基于项目学习的初中物理综合实践活动的案例分析——以“自制简易望远镜”为例

陈 刚

（西安交通大学苏州附属初级中学，江苏苏州 215021）

2004年苏科版初中物理教材中开始编入综合实践活动.它是在一章后或数章后为学生提供的一种项目学习活动.这种学习活动以物理知识和科学方法为基础，与科学、技术、工程、数学（STEM）相联系，实现物理学科内的综合，甚至是跨学科间的综合.［1］

1 项目学习的内涵

项目学习译自英语“Pr oject-Based Lear ning”（缩写为PBL），由美国进步主义教育家克伯屈（Kil patrick）最早提出.项目学习旨在为学生提供真实的情境和特定的教学目标，让学生制定计划，综合运用所学的多学科知识和技能，有效利用各种资源，解决一系列相互关联的现实问题，最终以产品或研究报告的形式结束.［2］它关注学生在活动中，在联系社会生活和自身已有知识经验的基础上，去主动构建知识，进而形成技能，成长经验.学生为完成项目任务，能充分发挥自身的主体作用，并在互助合作中独立地、创造性地解决实际问题.物理是实验性学科，在项目任务驱动下的学习既符合初中学生的年龄特征，又适合物理的学科特点.在活动中的每一次任务的完成，学生能体验成功的欢乐，继而使学习物理的兴趣能持久地保持及发展.［3］高质量的项目学习往往指向学生学习的本质，成为发展学生跨学科素养最为重要的一种学习模式.［4］基于项目学习的初中物理综合实践活动设计模式如图1.

图1

2 “自制简易望远镜”的项目学习案例

2.1 基于生活，确定项目主题

制作简易望远镜是一个基于生活的工程类问题，融合了多学科知识.目镜和物镜涉及了物理学中透镜成像的知识，有利于学生深化物理知识的学习与应用；观察对象的选择与天文地理中的月食、流星雨等相关；透镜、套筒等材料的选择、组装和固定等需要一定的工程基础.

笔者于2021年4月16日开设“自制简易望远镜”的教学，5月26日晚上19∶00左右，学校所在地区可以观察到月食.以观察月食为目标向学生提出：大家想拥有一个装置能够更清晰地观看月食吗？主题明确，又有诱惑力，激发学生的兴趣.

2.2 问题驱动，设计解决方案

由于初中物理弱化了凸透镜成像的作图要求，初中生还不具备望远镜成像原理的认知基础，如果简单告知两个透镜的距离，让学生根据提供的器材直接组装，就失去了综合实践课程的意义.因此我们从学生现有的认知（照相机和放大镜）出发，通过问题驱动，在实验探究中认识望远镜的工作原理，了解其核心部件，进而设计解决方案.

2.2.1 唤醒学生认知，再现照相机

师：同学们能利用工具盒（图2）里的器材，给远处的教学楼照个像吗？原理是什么？

图2

（学生仅用凸透镜操作.）

生：凸透镜成像.

师：照相机拍下来的可以随时欣赏它，你们的可以随时看到吗？

生：不能.

师：看一下我们桌上的操作台，思考一下，这个操作台有什么用呢？

生：把相应的器材插在萝卜上，便于固定器材.

（学生用凸透镜、光屏在操作台上操作，如图3.）

图3

师：你们对底片上的美景满意吗？为什么？

生1：像是倒着的.

生2：太模糊了（不清晰）.

生3：太小了……

师：像比较暗，看不清，你有优化方案吗？

生1：用手电筒照亮物体.

生2：房间太亮了，关灯.

（关灯观察，像明显清晰了.）

师：如果现在我在室外，白天想要照相呢？

生：把光遮一下.

（出示内置光屏的套筒，学生改进实验装置，如图4.）

图4

师：现在这个像清晰了，你还有不满意的地方吗？

生：小，倒立的.

师：为什么我们看到的是倒立、很小的像？

生：凸透镜相当于一个照相机，且物体离凸透镜太远，物距远大于两倍焦距.

师：同学们回答的都很棒，哪位同学愿意上来和我一起来模拟一下成像的原理呢？

（师生互动演示成像规律，并在黑板上贴上照相机成像原理的板画，如图5.）

图5

案例分析：放弃光具座，用萝卜作为固定器材的支架，来源于生活，操作方便，也与苏科版教材的实验思想一致——选择身边的器材进行实验.虽然随着经济的发展，大部分初中物理实验不再需要“拼拼凑凑做实验”，但是“坛坛罐罐当仪器”有利于学生发现身边的实验器材，使物理实验不在局限于学校、局限于实验室，使物理实验走进家庭、走向社区和社会.利用学生已有认知，当u＞2f时凸透镜成倒立、缩小的实像的照相机原理，使远处物体的像成在近处的光屏上，通过问题驱动，要在任何情况下看清像，需创造一个较暗的环境，使套筒自然的出现，初步为望远镜的雏形做好铺垫.适时在黑板上贴上此时成像时像的大致位置，变抽象为直观，也为认识望远镜的原理做好初步准备.

2.2.2 利用组合思维，再置放大镜

师：由于物体距凸透镜较远，像就非常小.那么我们能不能把这个像放大一点呢？你有什么好办法？

生1：让物体靠近透镜.

生2：换焦距大一点的透镜.

生3：加个凸透镜.

师：（追问生3）原理是什么？这个凸透镜如何放置呢？

生：放大镜，放置在光屏的后方.（学生实验，如图6、图7.）

图6

图7

师：请一位同学仿照之前的方法，在黑板的图5上再放置放大镜.

（学生贴板画，如图8.）

图8

案例分析：继续借助学生已有认知，当u＜f时，凸透镜成正立、放大虚像的放大镜原理，将两个凸透镜组合使用，可以使远处物体较小的像适当放大，初步完成望远镜的原理，但教师此时并不说破，为后续认识望远镜做铺垫.

2.2.3 巧用自制教具，初识望远镜

师：现在我们将套筒的后半截取下，透过透镜还能看到对面的教学楼吗？

生：哇！更清晰的像！

案例分析：图4 中的自制套筒有两截套筒组成，具体结构如图9（①为前半截，比较长；②为后半截，比较短，约2 c m 左右；③为半透明硫酸纸，平整密封在后半截的一端，与前半截组装后置于筒内，相当于光屏；④处开口，规格为2 c m×1 c m，可以卡入凸透镜的支架，也可以根据需要前后调节；⑤为支架，可以插在萝卜上，便于固定）.并用单面胶将前后两截套筒组合后，作为光屏的硫酸纸置于套筒内.这样既可以保证光屏置于较暗的环境中，也可以在该环节一起随着后半截套筒而取下，当学生随后直接透过两个透镜再次观察到更清晰的像时，立刻顿悟——这不就是一台望远镜吗？图8的板画也就是望远镜成像的原理图，使无形变有形，抽象变直观，学生的认知进一步升华，成功到达最近发展区.此刻，学生不仅仅是看到了一架望远镜，还了解了望远镜的主要部件，认识了望远镜的成像原理，为后续的选材、组装做好知识上的储备.

图9

2.3 团队合作，实施方案规划

师：大家想拥有一架属于你自己的独一无二的望远镜吗？我们需要哪些主要器材呢？

生1：两个透镜.

生2：要两个套筒，长度一长一短，直径一大一小.

师：我给大家准备了不同透镜组（如图10），请组长来取，先到先得哦.

图10

（在组内讨论的基础上，组长选取透镜组.）

师：针对本组选择的凸透镜的焦距，请组内讨论大小套筒的长度大约是多少？

生1：我们透镜组的规格是f1＝70 c m 和f2＝10 c m，根据黑板上的原理图，我们组应该选择长度约为65 c m 左右的大筒和选择长度约为15 c m左右的小筒.

生2：我们透镜组的规格是f1＝20 c m 和f2＝5 c m，根据黑板上的原理图，我们组应该选择长度约为15 c m 左右的大筒和选择长度约为5 c m 左右的小筒.

师：在教室的中间我们摆了很多的筒和辅助材料（如图11），请同学们根据你们的思考，选择合适的套筒和辅助材料.

图11

（学生选择筒和辅助材料.）

师：器材选好了，我们准备如何组装呢？

生1：可以用双面胶固定透镜，也可以用医用胶带固定透镜.

生2：大、小筒之间的固定用泡沫塑料.

师：大家认真阅读大屏上的“提醒和建议”（见图12）后，开始你们的制作.

图12

（学生动手制作：组装望远镜.）

案例分析：提供不同的透镜组，给学生有思考和选择的空间，也可制作成不同放大倍数的望远镜，从而能够比较不同望远镜的性能.通过组内合作、组间互助，选择合适的组装器材，小组协作完成简易望远镜的制作.虽然知识准备充分，但是学生在组装过程中依然有较大的难度，如两个凸透镜如何固定在大、小套筒内，大、小套筒如何连接才能保证既不松动，又能保证小筒能够适当前后移动.说明学生的操作能力和工程组装能力还有待训练和培养，因此该环节需要教师全程参与、组织和管理，及时跟踪项目进展、指导学生活动，不断激励学生，适时、适度地提供帮助和引导.

2.4 展示交流，实现多元评价

师：制作好的小组，可以利用你们的或其他组的望远镜观察远处的物体.

（学生活动，如图13、图14.）

图13

图14

师：我们每个小组都很棒，那么现在大家来谈一谈，你们制作过程中什么感受呢.

第6 组：制作过程很复杂，实验材料要精挑细选.

第4组：只要知道了制作原理，完成望远镜的制作就很简单.

第2组：我们在选材的时候选择的透镜小了，导致制作不方便，但我还是觉得我们小组很棒.

第5组：我们在制作过程中，在物镜和目镜和筒安装的时候有过分歧，后来我们静下心来认真分析了他们其中的原理结合老师讲解的知识，然后就完成了我们的作品，所以这个作品和老师的教导分不开.

师：请各小组组长和听课老师将你的奖牌贴在你认为最优秀的小组下方（如图15）.

图15

案例分析：通过组内自评、组间互评、教师他评，结合各小组成员整节课的过程动态、参与程度、项目作品的整体结构和使用效果作出多元评价.通过多元化的评价过程和结果，学生反思在学习过程中出现的问题，提高元认知水平.在展示、交流和评价过程中形成经验性知识，促进知识迁移和应用，学生的思维得以层层优化，从而可以进一步优化项目方案、改进制作工艺，甚至产生新的项目主题，最终达成深度学习，体会项目学习的乐趣.

3 项目学习的意义

3.1 有利于培养学生的核心素养

项目学习是一种以学生为中心的学习方式，它更加注重学生的学习自主性，在学习过程中通过创设具体的问题情景，在更大程度上激发学生的兴趣，让学生成为主动的学习者.由于在一个项目任务中可能涉及多个学科知识，它也更加注重联系生活，注重学生的亲身体验，让学生在学习中学会综合运用知识与技能来解决生活中的实际问题；项目学习更注重对学生创造思维与能力的培养，问题的解决不拘泥于一种方法，学生可以结合自身特长与优势展开学习.［5］学生在项目的引领下学习，获取能灵活运用的程序性、综合性知识，引发学生从多角度思考解决问题的方法，提高学生的思维能力.在实践活动中，培养学生独立思考和自主学习的习惯；在小组合作中，培养学生合作意识和团队精神，发展了学生间彼此接纳和尊重、赢得自信与信任、乐于挑战和创造、积极参与和合作、体验成功与分享等积极的情感态度，全面培养学生的核心素养.

3.2 有利于促进教师的专业成长

项目学习是跨学科、跨知识领域的综合学习，这就要求教师能整合物理学科的课程资源以及其它学科的课程资源，甚至是社会生活生产中的资源，因此有时还需要其它学科的教师协同教研，梳理学习素材，根据学生的兴趣、能力和生活背景，确定项目主题，设计项目方案.这对教师的课程执行力、领导力和开发力提出十分高的要求.在项目研究中，教师必须认真研读课标和教材，把握学生的已有认知、研究教学方式和评价标准，在实践中不断反思总结，形成教学经验和课堂特色，促进教师的专业成长.

3.3 有利于整合校本化课程资源

我国科学教育界倾向于将STEM 作为一种以真实问题解决为目标，项目学习为途径的教学策略.可见，项目式学习理论与STEM 教育理念不谋而合，且十分符合STEM 教育培养综合性人才的宗旨.2019年颁布的《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》指出：在实验教学中要遵循学科特点，积极推动学生开展研究型、任务型、项目化、问题式、合作式学习.鼓励学校向学生开放实验室，方便学生利用课余时间，以独立或小组合作方式开展实验探究.广泛利用校外资源积极开展科学实验活动.因此项目学习的活动空间不会只局限于教室，学习的内容不会仅限于教材上罗列的素材.这就需要教师对教学资源重新梳理和整合，把学生的生活作为课程建设的源泉，从学生兴趣入手，结合自己的特长，整合地域教育资源，汲取现成教材中的积极因素，设计基于项目的综合实践活动，逐步生成和发展鲜明的课程特色，丰富初中物理课程内涵，有效整合课程资源，促进校本课程的建设，［6］有利于“双减”政策的落地生根.