新课标下高中物理项目式学习的实践探究

摘 要：基于项目式学习的物理课堂教学，旨在引导学生从日常生活问题入手，真实地解决老年人和婴幼儿的体温及湿度监测问题。在这一项目式学习案例中，学生不仅能够将物理知识与数学、计算机和通用技术相结合，还能够自主发现问题、提出解决方案和动手实践，培养了他们的物理核心素养。

关键词：项目式学习；传感器；太阳能电池

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）12-0069-5

坚持以目标导向、问题导向和创新导向为原则，更加注重让学生在真实情境中开展科学探究，是２０２２版新课程标准的重要修订原则。项目式学习恰好体现了这一点，它能够有效地将各学科知识融合，解决实际情境中的问题。目前，关于如何在高中物理教学中实施项目式学习的典型案例仍然较为缺乏。为了更好地落实“做中学”的教育理念，通过构造典型案例推广项目式学习模式显得十分必要。

１ 项目式学习在物理教学中的教学现状

项目式学习（简称ＰＢＬ）是一种以认知学习为基础、以学生为中心的教学方法，建立在建构主义理论之上。教师根据课程标准和教学内容，以问题为导向，结合学生的生活经验，通过小组合作探究，旨在解决实际生活中的问题并实现知识的应用。项目式学习模式在国外起源较早，相关研究文献数量众多，应用领域也相对广泛，这表明国外在项目式学习理论和实践方面已经相对成熟。然而，在高中物理教育中，相关研究仍显不足，如图１所示。

根据对选择物理的高中学生的观察和访谈，大多数学生在学习中往往急于完成任务，解决物理问题的主要目的是为了通过考试。尽管学生能够按照老师的指导方法解决问题，但他们很少主动思考其他可能的解决方案，这表明他们在解决项目中的问题时缺乏有效的主动意识。这种主动意识实际上可以显著提高学生的学习效率。然而，在整个物理学习过程中，如果教师不主动激发学生的思维方式，他们的创造力和科学思维能力将难以提升。此外，从学生在高中物理实验中的表现可以看出，学生在实践中应用物理概念的机会较少，动手能力普遍不理想。这进一步说明，目前的物理教学往往仅关注教会学生如何解题以通过考试，而忽视了实际应用能力的培养。教育学家ＲＯＹ指出，学生可以通过观察环境和经验，学习如何表述复杂的事物，而将设计上复杂的内容表达出来能够促进学生的创造性思维［１］。在这种情况下，教师可以设计项目，让学生通过想象、理性思考和调查来进行设计。Ｌｉａｎｇ等人认为，这种方法能够将学生的学习态度从被动转变为主动，激发他们的学习兴趣，因为在项目设计的过程中，学生会感受到学习与生活之间更深的联系和意义。

在学习物理理论时，学生往往很少提前思考如何创造事物，也缺乏对物理问题创新解决方法的探讨。通常，他们只是通过计算来回答问题，但对问题的理解却不够深入。在物理实验中，学生往往仅按照实验指导步骤进行，缺乏对是否可以尝试新步骤的思考和培训。

为了增强学生的动机和思维方式，基于项目的学习模式可以有效实现这一目标。在项目式学习中，学生将接受创造性和创新性培训，这种环境能够有效提升他们的创造性思维，使得项目得以顺利创建和实施。Ｈｏｎｇ等人指出，项目式学习是一种重要的学习方法，能够帮助学生更好地利用工具和媒介，发挥其教学和学习潜能［２］。根据Ｈｏｌｕｂｏｖａ的报告，项目式学习在多学科问题的解决和活动教学方面具有明显优势［３］。

２ 物理项目式学习案例

关于传感器的章节，新版物理教材比较旧版，虽然删去了实验探究课程，但实际上增加了很多实用性的内容，新版教材中第三节用传感器做简单的自动控制装置，其实是可以做成实验的。这一章学习了传感器的基本原理，也做了简单的传感器电路连接。但是，教材中的例子都是非常抽象、简单的，现实生活中并不能直接利用。因此，本案例将传感器融入日常生活，并发挥其实际作用。

２．１ 确定项目主题

该项目以探索失能老人和需要人照料的婴幼儿为主要内容，其身体体温和湿度尚缺乏及时测量的技术，导致照料者难以及时发现他们身体的异常情况。因此，项目“失能老人与婴幼儿基本生理特征监测”旨在基于失能老人和婴幼儿的生理特征，设计一种能够实时监测体温和湿度的新能源系统。该系统能够有效地监护老人与婴幼儿的健康状况，当他们的体温和湿度出现异常时，系统能够及时提供提示信息。以此项目为主题，让学生探究传感器的实际应用，培养其分析、解决实际问题的能力。

２．２ 构建实际生活情境

情境引入：婴幼儿需要父母的照顾，生活不能自理的老人同样也需要照顾。所以，非常有必要对他们的体温和身体湿度进行监控。

２．３ 构建项目式学习模型

项目式学习案例如表1所示。

２．４ 项目设计汇总

２．４．１ 设计原理

系统通过外部的温度传感器和湿度传感器获取被护理者的体温和湿度，检查其是否存在异常。一旦检测到数据异常，系统将通过外部蓝牙模块将被护理者的健康数据发送到监护人的手机，提醒是否需要更换衣物或进行其他护理。

图２展示了由湿度传感器、温度传感器、蓝牙模块和手机ＡＰＰ等组成的被护理者监测追踪整体框架。该框架利用传感器、无线数据通信和事件检测等技术，实现健康监测追踪的信息化。

设计的电路主要分为三个部分。主控芯片ＳＴＭ３２Ｆ０３０Ｆ４Ｐ６，选择此芯片是因为其低功耗和小体积。由于装置的要求较高，希望在完成功能的同时，芯片尽可能小。传输方式主要采用蓝牙，因此使用蓝牙模块Ｂ－０００４。温度和湿度的测量模块为ＳＨＴ２０温湿度传感器。结合通用技术，设计了流程图（图３）。

２．４．２ 硬件选择及原理

蓝牙模块部分：如图4、图5所示，传感器的数据采集与手机屏幕显示之间通过蓝牙连接，采用射频蓝牙无线模块［４］。

Ｂ－０００４模块可以通过简单的ＩＯ－Ｃｏｎｔｒｏｌ，实现模块与模块之间的点对点传输，从而完成模块与手机的数据传输。

温湿度传感器部分：选用的温湿度传感器是ＳＨＴ２０，能够同时测量温度和湿度。具体的内部测试原理如下：

温度传感器部分：光纤栅温感原理是外界温度变化引起光纤栅Ｂｒａｇｇ波长的漂移。

湿度传感器部分：本项目采用电容式湿敏元件，其结构为薄膜电容元件。当环境湿度变化时，湿敏元件的介电常数会发生变化，这将导致电容的改变。

太阳能电池部分：本次供电模块采用太阳能电池板、太阳能控制器、锂电池和ＢＵＣＫ型电路。通过小型独立太阳能发电系统，实现传感器在任意地点的独立工作，控制中心使用太阳能智能控制器。

可将光伏电池的电路转换成图６。Ｉｐｈ为光电流，ＶＤ表示ＰＮ截面的二极管，Ｒｓｈ和Ｒｓ分别表示材料内部的等效并联及串联电阻，Ｒ０为外电阻。

根据变压器原理，计算得出需要３．３ V～３．７ Ｖ的电压，因此光伏电池能够提供所需电源。在光照良好的情况下，太阳能电池可以自动储电，而在没有光照时，则可作为正常电源使用。

２．４．３ 发电系统结构设计

独立太阳能发电系统结构采用太阳能电池板，通过光电效应转化生成电能。太阳能控制器在系统中发挥协调充放电的作用。整个结构的核心是控制器，其目的是调节太阳能电池板、锂电池和传感器之间的功率和电压关系，以满足传感器对输入功率的需求。

２．４．４ ＡＰＰ程序部分

接收到来自单片机的数据后，将其进行处理，并与设定的标准值进行对比，最终做出相应的动作。例如，对于老人而言，可以将其信息及时通知家人或护士，以便进行快速处理。

选取的ＡＰＰ软件是ＭＩＴ ＡＰＰ ｉｎｖｅｎｔｏｒ。这款编程软件专为没有系统学习编程知识的人员设计，用户在编程过程中无需专业研发人员的帮助，非常适合中学生在项目式课堂中使用。该软件预先编写了所有代码，用户只需添加服务选项，按需选择即可。这意味着学生只需根据需求拼凑代码。

２．５  成果测试

对于老人，主要测试其背部的温湿度，以监测身体状况并提醒调整衣物。对于婴儿的尿不湿，同样可以通过控制温湿度进行检测。由于模块小巧、易于装卸，既可用于失能老人，也可用于婴儿尿不湿，体现了作品的多样性。

在手机ＡＰＰ上，温度和湿度分别设置了标准值，并对这两种数据进行分析，最终确定的临界值为温度３３ ℃和湿度６８％，如图７（ａ）所示。当温度未超过标准值时，界面将显示当前的温湿度值；当温度超过３３ ℃时，手机将震动并显示当前温度，提示减少衣物，如图７（ｂ）所示；当湿度超过６８％时，手机同样会震动，显示异常，提醒更换衣物，如图７（ｃ）所示。

手机ＡＰＰ 使用说明：

ＳＴＥＰ１：打开手机ＡＰＰ。

ＳＴＥＰ２：点击按钮“已搜索到的蓝牙”，选择设备对应的蓝牙进行连接。

ＳＴＥＰ３：选择连接对应的蓝牙后，将返回主界面。蓝牙配对连接成功后，中间的“ｃｈｅｃｋ”按钮前将出现一个绿色的勾，并显示当前的温度和湿度，如图8所示。

ＳＴＥＰ４：需要断开蓝牙时，点击按钮“ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ”，关闭ＡＰＰ。

３ 结 论

通过本节案例可以看出，项目式学习在中学物理中的应用对教师确实具有一定的挑战。教师需要对教材内容进行优化整合，通常还需结合其他学科的知识，然后再通过项目设计进行实践。该案例的筹备时间为一整周，对于项目式学习而言，这仍然较短。学生在开始时甚至不习惯与他人合作。在整个过程中，会不断出现各种问题，学生会自发思考解决方法。然而，通过本节课的学习，基于项目的学习证明了其能够有效推进学生的创造性思维。结果表明，基于项目的学习模式比合作学习模式更能激发学生的创造性思维。

参考文献：

［１］Ｍｉｈａｒｄｉ Ｓ，Ｈａｒａｈａｐ Ｍ Ｂ，Ｓａｎｉ Ｒ Ａ.Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｂａｓｅｄ Ｌｅａｒｎｉｎｇ Ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ＫＷＬ Ｗｏｒｋｓｈｅｅｔ ｏｎ Ｓｔｕｄｅｎｔ Ｃｒｅａｔｉｖｅ Ｔｈｉｎｋｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ，２０１３，４（２５）：１８８－２００．

［２］Hong L，Ｙａｍ Ｓ，Ｒｏｓｓｉｎｉ Ｐ.Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ａ Ｐｒｏｊｅｃｔ－Ｂａｓｅｄ Ｌｅａｒｎｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｉｎ ａｎ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｏｒｙ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｃｏｕｒｓｅ［Ｃ］．１６ｔｈ Ｐａｃｉｆｉｃ Ｒｉｍ Ｒｅａｌ Ｅｓｔａｔｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｗｅｌｌｉｎｇｔｏｎ （Ｎｅｗ Ｚｅａｌａｎｄ），２０１０．

［３］Ｈｏｌｕｂｏｖａ Ｒ. Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｐｒｏｊｅｃｔ－ｂａｓｅｄ Ｌｅａｒｎｉｎｇ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ［Ｊ］．US-China Education Review，２００８，５（１２）：２７－３６．

［４］张群，杨絮，张正言，等．蓝牙模块串口通信的设计与实现［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１２，３１（３）：７９－８２．

（栏目编辑 贾伟尧）

收稿日期：2024-04-02

基金项目：重庆市教育科学规划一般课题“新课标下高中物理实验项目式学习的实践探究”（K22YG141661）。

作者简介：罗国（1972-），男，中学高级教师，主要从事中学物理教学以及区教育局行政管理工作。