等概念。理解并掌握正逆循环过程中系统状态的变化，吸热、放热以及对外做功的规律，掌握热机和制冷机的工作原理，利用卡诺定律判断一个实际的循环过程是否能实现。

②准确理解卡诺循环并熟练掌握卡诺热机效率的计算；深刻理解可逆与不可逆过程以及卡诺定理。

(2)素养目标

在整个热机效率探究的教学过程中使学生潜移默化的领悟到从事科学研究要有不畏艰难探索、坚持不懈、实事求是和敢于创新的科学精神。

2.2.3 教学重难点分析

重点：卡诺循环的组成以及4个过程中系统各状态函数变化的规律。

难点：卡诺热机原理的应用。

本节内容围绕热机展开，如何提高热机效率是本节课的主要内容。因此，本节课的重点在于卡诺原理、卡诺循环、热机效率、冷冻系数与热泵原理等。特别是热机效率极限的问题，会关联到可逆与不可逆过程，自发与非自发过程等，这些概念具有一定的挑战度。同时，在掌握这些重难点知识的过程中，也为培养学生迎难而上的坚韧品质提供了环境[18]。

2.2.4 教学方法分析

基于本节课的内容特点，采用线上项目式学习法。教师以问题为教学的驱动力，以学生为学习主体，以问题作为教学线索，让学生经过自主学习与相互讨论，最终深刻掌握卡诺定理和卡诺循环及其在生活中的应用。

2.2 基于项目式学习法在教学中的实施

项目式学习是以小组合作的方式进行项目实施，学生基于已有的知识和经验，自己主动制订相应的学习计划，并在参与过程中逐渐建构知识网，实现综合发展的教学模式。基于项目的探究式教学模式主要通过“项目选择→知识建构→成果制作→成果展示→交流评价→反思迁移”六部分来实施。

2.2.1 项目选择

教师根据教学目标选择了卡诺定理和卡诺循环这一节知识点，并对学生提出了学习任务和要求，让学生根据教师提供的有效资源，即学生通过线上线下获得相关材料后，全班8组学生在问题的驱动下，形成问题清单，如表1所示。

表1 卡诺循环相关的问题清单Table 1 The question list related to Carnot cycle

2.2.2 知识建构和成果制作

成果制作是项目式学习的一个特色，也是项目式学习的一个主要环节，每个小组在前期知识储备的基础上，组内各个成员在有限的时间内通过自主、相互协作，信息检索完成知识建构(表2)。然后通过成果制作这一环节，让学生能够深刻的了解所学知识，能够用所学的知识解决现实生活中所遇到的难题，培养学生的提出问题、分析问题和解决问题的能力，培养学生团队协作意识。

表2 核心知识体系的建构Table 2 The construction of the core knowledge system

续表1

2.2.3 成果展示和交流评价

这是一个相互展示、相互交流、相互评价，更是一个相互提高的过程。同时，教师选出优秀作品，让学生采用PPT形式从理论和应用两个方面分组汇报，旨在让学生深刻认识卡诺循环在热力学第一、二定律中的重要地位和现实意义。

图1a是第1小组展示的卡诺定理。热机从高温热储器所吸收的热量Qh，仅将其中一部分转变为功，而另一部分热Qc传给低温热储器。温度差越大，热机效率越高。而卡诺循环过程可由四个步骤组成(图1b)[19]，即：(1)等温可逆膨胀，系统从高温热源吸收热量Qh，全部转化为对外做的膨胀功为W1，即从A→B；(2)绝热可逆膨胀，系统对外做功消耗热力学能，全部转化为对外做的膨胀功为W2，温度由Th降到Tc，即从B→C；(3)等温可逆压缩，系统与热源Tc接触，环境对系统做功为W3， 即从C→D；(4)绝热可逆压缩，温度由Tc升高到Th，即从D吸热回到始态，环境对系统做功W4；而W为整个循环所做的总功以及与热机效率的关系式如方程(1)～(2)所示。这一研究成果为后来提高热机效率指明了方向。因此卡诺循环是热力学中的一个最基本的理想循环，在热工技术，特别是在热力学理论的发展中具有非常重要的意义，它的结论已经包含了热力学第二定律的基本思想。也阐明了随着p，V，T的变化，环境与系统之间做功的关系。同学们展示图文并茂，思路清晰。而且，通过线上分享成果，也增加了学生的自信心和成就感，对于培养学生热爱、钻研物理化学提供了平台。

(1)

(2)

图2是第8小组展示的空气能热水器，其按照“逆卡诺循环”原理，具体来说，就是“室外机”作为热交换器从室外空气吸热，使低沸点冷媒产生物理相变(气态-液态-气态)，利用这一往复循环相变过程不断地吸热的特性，通过热交换器向冷水中不断放热，使水箱中冷水升温，其中Q3(热水获得的能量)=Q2(压缩机能量)+Q1(空气热能)。被吸收热量的空气也可被运用到厨房，解决闷热问题。这也使学生们能够领悟到“模型→创新→应用”教育理念在学习中的重要性[20]，即只有学生们熟悉了课本中的这些经典模型，将来才可能有创新的思想去设计无限接近于理想循环的热机，造福人类。这会使他们更加重视课本，更加重视本科教育对一个学生从能力和思想提升方面的长远的影响。

图1 卡诺定理(a)和卡诺循环(b)Fig.1 Carnot theorem(a) and Carnot cycle(b)

图2 空气能热泵系统工作原理Fig.2 The working principle of the air-source Heat Pump system

2.2.4 反思迁移

反思迁移就是在本节知识的学习之后，让小组及小组成员回顾自己的学习过程，包括知识建构方面的优点和不足，教与学之间的缺点和优点。让学生对学习方法、成果等收获的总结，培养自主学习的能力。同时，尝试利用本节课所学习的知识重新认识现实生活中的实际应用，更加重视课本基本理论，更加明确卡诺定理和卡诺循环的应用价值。对于教师而言，反思教学流程是否能达到完整性、规范性和引领性，课堂教学的内容选择、流程设计、形式表达、学理规范、思政渗透、课后延展六个方面是否具有一定的“示范性”。

3 结 语

项目式学习法是教学中一种行之有效的教学方法，突出了学生的主体地位和教师的主导地位，通过几个关联问题将整个知识串联起来。此外，线上教学，学生有大量的时间可以自行安排，他们可以采用线上线下方式获取所需知识，培养学生自主学习能力和独立思考的能力。养成规划与组织、沟通与合作、探究与反思、分享与创造、责任与担当等素养，同时，学生们也深刻认识到课本知识和实际应用之间的重要关系。整个过程完成了知识传授、能力提升和价值引领，这也是课程革新的发展趋势。