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【摘要】“LPL”模式是一种基于STEM理念的高中课堂“小项目引领”教学模式。基于该教学模式，本文通过设置“发现守恒观”“形成守恒观”“体会守恒观”“理解守恒观”“应用守恒观”五个小项目，对机械能守恒定律教学进行设计与实施。LPL教学模式，通过有效的项目设置，能够很好地引导并帮助学生形成物理观念，开拓科学思维，进行科学探究，培养科学态度与责任，使得物理核心素养在课堂上得到有效的落实。
【关键词】STEM理念;高中物理教学;“LPL”模式
一、“LPL”模式
“LPL”（Little Project Lead）模式，意为小项目引领模式，是在高中分科教学背景下提出的一种基于STEM理念的高中课堂教学模式。美国教育家威廉·赫德·克伯屈（Willam Heard Kilpatrick）曾经把项目（Project）定义为“热情且有目的的行为”。因此，学生有目的地学习的行为就是一个项目。根据“LPL”模式的要求，首先依据《普通高中物理课程标准（2017年版）》确定总目标，然后根据学生认知规律把课程目标分解为一系列子目标，并以“小项目”形式展现给学生，形成一个完整的项目结构。
现以《机械能守恒定律》为例，谈谈“LPL”模式下的教学设计与实施。新课标明确指出：“理解机械能守恒定律，体会守恒观念对认识物理规律的重要性。能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题。”从初中到高中的教材中，都花了不少篇幅来阐述该部分内容。学生对机械能守恒定律并不陌生，可是，对于学生守恒观念的形成，则是这节课的重点和难点。学生一旦形成守恒观念，那么，对于机械能守恒定律的理解和应用就迎刃而解。
1.以《课程标准》为依据：《新课标》要求学生体会守恒观念，我们应该如何让学生体会守恒观念呢？由于守恒观念一直在支配着人们的生产与生活，为此，我们可以比较容易调用学生的原有知识。例如，零花钱的分配过程就会用到守恒思想，地理学科的水循环过程，化学领域的电子数守恒等都蕴藏着守恒的思想。由此来引导学生“发现守恒观”。通过对守恒观念的发现，引导学生找到守恒与变化之间的关系，把守恒的思想从生活中迁移到运动中来，学生的守恒观开始形成。接下来，我们就不难提炼出整节课的五个课堂子目标：发现守恒观、形成守恒观念、体会守恒观念、理解守恒观念和应用守恒观念。
2.从学生认知入手：结合建构主义理论，由课标确立的五个子目标，可以分别以知识同化、顺应、创新、质疑和迁移的不同认知层次为基础，结合STEM理念，利用科学、技术、工程以及数学等知识，设计特定的教学情景。
3.用小项目去引领：小项目引领是“LPL”模式不同于其它教学模式的重要原则。“STEM”理念是一种基于项目的学习，鉴于项目内容与时间的限制，在高中课堂渗透STEM教育理念，必须把“大项目”拆分成“小项目”来进行。笔者根据物理建模教学中的建模步骤，结合课标要求和学生认知，把五个子目标以小项目的形式展现在学生面前。同时也通过这一系列的小项目引领课堂，实现课堂目标，落实学生的物理学科核心素养。具体设计如教学流程图1所示。
二、基于STEM理念的“LPL”模式的教学实施
项目1：寻找生活中的守恒量
情景1：了解我国在水循环卫星方面作出的重要贡献。根据情境思考，寻找水循环过程中的变化。
设计思路：学生对全球水循环并不陌生，该情景的设置关键是希望学生能够调用原有知识，学会寻找生活中的“变化”，从变化中找到“守恒量”。学生不难发现，该过程存在水的物态变化，以及空间位置的变化。我们可以进一步引导学生分析“变化”。由于光照强烈，水受热蒸发，从液态变成气态，而且蒸发越厉害，液态的水变少，而气态的水就会增多。这是一种此消彼长的变化。我们可以进一步追问学生，为什么液态的水少了，气态的水就会增多呢？学生会脱口而出，因为水分子总量保持不变。同样道理，从空间位置上来看，水从陆地到海洋，如果陆地区域的水少了，海洋区域的水就会增多，因为在循环的过程中水分子的总量保持不变。引導学生发现守恒量的突破口是寻找此消彼长的变化。同时，守恒不是不变，而是一种动态的平衡——保持不变。
通过寻找水循环中“此消彼长”的变化，发现隐藏在变化中的守恒量，如图2所示。由此引出守恒隐藏在变化当中，而变化则可能预示着守恒的存在。
守恒的观念指导着我们的生产和生活。请学生思考，生产生活中还有哪些守恒的例子？学生列举：化学反应前后的电子数守恒、零花钱的使用和支配过程等生活中的数量守恒关系。学生基本形成守恒观念，知道表象的变化可能预示着守恒，守恒则隐藏于变化当中。
项目2：寻找运动中的守恒量
情景2：寻找简单运动中的守恒量。
设计思路：寻找运动中的守恒量要从简单运动开始，学生不难想到匀速直线运动。仍然从变化中来引导学生分析，匀速直线运动中有什么变化？学生不难找到随着时间的推移，物体的位移在增加。然后就没有找到其它变化了。这时，我们可以把匀速直线运动的情景画在黑板上，留着项目3完成后再回头分析，匀速直线运动属于机械能不变，而不是机械能守恒。
寻找运动中的守恒量，学生进一步提出从匀加速直线运动开始研究。最简单的匀加速直线运动就是自由落体运动（教师用网球演示自由落体过程）。学生通过观察网球的下落过程，不难发现，在自由落体运动中，小球的速度在增大，高度在减少，而速度和高度是不可以直接进行交换的，怎么处理呢？与速度和高度都有关系的，应该是什么物理量？学生很容易会想到能量。与速度有关的是动能，与高度有关的是势能，动能和势能之间通过力做功发生相互转化。通过动能定理和功能关系，学生可以得出增加的动能等于减少的势能。这就是自由落体运动中的守恒量——机械能守恒。
项目3：探究机械能守恒的条件
情景3：通过表格引导学生探究机械能守恒的条件。 设计思路：如下表1所示，通过情景逐步引导，从简单到复杂，从直线运动到曲线运动，从固定模式到开放模式，逐渐拓展情景，学生的思维能力和创造力在拓展中逐渐形成。学生完成情况如下图3所示。学生通过表格，不难得出机械能守恒的条件是：只有重力做功。
此外，学生的创意情景能够给我们很多的启发，如图4所示。可以看到，学生懂得通过创设不同的情景，实现不同运动的组合。可是我们也发现，学生在设计的时候，缺乏工程与技术的训练，运动过于理想化而无法实现。问题主要出现在两种运动的交界位置，如图中圈出的部分。
另外，学生的创意情景还能帮助我们解决教学的难点。如图5、图6所示。
图5中，学生设计了水平面上的匀速圆周运动，这种运动能帮助学生更好地理解守恒的概念，是形成守恒观的重要情景。从学生的填表情况，可以看到，学生能够判断动能和势能都不变，但是守恒是隐藏在变化当中，由于该过程能量没有变化，所以只是属于机械能不变，而并不是机械能守恒，与匀速直线运动情况相同。
图6是学生设计的物体和弹簧的模型，通过对研究对象分析，让学生理解地球与物体组成的系统机械能不守恒。但是，地球、物体和弹簧组成的系统机械能是守恒的，可以帮助学生进一步理解机械能守恒定律。
项目4：应用机械能守恒定律解决问题
情景4：创设中国选手杨健跳水背景。
设计思路：通过中国跳水冠军杨健真实情境，引入问题。学生需要把题目文字以及图片情景结合起来，构建物理情景（如上图3所示），再运用机械能守恒定律进行求解。这是锻炼学生物理思维以及建模能力的一个重要途径。
2019年3月9日世界跳水系列赛北京站男单10米台，杨健夺冠。质量m=50 kg的跳水运动员从距水面高h=10 m的跳台上以v0=5 m/s的速度斜向上起跳，最终落入水中，若忽略运动员的身高，取g=10 m/s2，不计空气阻力。求：
（1）运动员在跳台上时具有的重力势能（以水面为零势能参考平面）;
（2）运动员起跳时的动能;
（3）运动员入水时的速度大小。
从学生的完成情况，发现学生能够形成守恒观念，并从不同的角度去理解机械能守恒定律（见图8），同时，还能思考机械能守恒与动能定理之间的关系（见图9）。笔者认为，这就是我们希望达到的教学效果。
可以看到，项目的引领不是简单地罗列教学目标，而是一项有情景、有设计、有逻辑、有思维的小项目，学生能从完成项目的过程中，知道自己需要做什么，然后思考可以怎么做，这就是项目引领的目的和意义所在。
综上所述，“LPL”模式在教學目标指引下，以“小项目”的形式，通过情景引领，让学生进行自主体验和探究的一种建模教学模式。
三、总结
物理教学的本质是探究，科学发现的核心也是探究。可以看到，“LPL”建模教学模式是以科学探究为主线，以学生为本，通过引起学生兴趣的真实情景进行介入，使学生经历表达、思考、理解、设计、猜想、实践等阶段后，实现自我知识体系的构建，形成物理建模的思想，真正达到物理学习的目的。只有完成和体验过“小项目”的学生，才能更加全面和深刻地学习和继承前人提炼和积累下来的系统科学知识，才能通过探索和检验这些知识，不断批判地继承、补充和完善已有的成果，并发现新的成果。
高中的物理教学，在新课改的背景下，需要逐渐转向以学生为主体的核心素养教育。融合STEM理念的“LPL”模式，不仅是学生学习模式的革新，更是教师教学方式的革新。希望本文能够激发同行对STEM理念下不同学习和教学模式的探讨，在实践中提出更多的建议和意见。
参考文献：
[1]教育部.普通高中物理新课程标准（2017年版）[M].人民教育出版社，2020.
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【关键词】STEM理念;高中物理教学;“LPL”模式
一、“LPL”模式
“LPL”（Little Project Lead）模式，意为小项目引领模式，是在高中分科教学背景下提出的一种基于STEM理念的高中课堂教学模式。美国教育家威廉·赫德·克伯屈（Willam Heard Kilpatrick）曾经把项目（Project）定义为“热情且有目的的行为”。因此，学生有目的地学习的行为就是一个项目。根据“LPL”模式的要求，首先依据《普通高中物理课程标准（2017年版）》确定总目标，然后根据学生认知规律把课程目标分解为一系列子目标，并以“小项目”形式展现给学生，形成一个完整的项目结构。
现以《机械能守恒定律》为例，谈谈“LPL”模式下的教学设计与实施。新课标明确指出：“理解机械能守恒定律，体会守恒观念对认识物理规律的重要性。能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题。”从初中到高中的教材中，都花了不少篇幅来阐述该部分内容。学生对机械能守恒定律并不陌生，可是，对于学生守恒观念的形成，则是这节课的重点和难点。学生一旦形成守恒观念，那么，对于机械能守恒定律的理解和应用就迎刃而解。
1.以《课程标准》为依据：《新课标》要求学生体会守恒观念，我们应该如何让学生体会守恒观念呢？由于守恒观念一直在支配着人们的生产与生活，为此，我们可以比较容易调用学生的原有知识。例如，零花钱的分配过程就会用到守恒思想，地理学科的水循环过程，化学领域的电子数守恒等都蕴藏着守恒的思想。由此来引导学生“发现守恒观”。通过对守恒观念的发现，引导学生找到守恒与变化之间的关系，把守恒的思想从生活中迁移到运动中来，学生的守恒观开始形成。接下来，我们就不难提炼出整节课的五个课堂子目标：发现守恒观、形成守恒观念、体会守恒观念、理解守恒观念和应用守恒观念。
2.从学生认知入手：结合建构主义理论，由课标确立的五个子目标，可以分别以知识同化、顺应、创新、质疑和迁移的不同认知层次为基础，结合STEM理念，利用科学、技术、工程以及数学等知识，设计特定的教学情景。
3.用小项目去引领：小项目引领是“LPL”模式不同于其它教学模式的重要原则。“STEM”理念是一种基于项目的学习，鉴于项目内容与时间的限制，在高中课堂渗透STEM教育理念，必须把“大项目”拆分成“小项目”来进行。笔者根据物理建模教学中的建模步骤，结合课标要求和学生认知，把五个子目标以小项目的形式展现在学生面前。同时也通过这一系列的小项目引领课堂，实现课堂目标，落实学生的物理学科核心素养。具体设计如教学流程图1所示。
二、基于STEM理念的“LPL”模式的教学实施
项目1：寻找生活中的守恒量
情景1：了解我国在水循环卫星方面作出的重要贡献。根据情境思考，寻找水循环过程中的变化。
设计思路：学生对全球水循环并不陌生，该情景的设置关键是希望学生能够调用原有知识，学会寻找生活中的“变化”，从变化中找到“守恒量”。学生不难发现，该过程存在水的物态变化，以及空间位置的变化。我们可以进一步引导学生分析“变化”。由于光照强烈，水受热蒸发，从液态变成气态，而且蒸发越厉害，液态的水变少，而气态的水就会增多。这是一种此消彼长的变化。我们可以进一步追问学生，为什么液态的水少了，气态的水就会增多呢？学生会脱口而出，因为水分子总量保持不变。同样道理，从空间位置上来看，水从陆地到海洋，如果陆地区域的水少了，海洋区域的水就会增多，因为在循环的过程中水分子的总量保持不变。引導学生发现守恒量的突破口是寻找此消彼长的变化。同时，守恒不是不变，而是一种动态的平衡——保持不变。
通过寻找水循环中“此消彼长”的变化，发现隐藏在变化中的守恒量，如图2所示。由此引出守恒隐藏在变化当中，而变化则可能预示着守恒的存在。
守恒的观念指导着我们的生产和生活。请学生思考，生产生活中还有哪些守恒的例子？学生列举：化学反应前后的电子数守恒、零花钱的使用和支配过程等生活中的数量守恒关系。学生基本形成守恒观念，知道表象的变化可能预示着守恒，守恒则隐藏于变化当中。
项目2：寻找运动中的守恒量
情景2：寻找简单运动中的守恒量。
设计思路：寻找运动中的守恒量要从简单运动开始，学生不难想到匀速直线运动。仍然从变化中来引导学生分析，匀速直线运动中有什么变化？学生不难找到随着时间的推移，物体的位移在增加。然后就没有找到其它变化了。这时，我们可以把匀速直线运动的情景画在黑板上，留着项目3完成后再回头分析，匀速直线运动属于机械能不变，而不是机械能守恒。
寻找运动中的守恒量，学生进一步提出从匀加速直线运动开始研究。最简单的匀加速直线运动就是自由落体运动（教师用网球演示自由落体过程）。学生通过观察网球的下落过程，不难发现，在自由落体运动中，小球的速度在增大，高度在减少，而速度和高度是不可以直接进行交换的，怎么处理呢？与速度和高度都有关系的，应该是什么物理量？学生很容易会想到能量。与速度有关的是动能，与高度有关的是势能，动能和势能之间通过力做功发生相互转化。通过动能定理和功能关系，学生可以得出增加的动能等于减少的势能。这就是自由落体运动中的守恒量——机械能守恒。
项目3：探究机械能守恒的条件
情景3：通过表格引导学生探究机械能守恒的条件。 设计思路：如下表1所示，通过情景逐步引导，从简单到复杂，从直线运动到曲线运动，从固定模式到开放模式，逐渐拓展情景，学生的思维能力和创造力在拓展中逐渐形成。学生完成情况如下图3所示。学生通过表格，不难得出机械能守恒的条件是：只有重力做功。
此外，学生的创意情景能够给我们很多的启发，如图4所示。可以看到，学生懂得通过创设不同的情景，实现不同运动的组合。可是我们也发现，学生在设计的时候，缺乏工程与技术的训练，运动过于理想化而无法实现。问题主要出现在两种运动的交界位置，如图中圈出的部分。
另外，学生的创意情景还能帮助我们解决教学的难点。如图5、图6所示。
图5中，学生设计了水平面上的匀速圆周运动，这种运动能帮助学生更好地理解守恒的概念，是形成守恒观的重要情景。从学生的填表情况，可以看到，学生能够判断动能和势能都不变，但是守恒是隐藏在变化当中，由于该过程能量没有变化，所以只是属于机械能不变，而并不是机械能守恒，与匀速直线运动情况相同。
图6是学生设计的物体和弹簧的模型，通过对研究对象分析，让学生理解地球与物体组成的系统机械能不守恒。但是，地球、物体和弹簧组成的系统机械能是守恒的，可以帮助学生进一步理解机械能守恒定律。
项目4：应用机械能守恒定律解决问题
情景4：创设中国选手杨健跳水背景。
设计思路：通过中国跳水冠军杨健真实情境，引入问题。学生需要把题目文字以及图片情景结合起来，构建物理情景（如上图3所示），再运用机械能守恒定律进行求解。这是锻炼学生物理思维以及建模能力的一个重要途径。
2019年3月9日世界跳水系列赛北京站男单10米台，杨健夺冠。质量m=50 kg的跳水运动员从距水面高h=10 m的跳台上以v0=5 m/s的速度斜向上起跳，最终落入水中，若忽略运动员的身高，取g=10 m/s2，不计空气阻力。求：
（1）运动员在跳台上时具有的重力势能（以水面为零势能参考平面）;
（2）运动员起跳时的动能;
（3）运动员入水时的速度大小。
从学生的完成情况，发现学生能够形成守恒观念，并从不同的角度去理解机械能守恒定律（见图8），同时，还能思考机械能守恒与动能定理之间的关系（见图9）。笔者认为，这就是我们希望达到的教学效果。
可以看到，项目的引领不是简单地罗列教学目标，而是一项有情景、有设计、有逻辑、有思维的小项目，学生能从完成项目的过程中，知道自己需要做什么，然后思考可以怎么做，这就是项目引领的目的和意义所在。
综上所述，“LPL”模式在教學目标指引下，以“小项目”的形式，通过情景引领，让学生进行自主体验和探究的一种建模教学模式。
三、总结
物理教学的本质是探究，科学发现的核心也是探究。可以看到，“LPL”建模教学模式是以科学探究为主线，以学生为本，通过引起学生兴趣的真实情景进行介入，使学生经历表达、思考、理解、设计、猜想、实践等阶段后，实现自我知识体系的构建，形成物理建模的思想，真正达到物理学习的目的。只有完成和体验过“小项目”的学生，才能更加全面和深刻地学习和继承前人提炼和积累下来的系统科学知识，才能通过探索和检验这些知识，不断批判地继承、补充和完善已有的成果，并发现新的成果。
高中的物理教学，在新课改的背景下，需要逐渐转向以学生为主体的核心素养教育。融合STEM理念的“LPL”模式，不仅是学生学习模式的革新，更是教师教学方式的革新。希望本文能够激发同行对STEM理念下不同学习和教学模式的探讨，在实践中提出更多的建议和意见。
参考文献：
[1]教育部.普通高中物理新课程标准（2017年版）[M].人民教育出版社，2020.
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