基于项目的初中物理与工程跨学科实践——以“制作潜水艇模型”项目为例
时间：2023-04-12 10:50:04 来源：千叶帆 本文已影响人
韩思思 杨 杰
（1.首都师范大学教师教育学院，北京 100048；
2.北京师范大学教育科学研究院，北京 100875；
3.华中师范大学物理科学与技术学院，湖北 武汉 430079）
《义务教育物理课程标准（2022年版）》于2022年4月正式颁布，为了体现物理学与日常生活、工程实践、社会发展等方面的联系，将“跨学科实践”作为义务教育物理课程内容的五个一级主题之一.［1］“物理学与工程实践”是跨学科实践的重要内容，要求学生通过了解技术与工程的应用案例、从事工程实践活动，发展跨学科运用知识分析和解决问题的能力，培养积极认真的学习态度和乐于实践、敢于创新的科学态度.［1］这标志着技术与工程已经正式进入初中物理课程，探索物理学与工程的跨学科实践活动的设计和实施成为了初中物理教学的重要议题.
物理学与工程的跨学科实践具有跨学科性和实践性特点，并应立足物理本学科提升核心素养.要仔细和全面考虑物理学和工程的有机结合点，探索物理与工程整合的方法和路径，项目式学习（Project based learning）有望提供指导，成为理论依据.项目式学习中，项目来源于真实生活为学生熟悉，并具有趣味性、复杂性驱动学生学习.项目式学习强调学生参与科学与工程实践活动，学习并应用多学科的知识，设计方案或实物作为项目产品.国内外研究表明项目式学习在整合不同学科内容，促进学生素养发展上具有极大优势.［2－4］可见，项目式学习的内涵和特点与物理学与工程的跨学科实践的要求相契合，能够指导物理与工程跨学科实践活动的设计和实施.故本文将其选作理论依据，提出基于项目的初中物理与工程跨学科实践，并据此围绕初中浮力开发了“制作潜水艇模型”项目.
项目式学习起源于20世纪初，于20世纪90年代在科学教育领域得到快速发展.它以建构主义、情境学习、社会交互和认知工具为理论基础，具有以下特征：［5］（1）学生通过解决驱动问题逐步完成学习目标；
（2）学生要提出问题的解决方案；
（3）学生要使用科学实践探索现象；
（4）学生要进行团队协作；
（5）学生使用学习支架（如教学材料、互联网技术、实验等）来辅助学习；
（6）学生要制作出项目产品.
依据项目式学习特征，以核心素养发展为最高目标，既立足物理学科同时跨出物理学科关照工程，本研究提出基于项目的初中物理与工程跨学科实践：开发具有跨学科性质和实际生活价值的项目，围绕项目规划、问题解决、展示评价3个阶段组织设计教学环节，支持学生开展小组合作学习、参与科学与工程实践活动、学习并应用物理原理，以制作实物模型等物化成果作为学习结束的标志.这与我国义务教育物理课程标准倡导情境化教学、突出问题教学、注重“做中学”“用中学”的要求吻合，并且侧重体现了物理学与工程的联系.
首先，建议挖掘我国初中物理课程现行各版本教材中存在的大量优秀的、经典的、适宜学生发展的教学资源，将这些资源进一步设计和打造成为物理与工程的跨学科实践项目.第二，按照项目规划—问题解决—展示评价3个阶段加以整体贯通地组织教学活动.具体来说，规划阶段指学生对真实的需求进行解读和分析来定义简单工程问题，确定项目产品应该满足的标准和受到的约束，从整体上规划项目以持续驱动后续学习；
问题解决阶段中，学生素养发展和项目推进两线并行，［6］一方面经历探究和参与实践、学习并应用科学原理，既完成项目更达成发展目标，另一方面提出问题解决方案或设计制作实物模型；
展示评阶段指学生展示问题解决方案或简单实物模型，师生或生生讨论以对学习过程和结果进行评价.第2阶段和第3阶段依据需要可以循环往复、迭代深化.最后，值得注意的是，跨学科实践要发展学生跨学科运用知识分析和解决问题的能力，因超越特定学科内容和问题解决活动的系统性、复杂性，其教学存在一定难度.为此，学生在学习支架的支持下以小组合作的形式展开.
本研究依据人教版初中物理教材第10章第3节“潜水艇”设计“制作潜水艇模型”项目，从项目规划、问题解决、成果展示评价3个阶段设计了教学活动，实现物理学和工程的融合，有效发展学生核心素养.限于篇幅，本文重点论述如何在不同环节支持构建物理知识并结合工程学内容.
2.1 项目规划
制作潜水艇模型项目规划包括3个内容：首先创设情境令学生产生工程需求以驱动物理学习，接着明确驱动问题并感受工程实践中标准和约束条件的作用，最后，拆解项目获得完成项目的若干明确、具体任务，体会工程的系统性和复杂性.
2.1.1 创设情境，以工程需求驱动物理学习
教师展示潜水艇浮出水面的视频，同时提出问题：是否想拥有一艘属于自己的潜水艇？由此引导学生产生自制潜水艇模型的想法，明确要完成的项目是制作潜水艇模型.
创设这一情境从客观上形成了从事物理学习和工程实践的需要.并且，自制潜水艇模型对初中生来说有一定的新奇性和趣味性，能够激发他们的兴趣，提升学习动机，更重要的是它具有复杂性和教育性，能够有效贯穿和驱动学生后续学习.
2.1.2 明确问题，体会产品标准和约束条件的作用
教师提示学生完成项目首先需要有明确的问题，由此学生确定驱动问题为“如何制作潜水艇模型？”.为让学生体会产品标准和约束条件在实践中的作用，教师组织学生讨论，确定潜水艇模型验收的标准包含哪些内容，例如能够在水中随意地沉浮；
明确现实情况所带来的约束条件，例如只能使用周围常见的材料.最后，教师清晰地为学生指出验收产品的标准和现实的约束条件确保项目能顺利完成.
科学探究中明确的问题对于引导后续的探究和实践至关重要，学生通过明确研究问题实现从提出需求到解决问题的过渡.而产品标准和约束条件在工程中具有重要意义和价值.学生通过讨论明确了潜艇的验收标准，对实践的终点有了清晰的认识；
确定了限制条件，对未来实践中可能存在的困难和约束有了基本预设.对二者的整体考虑，一方面有助于学生后续能够成功完成项目，另一方面支持学生达成物理学和工程的发展目标.
2.1.3 拆解项目，体会工程的系统性和复杂性
因为项目比较复杂无法一步完成，师生讨论需要经历哪些步骤才能完成项目.学生组成实践小组，在组内充分讨论后进行全班交流.面对学生众多零散的想法，教师引导学生寻找这些想法中的共性，将它们进行归纳，最终得到3个具体的步骤：探究物体沉浮的原因、设计潜水艇模型、制作潜水艇模型.
对项目进行理解、拆分的过程有助于学生认识到真实工程问题的系统性和复杂性，同时能锻炼学生归纳概括的科学方法、培养他们设计初步方案以解决问题的能力.
2.2 问题解决
经历项目规划，学生明确了后续学习任务，进入到问题解决环节.这一环节依据上述3个步骤确定相应的学习任务.
2.2.1 学习任务1：探究物体沉浮的原因，掌握物理原理提升探究能力
基于设计潜水艇模型这一目的，教师提示学生探明物体沉浮的原因是知识基础，这提供了潜水艇模型设计的原理依据.接着，学生进行小组讨论，从重力与浮力的大小关系来说明物体在液体中沉浮的原因.进一步，教师提示学生通过改变浮力来控制物体的沉浮.由此学生展开实验探究，在学案和资料卡的帮助下分组活动，寻求浮力的大小跟排开液体所受重力的关系.并且，学生将探究成果联系到潜水艇，理解潜水艇中设有水箱，通过调节水箱中的储水量改变潜水艇所受的重力，从而实现潜水艇的上浮、下潜和悬浮.
该学习任务的设计，目的是令学生通过理论分析掌握物体的沉浮条件，通过实验探究学习阿基米德原理.任务完成过程锻炼学生获取数据、分析数据、解释数据的能力.阿基米德原理的探究是重点也是难点，因此导学案和资料卡发挥了学习支架的作用，为学生顺利完成探究提供支持，如图1所示.
图1 导学案和资料卡示例（截取）
2.2.2 学习任务2：设计潜水艇模型，应用物理原理发展工程设计能力
这一任务要求学生设计潜水艇模型的蓝图.教师提示学生绘制蓝图可以先从模仿开始.因此学生不仅通过阅读资料卡了解潜水艇的结构，掌握潜水艇沉浮的原理，并且在组内讨论鱼在水中的沉浮、热气球的升降等现象，仿照这些现象画出符合需求和限制条件的设计图.例如，设计图中包括使用矿泉水瓶作为潜水艇外壳，内部具有和外部连接的气球作为水箱，以控制潜水艇内部的水量，当气球膨胀则排出潜水艇内的水，反之则增加潜水艇内的水.最后，学生对于初步设计的蓝图还知道后续需利用物体的沉浮条件和阿基米德原理对其进行预测和修正.例如，调整和控制潜水艇自重及气球注入空气的量以成功实现模型的上浮、下潜和悬浮.该过程支持学生深度理解并应用任务1中所学内容.
这一任务中，学生通过模仿已有物体沉浮的现象设计潜水艇模型，既认识到物体沉浮条件在生活中的应用，也提升了根据实际需求提出发明方案的能力.同时，绘制设计图的活动增强学生掌握运用图像表征、表达设计思路的能力.通过应用所学的科学原理设计模型，学生进一步深化概念理解和应用.
2.2.3 学习任务3：制作和优化潜水艇模型，提升工程物化的能力
学生依据约束条件选取废旧材料来制作潜水艇模型，增进保护环境、节约能源的意识.学生根据设计图制作潜水艇模型，过程中注意模型必须符合产品验收标准.为此，学生对潜水艇模型进行试验，依据试验效果和验收标准进行改进.如，以废弃塑料瓶为潜水艇，内部通过铁丝或者曲别针等固定放置气球，并且气球和来自输液管前的细长软管连接，连接处使用热熔胶增加气密性，细长软管另一端连接大注射器提供足够、稳定输送的气体.为了试验还要准备水槽和注射器.为潜水艇增加粘黏的饰品既增加自重也作为装饰.
制作潜水艇模型这一任务，极大地提升学生使用工具和常见材料制作实物模型的能力.工程学注重从需求层面迭代优化，这一点应用在此任务中，有助于塑造学生根据证据、产品标准和约束条件，进行有依据的推理思考方式，并极大地深化物理知识的学习，尤其令学生感受物理知识的实用性，从而热爱物理学习.该任务还提倡利用生活中的废旧材料，向学生渗透保护环境、废物再利用的价值观.
2.3 展示评价
项目展示评价既包括小组为单位的学生展示模型也包括小组间的互评.
2.3.1 展示项目，强化物理概念理解发展交流和论证的能力
学生以小组为单位，进行全班展示，从结构、原理、选材、效果等方面对制作的潜水艇模型进行介绍.介绍结束，教学设置有答疑解惑环节，即展示小组对其他同学的困惑加以回答，遭遇他人质疑时，要基于证据进行论证来坚持或者修正自己的观点.
全面汇报展示项目成果，驱动学生梳理整个学习过程，深化浮力相关知识的学习成果，提升了基于证据进行交流和论证的能力，体会科学、技术与工程的联系.整个过程中不论是小组内的合作准备还是小组间质疑反驳，都令学生感受同行评议、团体交流的重要意义.
2.3.2 项目评价，切换视角深化认识
展示过程中，未进行汇报的小组需要使用评价量表（如表1所示），从“产品设计”（如产品的科学性）和“展示汇报”（如语言的流畅性）两个方面总计10个指标对展示小组进行评价并陈述理由.
表1 评价量表（示例）
这一项目评价活动，旨在借助互相评价激励学生参与到学习中来，让他们从被评价者转变为评价者，帮助他们以不一样的视角来审视所经历的跨学科实践学习.学生采用评价量表中的指标来判断其他小组的优点和不足，同时反思自己小组的学习过程和结果.这有助于学生深化对知识原理、科学探究、科学思维、实践活动的本质认识.
整合与发展的教育理念倡导加强学科间相互关联，强调课程综合化实施.［7］随着《义务教育物理课程标准（2022年版）》的颁布，探索物理与工程整合的方法和路径是落实新课标中综合化实施的必由之路.本研究提出基于项目的初中物理与工程跨学科实践并据此开发“制作潜水艇模型”案例，是一次努力的尝试.它提出基于对现行教材的挖掘，开发体现跨学科性质并具有实际生活价值的项目，并且围绕项目规划、问题解决、展示评价3个阶段设计和组织教学，强调支持学生参与科学与工程实践活动、在其中学习并应用物理原理，最终以制作物化成果为学习结束的标志.基于项目的初中物理与工程跨学科实践实现了物理学与工程的有效、有机整合.
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