深度学习理念下物理学科项目式学习路径设计——以“创意吉他制作”为例

姜 爽

（教育部基础教育课程教材发展中心；课程教材研究所，北京 100029）

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》指出，为促进学生物理学科核心素养的发展，课程学习中要倡导基于项目的学习或整合学习等方法，促进学生基于真实情境下学科和跨学科问题解决能力的发展，促进学生素养的发展.［1］国内外学者对项目式学习的学科应用、教学成效等问题的研究结果表明，学科项目式学习对于学生学科知识的掌握、学业成绩的提高，以及问题解决能力、协作能力、自主学习能力的培育均有较大的提升作用.［2－4］因此，寻找项目式学习与物理学科课程的结合点，是培养学生核心素养，实现育人目标的有效途径之一.

1 理论基础

深度学习，是指在教学中学生积极参与、全身心投入、获得健康发展的、有意义的学习过程.它主张以单元学习来落实学科核心素养.在多年研究和实践的基础上，深度学习教学改进项目组提出了深度学习教学实践模型2.0，［5］包括素养导向的学习目标、引领性学习主题、挑战性学习任务/活动、持续性学习评价等4个核心要素，以及开放性学习环境和反思性教学改进两个支持要素.它的提出为教师进行单元教学设计、开展单元教学实践、进行教学反思与改进提供了脚手架.

项目式学习是单元学习的一种方式，它源于杜威的“做中学”教育思想和克伯屈等的探索.项目式学习是学生在真实情境中围绕一定的主题，在教师设计任务的基础上，进行较长时间的开放性探究活动的开展，实现有意义的知识的建构与自身能力的提高的一种教学模式.随后，Larmer J.于2015年提出了项目式学习设计的“黄金标准”，包括学生学习目标和7个核心要素.［6］其中，学习目标包括核心知识、理解和成功技能.7个核心要素分别为挑战性问题、持续探究、真实性、学生自主表达和选择、反思、评价与改进、公共产品.卢卡斯教育研究中心的Baines A.M.等人提出了高质量项目式学习的4大原则，即有计划的真实体验、与学科知识的深度融合、有意义的支持性互动、基于证据的教学和评价.［7］2018年，国内学者夏雪梅提出了项目式学习设计的6个维度，分别为核心知识、驱动性问题、高阶认知、学习实践、公开成果和学习评价，［8］为广大教师开展项目式学习提供了操作性强的设计模板.

2 深度学习理念下物理学科项目式学习路径

基于上述理论基础，本文提出了深度学习理念下物理学科项目式学习路径，如图1所示.物理学科项目式学习需要教师建立学生核心素养与物理学科核心内容之间的关系，依据课程标准、教材和学生实际情况，设计真实且富有挑战性的驱动性问题，通过问题的结构化分解确定素养导向的学习目标，明确学生在各个子任务中的素养表现.然后，在课程实施的过程中引导学生进行自主合作探究式的学习实践，展示学生项目成果.同时，基于学生素养表现进行学习评价，实现教、学、评的一致性.最后，教师在教学实践的过程中以及完成教学任务后，应根据学生表现持续地进行教学反思与改进，促进学生深度学习，期待学生获得更好的素养发展.

图1 深度学习理念下物理学科项目式学习路径

3 案例实践：创意吉他制作

以“创意吉他制作”为例，说明深度学习理念下物理学科项目式学习的设计思路、课程实施以及教学反思与改进.

3.1 设计真实、有挑战性的驱动性问题

真实且富有挑战性的驱动性问题既能吸引学生的学习兴趣，又能培养学生的高阶思维，引领学生持续思考和自主探究的方向.教师可依据课程标准、教材以及学生的学习基础、学习障碍、发展空间、学习兴趣和学习环境，设计真实、有挑战性的驱动性问题，并在教学实践的过程中不断改进完善.

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》在课程结构中将机械振动与机械波、电磁感应及其应用列入选择性必修课程.该部分内容既是普通高中物理课程结构的重要组成部分，也是等级性考试的重难点内容.因此，本课程主要面向高二年级选考物理的学生.然而，即便学生具有相关理论知识的学习基础，在理解法拉第电磁感应定律的内涵、交变电流和变压器的工作原理，以及在真实情境下灵活运用所学物理学科知识和跨学科知识解决真实复杂问题等方面仍然存在困难.

制作一把可弹奏乐曲的吉他，涉及机械振动与机械波、电磁感应与变压器等物理学科核心知识以及吉他乐理、工程设计等跨学科知识.将这些抽样的、难以理解的核心知识置于“创意吉他制作及演奏”这个真实且富有挑战性的问题情境中来，既能激发学生的学习兴趣，又能通过问题的结构化分解，为学生进行持续思考和自主探究搭建台阶.

3.2 明确素养导向的学习目标

素养导向的学习目标是学生经过物理学科项目式学习后，获得的核心素养的具体表现.教师应以期待学生理解和掌握的核心知识和关键能力为出发点，对驱动性问题进行结构化分解，并据此设计关键的学生任务与活动.然后，依据课程标准中课程目标、课程内容和学业质量水平，综合物理学科核心素养和学生发展核心素养，明确学习目标，即学生在每一个子任务中的素养表现，使核心素养具体化，可培育、可观察、可评价.

“创意吉他制作及演奏”这个驱动性问题可分解为5个子任务，任务1是走进音乐之声，了解乐音的基本特征和物理本质，以及吉他乐器的相关知识；任务2是调试琴弦音调，通过学生探究实验，了解影响琴弦音调的主要因素和定量关系；任务3是放大吉他乐音，了解共振吉他和电吉他的工作原理，并进行决策；任务4是创意吉他制作，设计吉他结构，解决技术难题，改进制作工艺，实现知识的迁移与应用；任务5是项目成果展示，并对学生成果进行评价.5个子任务对应的学生素养表现如表1所示.

表1 “创意吉他制作”项目式学习目标设计框架

续表

3.3 引导学生进行自主合作探究式的学习实践

教师在学生学习实践的过程中，应合理安排学习活动、规划学习进程，引导学生在自主合作探究式的实践性学习活动中持续进行知识与能力的建构，培养学生核心素养，促进学生深度学习的发生.此外，教师需要对学生在学习实践过程中可能遇到的困难问题、所采用的解决方案进行预设，以便及时对学生进行有效地指导和反馈.以任务2和任务4为例，说明学生的学习实践过程.

3.3.1 任务2：调试琴弦音调

由任务1可知，音调、响度和音色为乐音的3个主要特征.其中，音调为声音的高低，取决于琴弦的振动频率f；响度为人主观上感觉声音的大小，取决于振动的振幅；音色由不同物质材料的特性决定.根据观察结果，吉他琴弦的粗细、长度以及琴弦的松紧程度均能影响琴弦的音调，猜想琴弦的横截面积S、长度L、张力T是影响琴弦振动频率f的主要因素.在建立琴弦的振动模型后，以“探究琴弦振动频率与琴弦长度的定量关系”为例，展示学生的学习实践过程.

实验探究：采用控制变量法，即在张力T、横截面积S不变的情况下，探究琴弦长度L与琴弦振动频率f的关系.已知任一琴弦，弦长（即品丝到下弦枕的距离）越短，音调越高，因此猜想琴弦的振动频率与弦长成反比.采用吉他的第5弦，其在3品、5品、7品、8品、10 品、12 品、14品、15 品的位置，分别对应着 C调的do，re，mi，fa，sol，la，si，do（高音）.通过测量相应品丝到下弦枕的距离，探究琴弦振动频率与琴弦长度的关系，如表2所示.

表2

图2 琴弦振动频率f与弦长倒数1/L关系图

3.3.2 任务4：创意吉他制作

琴弦振动所发出的声音十分微弱.经过任务3，学生在了解两种常见的吉他扩音原理并作出决策后，进入任务4—创意吉他制作.为此，学生需根据吉他的工作原理，进行工程设计和吉他制作与改进.以下展示共振吉他和电吉他两类学生作品及其工作原理，以及学生在吉他制作过程中的感悟和体会.

共振吉他：如图3（左边）学生作品所示，共振吉他通过共鸣箱来放大声音.拨动琴弦时，琴弦带动共鸣箱面板振动，从而引起共鸣箱内空气的振动，频率相同的振动相叠加发生共振，从而使声音加强.实际上，如图3（中间、右边）学生作品所示，将未通电的电吉他置于空箱之上，亦可实现声音加强的效果.

图3 创意吉他制作学生作品，左为共振吉他，中间、右为电吉他

电吉他：如图4所示，通过导线将琴弦与变压器的原线圈连接起来，形成闭合电路.在琴弦下方固定一块强磁铁，当琴弦振动时，切割磁感线，闭合电路的磁通量发生变化，从而产生感应电动势，琴弦的振动信号转化为电信号.此时产生的电信号十分微弱，可通过变压器将电信号放大后，分别与音箱3.5音频头的公共端和左声道/右声道（即音频头的正负两极）相连接，接通音箱电源后，弹奏吉他发出乐音.其中，变压器按照原副线圈的最大匝数比1∶14进行连接，这样可最大限度的放大副线圈输出的电信号.此外，对于大功率音箱，则无需变压器，可直接将吉他与音箱音频头相连接.

图4 电吉他工作电路

学生感悟：吉他制作的过程，是一个不断发现问题、解决问题与成果改进的过程.如学生所说，“实践是检验真理的唯一标准.只有在制作中，才能发现问题，并针对具体问题具体分析，并进行调整.这有点类似于物理实验中减少误差的过程.我认为拥有分析问题和解决问题的能力是很重要的.这有利于我们从课本走到生活，活学活用，提高了思维能力”，“在制作前，对将来几周的任务设计和规划非常重要，这决定了后面的工作是否有条理，是否有效率.人员分配亦是如此，应保证分工到人，高效制作”.

由此可见，学生在学习实践的过程中不仅深化了对物理学科核心知识的理解、形成了学科思维模式、实现了知识的迁移和应用，还培养了问题解决、勇于探究、批判质疑、技术应用、审美情趣、自我管理等学生发展核心素养.

3.4 成果展示与评价

项目成果展示与评价可同时运用过程性评价、总结性评价及多元主体参与的评价方法来促进学生投入学习.一方面，通过设计评价量规对学生的项目成果进行总结性评价，可由学生进行自评和互评，既能检测学生学习目标的达成情况，又能给予学生充分的指导，引发学生自我反思和改进.另一方面，由教师对照各个子任务的素养表现，根据师生对话和课堂观察，对学生的学习实践进行过程性评价.

关于“创意吉他制作”的成果展示与评价，一方面，学生分组展示汇报，说明本组吉他的设计理念、工作原理、团队管理以及问题解决过程.同时，采用自制吉他演奏音乐曲目.评价组则根据评价量规对展示组进行项目评价，同时为展示组提出适当的、创造性的改进意见.如表3、表4所示，学生评价量规的设计应与学习目标一致，以保证教、学、评的一致性.另一方面，由教师对照学生素养表现进行过程性评价.

表3 创意吉他制作评价表 展示组： 组

表4 创意吉他制作评价表 评价组：______组

3.5 教学反思与改进

教师在实施物理学科项目式学习过程中和完成教学任务后，应根据课堂观察、学生反馈和过程记录，反思教学过程中存在的问题并分析原因，通过教师个人反思、教研组研讨等方式，进一步改进教学设计、调整教学进度、丰富教学策略，以更好的培育学生核心素养，这也是促进教师专业成长的重要途径之一.

经过教学反思，“创意吉他制作”可在如下方面进一步完善改进：一是加强与音乐、通用技术等学科教师的合作，共同开发该课程，进一步优化、完善教学设计，明确教学任务分工，以便在乐器乐理、演奏、工具使用、产品制作等方面对学生进行更加精准、深入的指导和帮助.二是引入激光切割、3D打印等数字化设备，丰富机械加工工具，培养学生模型设计与计算机编程技能.三是给与学生更多的思考空间和自主权，形成开放性的项目成果.