王峰 劉文慶

摘 要：水火箭是物理學(xué)中一個(gè)常見的實(shí)踐類項(xiàng)目，常常出現(xiàn)在STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)或其他學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)中.從項(xiàng)目學(xué)習(xí)模式開發(fā)和學(xué)生高階思維能力培養(yǎng)角度出發(fā)，對(duì)該問題進(jìn)行了實(shí)踐研究，得到不少實(shí)證材料與教學(xué)反思，能夠有效論證基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的水火箭活動(dòng)確實(shí)可以有效提升學(xué)生的高階思維能力.

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目學(xué)習(xí);高階思維能力;水火箭

中圖分類號(hào)：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）11-0034-04

1 高階思維能力和項(xiàng)目學(xué)習(xí)

布魯姆（Bloom）等專家按照認(rèn)知的復(fù)雜程度，將思維過程具體化為六個(gè)教學(xué)目標(biāo)，即學(xué)習(xí)時(shí)需要掌握的六個(gè)類目的行為表現(xiàn)，由低到高包括記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造，其中記憶、理解和應(yīng)用，通常被稱為低階思維;分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造，通常被稱為高階思維.

高階思維能力是一種側(cè)重高層次思維水平的綜合能力，它是當(dāng)今社會(huì)學(xué)習(xí)者得以生存與發(fā)展的必備技能，我國教育部的課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）關(guān)于核心素養(yǎng)要求中對(duì)思維能力有較高、較普遍的要求，因此發(fā)展培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力就成為核心素養(yǎng)導(dǎo)引下提升教學(xué)質(zhì)量的內(nèi)在需求.當(dāng)然要培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力必須借助一些平臺(tái)或途徑，筆者通過幾年的努力嘗試發(fā)現(xiàn)，通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式，結(jié)合系統(tǒng)思考、創(chuàng)新思維、批判性思維等方法，可以有效地提升學(xué)生的高階思維能力.

項(xiàng)目學(xué)習(xí)以“項(xiàng)目為主線，教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”，是一種動(dòng)態(tài)的課堂教學(xué)方式，它以學(xué)習(xí)者為中心，圍繞著一個(gè)具體的項(xiàng)目深入地開展研究，其任務(wù)具有真實(shí)性和開放性，讓學(xué)生面對(duì)真實(shí)的問題情境實(shí)現(xiàn)知識(shí)的意義化建構(gòu)，經(jīng)歷更優(yōu)質(zhì)、科學(xué)的學(xué)習(xí)過程，進(jìn)而較大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，促進(jìn)高階思維能力的提升.

因此，在培養(yǎng)高中生高階思維能力上“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”相比“傳統(tǒng)學(xué)科課堂”或“學(xué)生自主研究性學(xué)習(xí)”等方式具有較大的優(yōu)勢(shì).本文以水火箭項(xiàng)目學(xué)習(xí)為例，介紹項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)的過程和學(xué)生高階思維能力提升的實(shí)際效果.

2 水火箭項(xiàng)目活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

2.1 設(shè)計(jì)研究

核心問題1：為什么要選擇水火箭這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行研究？

項(xiàng)目學(xué)習(xí)有三大特點(diǎn)：（1）所有項(xiàng)目都是真實(shí)的;（2）每個(gè)項(xiàng)目都是獨(dú)立的，都由項(xiàng)目確立、實(shí)施、結(jié)束和結(jié)果評(píng)估等環(huán)節(jié)構(gòu)成;（3）項(xiàng)目實(shí)施活動(dòng)所給予學(xué)生的，不僅是將來做事所需要的知識(shí)和能力，而且可能就是同學(xué)們將來所要做的事情本身.對(duì)照這三點(diǎn)：（1）水火箭項(xiàng)目是真實(shí)的;（2）它包括確立課題、計(jì)劃分工、實(shí)驗(yàn)操作、反饋調(diào)整、結(jié)果評(píng)估等階段;（3）該項(xiàng)目與將來的航天、軍事、科技等領(lǐng)域具有相關(guān)性，可以為某些學(xué)生將來的潛在工作打下基礎(chǔ).因此“水火箭”項(xiàng)目是非常適合進(jìn)行“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”的.

高階思維能力主要包含分析、綜合、創(chuàng)造等行為表現(xiàn).對(duì)比分析：水火箭項(xiàng)目開展過程中需要學(xué)生從理論上進(jìn)行分析、在實(shí)踐中進(jìn)行技術(shù)運(yùn)用、在克服困難共同研討過程中激發(fā)集體的智慧，獲得靈感并創(chuàng)造性地解決問題.經(jīng)歷這些學(xué)習(xí)過程學(xué)生的高階思維能力必定會(huì)得到提升.

核心問題2：水火箭（斜拋運(yùn)動(dòng)）的力學(xué)原理復(fù)雜，如何讓高中生更順利地開展研究？

水火箭斜拋運(yùn)動(dòng)是一個(gè)過程復(fù)雜的實(shí)際問題， 其受力和質(zhì)量都是變化的，導(dǎo)致其在飛行過程中加速度的變化是極其復(fù)雜的，進(jìn)而導(dǎo)致速度、位移的變化都是復(fù)雜的，要想把這些問題解決是非常困難的，必須要用到高中生難以掌握的微積分來進(jìn)行處理.

那么，對(duì)于高中生該如何降低他們的研究臺(tái)階？筆者采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件建模的方式進(jìn)行，主要軟件為STELLA，它可以幫助學(xué)生逾越微積分的障礙，只要在電腦界面上進(jìn)行模塊的構(gòu)建，把邏輯關(guān)系準(zhǔn)確鏈接，電腦進(jìn)行運(yùn)算，最終就可以實(shí)現(xiàn)不需要微積分就能夠呈現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的結(jié)果.采用這樣的方式，學(xué)生就可以順利進(jìn)入到對(duì)水火箭項(xiàng)目的后期的各種參數(shù)調(diào)整的研究過程中去，這樣學(xué)生就“有能力”對(duì)水火箭進(jìn)行更深入的研究.

在水火箭項(xiàng)目學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生們首先要用系統(tǒng)思考的方法進(jìn)行邏輯關(guān)系梳理，然后進(jìn)行建模處理，再進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬運(yùn)行預(yù)測(cè)結(jié)果，圖1是學(xué)生研究過程中的一些資料.

學(xué)生用圖像展現(xiàn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)（豎直位移為零時(shí)的水平位移即為射程）.

以上這些研究過程資料表明，運(yùn)用合適的平臺(tái)和工具能夠提升學(xué)生對(duì)復(fù)雜問題的分析水平，具體有三點(diǎn)：（1）利用因果環(huán)路圖（反饋邏輯循環(huán)圖）能非常方便地分析非線性復(fù)雜問題;（2）利用動(dòng)力學(xué)建模能輕松地處理復(fù)雜動(dòng)態(tài)的微積分問題;（3）利用調(diào)節(jié)滑塊、表格和圖像等功能能夠非常方便地調(diào)整參數(shù)、觀測(cè)各種條件下的斜拋射程的變化趨勢(shì).

2.2 實(shí)驗(yàn)反饋

筆者帶領(lǐng)學(xué)生到學(xué)校的操場(chǎng)去進(jìn)行水火箭的發(fā)射實(shí)驗(yàn).學(xué)生們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，他們分工合作，運(yùn)用控制變量法進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)，得到了很多有價(jià)值的數(shù)據(jù).通過實(shí)踐，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)原本的理論分析和實(shí)際情況是有出入的，他們?cè)窘⒌哪Ｐ瓦€是不夠完善的.所以，經(jīng)歷第1次實(shí)踐活動(dòng)之后，筆者帶領(lǐng)學(xué)生回到教室重新進(jìn)行整理，對(duì)他們之前建模過程中的不足的環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn).

改進(jìn)方面有： （1）細(xì)化考慮噴水過程問題，學(xué)生一開始認(rèn)為水是瞬間噴出去的，但實(shí)際上水火箭發(fā)射的過程中，它的水并不是一下子全部噴出去的，運(yùn)行過程中約有2米的路程是在不斷噴水的，需要重新構(gòu)建模型;（2）需要考慮氣壓變化的因素，瓶?jī)?nèi)氣壓隨著水的減少，氣體體積增大壓強(qiáng)減小，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生近似的等溫膨脹變化;（3）考慮空氣阻力與迎風(fēng)面積的關(guān)系，比如用到斯托克斯公式（f阻=6πηrv，η是空氣的黏滯阻力系數(shù)，r是水火箭截面的半徑，v是水火箭的飛行速度）進(jìn)行調(diào)整;（4）通過各種手段提高瓶口橡皮塞的密閉性，使噴水時(shí)瓶?jī)?nèi)氣壓盡可能大.

2.3 調(diào)整拓展

學(xué)生們對(duì)一開始的建模進(jìn)行有效的調(diào)整，然后得到了與第1次測(cè)量的結(jié)果具有較高吻合度的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，然后再調(diào)整可變參數(shù)，預(yù)測(cè)相關(guān)結(jié)果，綜合分析哪些參數(shù)組合會(huì)得到最佳的拋射距離？最后再到操場(chǎng)上去進(jìn)行第2次實(shí)驗(yàn)，這時(shí)候?qū)W生發(fā)現(xiàn)，這次的實(shí)驗(yàn)獲得的最大拋射距離與建模分析結(jié)果的一致性更好，大家都比較興奮，成功之色溢于言表.

學(xué)生優(yōu)化后的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，下面是學(xué)生們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一些過程資料（如圖4和圖5，數(shù)據(jù)見表1）.

筆者在選修課上帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)水火箭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，過程中學(xué)生們非常認(rèn)真地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)規(guī)劃—建模研究—實(shí)驗(yàn)操作—數(shù)據(jù)記錄—調(diào)整參數(shù)—循環(huán)操作……

實(shí)驗(yàn)中學(xué)生們采用了很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的方法，如控制變量法、平均值法等，這些科學(xué)方法的使用能更好地提升他們分析問題、解決問題的能力水平.

學(xué)生在后續(xù)的實(shí)踐活動(dòng)中，依然發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如說水火箭在飛行過程中會(huì)有軌跡的“抖動(dòng)”現(xiàn)象， 要解決這樣的問題是非常困難的，因?yàn)檫@跟空氣動(dòng)力學(xué)中的氣流規(guī)律（如湍流）相關(guān)，目前學(xué)生的知識(shí)還不夠，只能做一些調(diào)整嘗試.筆者向?qū)W生介紹一些相關(guān)知識(shí)和穩(wěn)定性措施，再經(jīng)過學(xué)生共同商議，最終決定對(duì)水火箭的箭體設(shè)計(jì)做結(jié)構(gòu)改進(jìn)：（1）加裝更加牢固的尾翼;（2）在箭頭加裝整流罩;（3）調(diào)整配重的合理分配（比如說使得艦體的前方配重更大一些）.這樣一來，水火箭飛行的穩(wěn)定性確實(shí)得到了提高，射程也變大了.

2.4 反思總結(jié)

通過學(xué)生們不斷優(yōu)化的研究活動(dòng)，最終他們得到了令人可喜的成果，以下是學(xué)生的一些實(shí)踐結(jié)論、誤差分析和反思總結(jié).

小組1：在進(jìn)行了水火箭兩組共24次實(shí)驗(yàn)后，我們總結(jié)出了初步結(jié)論：

（1）最佳發(fā)射角度約為35°;

（2）最佳注水量為瓶子容積的40%-50%;

（3）整流罩可以大幅減少空氣阻力產(chǎn)生的影響，提升水火箭的射程;

（4）側(cè)翼、尾翼可以增強(qiáng)穩(wěn)定性，提升射程;

（5）發(fā)射初速度與加氣壓力成正相關(guān)，但過大的壓力會(huì)使水火箭在發(fā)射架上漏水，并不能飛到一個(gè)理想的距離.

小組2：實(shí)驗(yàn)結(jié)論是水火箭飛行距離與打氣次數(shù)相關(guān)，發(fā)射角約為40°時(shí)能飛行至最遠(yuǎn)距離.

反思不足：在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)打氣次數(shù)（對(duì)應(yīng)給予的沖量大?。┻_(dá)到一定程度時(shí)水火箭會(huì)向后翻滾，我們猜測(cè)可能與水火箭的質(zhì)量及分布有關(guān).

（1）水火箭頭部應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增重，重量不足時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)射方向難以預(yù)測(cè);

（2）水量不能過多，過多時(shí)打氣會(huì)受到流出水的影響，同時(shí)水無法盡快噴出影響空中運(yùn)動(dòng)的軌跡;

（3）打氣不能過多，發(fā)射時(shí)若噴射氣體過多會(huì)影響水火箭發(fā)射的軌跡.

……

匯總學(xué)生的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，各個(gè)小組的同學(xué)最終的結(jié)果都是一致的，他們都發(fā)現(xiàn)了發(fā)射的傾角適當(dāng)時(shí)，斜拋射程才能最遠(yuǎn)，同時(shí)他們也發(fā)現(xiàn)在配重、水量、氣壓的處理以及機(jī)身的結(jié)構(gòu)等方面，都要進(jìn)行適度調(diào)整，才能達(dá)到最佳的綜合效果.這些結(jié)果讓學(xué)生體會(huì)到水火箭是一個(gè)綜合度很高的項(xiàng)目，需要系統(tǒng)化考量各個(gè)因素，有些因素之間是相互影響制約的，并不是越大越好，不同因素對(duì)核心問題的影響程度不同，必須要分清主次，等等.

3 水火箭項(xiàng)目活動(dòng)的評(píng)價(jià)與反饋

3.1 學(xué)習(xí)成效評(píng)價(jià)

活動(dòng)結(jié)束之后，學(xué)生進(jìn)行反思總結(jié)，各個(gè)小組都闡述了自己的一些觀點(diǎn)，在研究過程當(dāng)中遇到的困難以及解決的方案，還包括他們最后獲得成功的一些喜悅感受.當(dāng)然筆者也在更高層次上要求他們對(duì)于自我的實(shí)踐進(jìn)行評(píng)價(jià)，以及對(duì)其他小組的實(shí)踐進(jìn)行評(píng)價(jià).

學(xué)生們說：一個(gè)看似簡(jiǎn)單的問題，其背后往往隱藏著非常復(fù)雜的一些理論問題，要想解決好這些理論問題是非常不容易的，必須要借助一些平臺(tái)或工具，才能夠更好地開展研究;通過其他小組的一些演示他們經(jīng)常會(huì)獲得很好的靈感，能夠去對(duì)自己的小組的水火箭進(jìn)行改進(jìn)，最終各個(gè)小組通過相互學(xué)習(xí)和借鑒，大家的水平都得到了有效的提升，在此過程當(dāng)中大家的創(chuàng)造力也得到了不同程度的激發(fā).

活動(dòng)結(jié)束之后，很多學(xué)生都撰寫了研究報(bào)告.筆者對(duì)學(xué)生的研究報(bào)告進(jìn)行了有效指導(dǎo)，讓他們形成體系完善、結(jié)構(gòu)合理、格式標(biāo)準(zhǔn)的科技小論文.這些論文得到了一些平臺(tái)的認(rèn)可，比如說2019年中國系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)專業(yè)委員會(huì)舉辦的“系統(tǒng)思考冬令營論文評(píng)比”活動(dòng)當(dāng)中，有的學(xué)生的論文就獲得了一等獎(jiǎng)，還有在學(xué)?？萍嘉幕?jié)上舉辦了科技論文比賽，有的學(xué)生的論文獲得了二等獎(jiǎng)，另外，他們還相應(yīng)進(jìn)行了一些研究性學(xué)習(xí)，撰寫了論文報(bào)告，并獲得了學(xué)校的研究性學(xué)習(xí)優(yōu)秀獎(jiǎng)等等.這些成績(jī)都是對(duì)于學(xué)生項(xiàng)目學(xué)習(xí)研究過程的一種肯定.

3.2 高階思維能力提升實(shí)效調(diào)查

當(dāng)學(xué)生由高二步入高三之后，筆者對(duì)他們進(jìn)行了一次跟蹤問卷調(diào)查.請(qǐng)他們反饋在水火箭項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中所獲得的一些進(jìn)步，尤其是在高階思維方面的提升情況，調(diào)查結(jié)果表明，他們對(duì)于自我思維提升的感悟是令人鼓舞的，下面是他們的問卷調(diào)查數(shù)據(jù)和一些感悟.

下面是對(duì)于參加過水火箭項(xiàng)目的學(xué)生（共20位學(xué)生參與）進(jìn)行問卷調(diào)查的內(nèi)容.

（1）通過學(xué)習(xí)你覺得自己在思維方法、習(xí)慣、能力水平上是否有進(jìn)步？

（2）是否能經(jīng)常透過事件的表象去提取背后隱藏的邏輯結(jié)構(gòu)和原理？

（3）是否能經(jīng)常思考為解決問題而采取的措施有無后遺癥？

（4）是否能經(jīng)常用系統(tǒng)思考的方法，動(dòng)態(tài)、反饋式地分析一些復(fù)雜的事情？

（5）是否能更加審慎地判斷或評(píng)價(jià)一些事件？

（6）是否能對(duì)某些重要的事情進(jìn)行綜合分析、全面梳理？

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：（1）有96.9%的學(xué)生對(duì)能力提升持認(rèn)同態(tài)度，62.5%的學(xué)生非常認(rèn)同，學(xué)生們是十分認(rèn)同自我的高階思維能力得到了有效提升;（2）數(shù)據(jù)顯示，有些思維習(xí)慣的養(yǎng)成還需要進(jìn)一步培養(yǎng)，比如關(guān)于后遺癥的思考，其實(shí)這也是現(xiàn)實(shí)生活中常常困擾人們的問題，尤其對(duì)于各行各業(yè)的決策者來說，這種思維能力更為重要.

4 基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的高階思維能力培養(yǎng)的反思與展望

通過長達(dá)五年、多個(gè)學(xué)生小組的水火箭項(xiàng)目學(xué)習(xí)研究，筆者有不少心得.

（1）一個(gè)好的項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是非常重要的，它必須符合項(xiàng)目學(xué)習(xí)的一些基本特征：如真實(shí)的項(xiàng)目、具有一定的開放度和理論深度、項(xiàng)目能夠與將來的學(xué)習(xí)工作接軌等.

（2）在項(xiàng)目活動(dòng)推進(jìn)的過程中要做好充分的設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備，利用好各類工具和平臺(tái)，讓學(xué)生的思維能夠得到最大化的激發(fā)，在學(xué)生們進(jìn)行理論分析、反饋處理、調(diào)整提升、交流合作等過程中，有效地提高他們解決問題的水平，培養(yǎng)他們的高階思維能力.

（3）在總結(jié)反思的過程中，讓學(xué)生積極地自評(píng)、互評(píng)，能夠提升學(xué)生評(píng)價(jià)的意識(shí)、能力和水平.

（4）在實(shí)踐的過程中，通過交流互動(dòng)、頭腦風(fēng)暴等方式，啟迪智慧，激發(fā)靈感，能讓學(xué)生們的創(chuàng)造力得到有效的提升.

綜上所述，通過水火箭項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)生的高階思維能力確實(shí)得到了有效的提升，也給了筆者非常大的鼓勵(lì)，筆者將繼續(xù)努力開發(fā)更多的有意義、有價(jià)值的研究項(xiàng)目，讓學(xué)生更多地參與到這些項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過程中，不斷提高師生的高階思維能力水平.

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（收稿日期：2021-02-18）