迎接“项目挑战”玩转“能量转化”

张莹兰

摘   要：“机械能的转化”一节的教学，新课教学中通过游戏情境的设计带领学生观察归纳、猜想验证物理规律，锻炼科学思维;增设三个项目挑战赛，通过项目学习模式体验科学探究，培养尊重事实，质疑创新，学以致用的科学态度和学习热情。

关键词：项目学习;核心素养;科学思维;科学探究

物理核心素养的培养是近年教育研究与一线教学实践的热门问题。物理核心素养是学生通过物理学习内化的，带有物理学科特色的品质，是学生在接受物理教育过程中逐步形成适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力和必备品格，是物理“学科育人”价值的集中体现。它要求学生在完成物理学习后，形成正确的“物理观念”，具有模型建构、科学推理、学习论证、质疑创新等“科学思维”，掌握“科学探究”的方式，形成正确的“科学态度与责任”，物理核心素养的提出给我们广大一线教师的课堂教学设计提供了精准的方向。

项目学习模式引入初中物理教学，实质上就是将物理综合实践活动作为一种学习方式引入物理教学中，将物理概念建构和物理规律探究融入小组合作完成一项具体的任务的过程，在完成项目任务的过程中重新整合，利用学习内容，在全新的体验中引发深度学习[ 1 ]。项目学习是物理知识的整体性运用与创造，它把物理学科与生活、工程、数学、艺术等紧密联系，是一种跨学科融合性、开放性、个性化的学习方式，在实践中将知识转化为能力，内化为物理核心素养。

“能量观”做为物理核心素养中重要的“物理观念”之一，对初中学生来说较为抽象和难以理解。在教学过程中发现学生一学就会，一做就错，学生难以建立能量大小的变化和能量之间转化的联系，对稍微复杂的情境难以系统分析。本文以沪科版八年级第十章第六节“合理利用机械能”第二课时——机械能的转化为例，在教学过程中，利用设置合理的情境，建构分析物理模型，开展项目学习，旨在帮助学生们建立初步对能量的理解。

1  设置游戏情境模型，科学推理概括规律

美国著名科学教育家莱得曼认为：“科学知识是以经验为基础，是基于对自然界的观察”。学生对从未接触过的概念，需要一定的情境来使学生获得感性认识。教师为学生选择的情境中的最佳例子是来源于日常生活。通过從司空见惯的生活实例中提取物理知识，培养学生模型建构、科学推理、学习论证的科学思维[ 2 ]。

1.1  游戏情境设计，激发思维火花

生活中与机械能的转化相关的情境实例比比皆是，我们应该选择学生熟悉的、有趣的、能量转化较单一方便分析的实例来服务于新课教学。本节课，我设计了七个方便演示和学生观察的相关小游戏作为情境，逐步展开新课教学。具体内容如表1所示。

1.2  合理教学设计，提升核心素养

在小球沿斜面下滑、滚摆、蹦床、实心球单摆这四个实例中，可以首先由教师演示实验，然后通过教师设置清晰的问题链激发学生的积极思维[ 3 ]：你能看到什么和能量有关的知识？能量的大小是否有变化？你如何验证你的说法？你要怎么分阶段来说明能量转化？……由学生回答问题，互相补充回答完整或提出质疑问题，由学生自行积极主动建构知识网络。

在单摆实验中，分析完成单摆过程后，教师继续设问：实心球每次都能回到原来的位置吗？如何让实心球回到原来的释放位置甚至升的更高？如果从鼻尖处释放，返回时候会不会打到鼻子？需要注意怎么做才不会打到鼻子？……学生利用已有的知识和方法，做出合理猜想假设，针对问题进行逻辑推断，最后由学生代表进行实验验证。这样由观察推理得到的知识较不容易遗忘，并由此培养学生模型建构、科学推理、科学论证的科学思维。

在重力小车和回力车游戏环节，教师先演示重力小车，由于重力小车的能量变化很明显学生容易判断。但回力车动能的来源学生只能靠猜想，不是电能、不是重力势能，那可能是什么能转化而来的？当学生做出了合理的猜想假设，教师进一步追问：如果你的猜想是对的，想让小车运动的更远，应该怎么做？有什么其他事实为依据可以证明你的猜想？ ……

给学生适当思维启迪，沿着物理规律的来源建立过程，学习物理规律的建立方法，关注规律的内在联系和知识的迁移应用，学习联系知识和实际解决面临的新问题[ 4 ]。

2  组织组间项目挑战，合作学习竞赛争先

在课堂和课外开展合适的项目学习是极大刺激学生求知欲和学习热情的教学方法之一，也是公认的体现学生物理核心素养的教学方法之一。现在的不少学生经历过科学启蒙，书籍玩具、科教频道、包括网络都是他们获得科学知识碎片的途径，且具有一定的动手能力，他们有能力围绕解决实际项目任务参与课堂学习活动，小组合作协调互助，每人承担相应工作来为小组完成项目任务做贡献，这一代学生的能力水平是相当适合发展项目学习教学模式。

2.1  设计项目挑战，小组合作学习

利用项目学习模式，采用任务驱动，让每个学生都经历完整的“科学探究”过程。本节课的项目学习安排的是一次项目挑战赛，学生选择挑战项目之一：“自制投石机投掷比赛”（成品如图1）“乐高投石机投掷比赛” （成品如图2）“不用电的小车赛跑比赛” （成品如图3）。具体项目挑战内容如表2所示。

由于这次项目挑战设置在课内，因此我选择难度适中的项目活动，并由教师提前准备好组装小车和投石机相对应器材零件。其中“乐高投石机”如果从零开始组装，至少需要半小时以上的时间，且目标指向性不够强，因此我对“乐高投石机”投掷比赛做了如下处理：让学生不是从零开始制作乐高，而是利用改进老师给的乐高投石机半成品，仅仅改进其最核心的部分---弹力部分，有能力的同学也可以在时间限制内对其机械部分进行改进。

2.2  合理活动安排，提升核心素养

关于物理核心素养中的“科学探究”是这样界定的：它是指提出科学问题，形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作解释、对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素[ 5 ]。

项目学习不是单纯的为了完成项目，而是希望通过项目学习，强化“物理观念”，激活“科学思维”，经历“科学探究”，端正“科学态度与责任”，这就要求教师精心设计组织项目学习环节。根据上文中“科学探究”的界定，本节课对项目挑战环节做如下设计。总用时约为25分钟，占据课堂总时长的一半。本次项目挑战一共分为以下8个环节：

（1）介绍（3分钟）：教师展示和介绍三个项目挑战赛的活动器材和竞赛目标;

（2）思考（30秒）：学生自行思考并提出猜想假设，如何更好的完成竞赛目标;

（3）交流（2分钟）：全班交流各个项目改进意见并相互评价讨论;

（4）选择（1分钟）：每组三选一，选择想要参加的项目挑战赛并领取器材，在交流环节表现出色的小组优先选择;

（5）实验（10分钟）：利用老师所给的器材，实践项目挑战;

（6）比赛（5分钟）：三个项目挑战每个四组同学，比赛场地采用现成的乐高比赛场地，每组从定好起点发射沙包或释放小车，在同一大场地同时竞赛，长度测量裁判测量比赛结果，不用电的小车还增设时间测量裁判，并最终由总裁判宣读比赛结果;

（7）再交流（2分钟）：冠军小组分享取胜秘诀以及实践尝试中遇到的问题，失败未完成项目挑战的小组反思失败的原因;

（8）整理器材（30秒）：复原实验器材并归还至讲台处。

项目学习的第一步就是明确需要解决的任务。教师演示两种投石机的效果，投石机可以水平将物体投掷一段距离，但投掷效果不佳;演示不用电的小车，但水平运动距离有限，速度不快。教师可以通过设问将学生的思维引导到物理概念、规律上：这个过程存在什么样的能量转化呢？请学生思考從能量转化的角度我们需要怎么做才能使沙袋水平飞行的更远，小车运动得又快又远呢？需要老师补充提供什么样的器材？……通过一个个学生回答自己的看法以及教师一系列的追问，让学生带着问题去思考，学会如何正确的思考问题，如何进行科学的符合逻辑的猜想假设的思维过程，强化科学思维。

思考和交流环节，采用的是个人思考以及全班交流三个项目的设计。学生需要思考三个项目而不仅仅是自己小组将要选择的项目，扩大交流面互相交流、互相启迪，互相质疑、鼓励创新，建立学习共同体。使整节课最后每组学生的竞赛成绩都更优并能使每位同学对每个活动都能有更强的参与感，对其他非自己小组所选择的项目也能有所思考，在其他组竞赛以及交流分享环节时也能共同参与专注思考。

这次项目挑战每个项目有四个参赛小组，并不是教师提前安排分配好器材，而是在学生已经对每个项目怎么做能更好心中有数时，再经过小组讨论选择项目。看似浪费时间，但根据小组成员优势、劣势选择合适的项目也是重要的能力之一。上个环节有效发言的小组有优先选择权，也进一步促进上一环节的交流。选择环节让每个小组都有选择的权利，使活动更具个性化，对自己所选择的项目更能全情投入科学探究。

实践环节学生通过围绕真实的项目任务，将已有的知识技能方法迁移到新的问题中，从而解决实际问题。学生课堂内外积累的科学知识以及创新能力和动手能力，将使他们在小组项目学习中占据更主导的地位。项目挑战增添了学生对物理学习的自信心，在学习中体验成功感，满足了学生的好胜心，使物理学习的兴趣能够更持久，促进学生全脑思维协调发展，培养学生的科学思维能力和动手能力、创造力。

比赛成绩是对上一环节活动以及学生综合能力的评价，测量裁判和总裁判的设立同时也培养了学生的测量能力让更多的学生成为活动的组织方，不但使比赛更正式化，更是为了落实评价机制，明确测量的意义，端正“科学态度与责任”。每个小组都要有自己的长度或时间的成绩而不是只关注冠军，更应该关注各组差异背后的原因。

在冠军组学生分享交流的过程中，将实践经验再次返回抽象的物理概念、规律，使学生认识到物理规律不是纸上谈兵的死记硬背，是可以实践反复验证的，是可以利用规律解决真实问题的，从心底更相信物理爱物理。

参考文献：

[1]杨勇诚.项目引领下的物理深度学习策略[J].中学物理教学参考，2018（6）：47-49.

[2]黄皓，马宇澄.在综合实践中向物理学科素养深处漫朔-以电表改装为例[J].中学物理教与学，2018（1）：36-40 .

[3]许邦正.物理核心素养视角下教师课堂教学素养的培养 [J].中学物理教与学，2018（2）：56-59.

[4]王高.科学思维的培养途径[J].中学物理教与学，2018（2）：7-10.

[5]彭前程.谈对学生发展核心素养及物理学科核心素养的理解[J].中学物理教与学， 2018（2）：3-6.