初中階段物理與綜合實踐活動的整合課程研究
——以“橋梁設計師”系列課程為例

陳冀軒

(佛山市南海區大瀝鎮初級中學，廣東 佛山 528231)

隨著國家對教育方式的要求逐漸提高,多學科之間整合形式的課程成為新的研究方向[1-2]. 物理是一門基于生活、實驗和實踐的學科，在學生學習課本理論知識的同時，也需要有機會對所學知識進行一定的實踐，只有加深對知識的理解與認識，才能熟練掌握知識. 因此推行物理學科與綜合實踐活動的整合[3]，可以構建全新的自主知識掌握模式，拓展物理課堂，讓物理不再成為“架空”的學科. 同時提高學生從生活現象中獲取物理知識的能力，激發學生學習物理的興趣.

1 實施背景與條件分析

1.1 初中物理的知識架構

以人教版初中物理教材為例，力學是較為獨立的部分，由于力學知識體系的龐大以及難度較高，八年級的下學期都會用于力學部分知識的學習. 同時，力學與日常生活密切相關，即使學生沒有系統學習力學，也會對力學知識存在基于生活的認識，這也為后續的綜合實踐課堂的開展奠定了基礎.

1.2 學生的特點

物理一般是八年級新增的學科. 對于九年級的學生，由于升學考試的壓力，無法開展整合課程，因此只能從八年級學生入手.

1)從學生學習壓力上分析，八年級學生整體學習壓力偏小，有較多的課余時間，這也為整合課程的開展奠定了時間基礎；同時，八年級教師的教學任務也較輕，可以更好地完成整合課程的備課工作.

2)八年級的學生剛接觸物理，學習興趣較為濃厚，學習熱情高.

綜上所述，整合課程最佳的對象為八年級的學生，實施時間可選擇八年級上學期或者下學期.

2 整合課程的準備工作

2.1 準備工作

1)選定課程目標；

2)確定授課內容及課程的主題；

3)劃分好課時的數量以及每個課時的內容；

4)計劃課程內的實踐內容；

5)準備好實踐操作的工具和場地.

2.2 課程內容的選擇

1)內容與初中物理的幾個板塊知識接軌，不能脫離初中物理的研究范圍；

2)具有一定難度，需要學生進行探究后才能得出結論；

3)內容上不一定是學生已經學過的內容，但是學生可以從生活中獲得靈感，或者靠獨立思考來完成；

4)課程內容最好與未來的學習內容接軌，例如與初三或高中的物理內容存在交叉與重合.

本次選擇了“橋梁設計師”課題開展物理與綜合實踐的整合活動.

2.3 整合課程的時間與課時安排

在“橋梁設計師”系列課程中，物理教師與綜合實踐教師配合，在不影響課程進度的情況下，通過7個課時的綜合實踐課堂時間，完成了所有的課時進度. “橋梁設計師”系列課程的課時安排如下(1課時約為45 min):

1)學習基礎知識并研究設計方案，2課時；

2)練習制作橋梁，2課時；

3)正式制作橋梁，2課時；

4)成果檢驗與討論，1課時.

3 課程核心分析

整合課程的核心是讓學生通過課程以外的方法和途徑來獲得知識. 對于物理和綜合實踐結合的整合課程，自然需要通過綜合實踐的途徑，讓學生學習到物理知識.

3.1 物理學是基于生活的學科

在“橋梁設計師”系列課程的設計上，教師先不講授橋梁設計的基本知識，讓學生從生活中尋找相關的例子，嘗試分析物理原理，并應用在橋梁設計中，真正做到“從生活中來，到生活中去”的物理學習基本方法. 這樣做可以讓學生明白物理在生活中的地位和作用，學生通過“觀察—發現—思考—分析—論證—應用”的流程來獲得知識，比教師單純通過課堂上進行理論教學的效果好.

3.2 物理學是基于動手的學科

在“橋梁設計師”系列課程中，學生小組把研究得出的結論應用到橋梁制作，不僅是設計上應用，還要制作出橋梁模型，并且通過承重實驗來探究效果. 所以在進行物理和綜合實踐的整合課程時，必須同時兼顧知識應用，體現物理的研究方法，才能達到最佳效果.

4 “橋梁設計師”課程詳情記錄

4.1 每課時的內容安排

4.1.1 第1～2課時：學習基礎知識并研究設計

方案

本課時主要交代課程大綱以及課程目標：根據所學知識以及生活經驗，用有限的材料、時間和人手，制作可以承載最大重力的橋梁模型. 同時，給學生觀看優秀的橋梁設計，讓學生圍繞優秀橋梁進行小組討論，分析其優秀之處，即大家認為的橋梁能承受較大重力的原因. 引導各小組完成優秀案例的分析后，各小組開展討論，共同完成融合了優秀設計案例的優點以及小組內全部成員智慧結晶的橋梁設計的初步方案.

在第2課時結束時，布置小組任務，讓小組利用課后時間，完成橋梁的設計，并畫出經過分析和思考后的橋梁設計圖. 輔導教師對各小組的設計圖進行驗收，檢查各小組的完成進度，但該階段不宜介入小組的設計.

4.1.2 第3～4課時：練習制作橋梁

各個小組根據設計稿，開始制作橋梁. 本課時的作用是讓學生提前認識和熟悉器材與材料，同時通過動手制作橋梁，認識到原有設計中的不合理之處，在第1次嘗試制作時發現不足，并進行修改. 經過一輪制作后，各小組對于組內分工和如何提升制作效率會有更深刻的認識. 本課時輔導教師不宜介入過多，盡可能給學生留有思考空間，輔導教師只需要負責提供器材和材料、維持課堂紀律即可.

4.1.3 第5～6課時：正式制作橋梁

本階段需要2個課時的時間，最好選取2節課連堂的時間完成，這是為了保證學生思路的連貫性. 本階段的內容是制作實際作品. 小組之間不再相互交流，只能使用提供的限定數量的材料、工具. 各小組在同一起點開始制作，同時結束，保證比賽的公平性.

4.1.4 第7課時：成果檢驗與討論

本階段為最終的成果檢驗階段. 各小組需要介紹自己小組橋梁的特點和靈感來源. 各小組在課程前與輔導教師交流，提前提供設計靈感、設計亮點，完成展示時的PPT頁面制作，提升展示效果. 在測試階段，各小組需要在測試臺上對橋梁進行壓力測試，在屏幕上實時展示測試數據. 假如某個小組設計的橋梁可以在某個壓力值下保持10 s，那么計入最終成績. 再次提升壓力，每次壓力提升5 kg，如果橋梁依然能承受10 s，則更新成績，否則以上次成績為準.

測試階段結束后，開始經驗分享. 各小組分享制作橋梁的收獲、感想，最后輔導教師總結.

4.2 各小組制作的橋梁成果展示

6個小組設計的橋梁如圖1所示. 橋梁承壓測試成績如表1所示.

圖1 全部橋梁

表1 橋梁承壓測試成績表

4.2.1 小組1的橋梁設計細節與靈感

小組1的設計亮點是采用了大量的三角形結構，并且把橋梁設計成為又高又窄的形式，如圖2所示. 小組1的學生認為，大量使用三角形結構可以增強橋梁的穩定性，在生活中需要承受大量壓力的情況，都會使用三角形結構，例如自行車的車架、籃球架，現實中的橋梁也會使用大量的三角形結構，所以這一設計靈感來源于生活.

圖2 小組1的橋梁設計圖

使用高窄形狀的橋梁設計，組長的分析思路為：如果把橋梁看做整體，可以把橋梁看做1根木棍來分析，木棍越短越難掰斷，能夠承受的壓力也越大.

可惜小組1的測試成績并不好，可能是制作時間不足導致橋梁沒有撐過第一輪的5 kg測試.

4.2.2 小組2的橋梁設計細節與靈感

小組2使用了矮扁的橋梁設計，同時在橋梁承重處，使用了大量的木料制作了復雜的圖案，如圖3所示. 小組2的成員表示，這是為了增加橋梁的承重面積.

圖3 小組2的橋梁設計圖

小組2的學生在看了八年級下冊的物理課本后發現，想要減小橋梁的形變程度，就必須增大橋梁的承重面積. 例如在挖掘機上安裝履帶，通過增大接觸面積來減少地面的形變，防止挖掘機陷入泥地中. 所以在保證正常承重的情況下，通過設計復雜的圖案來增加受力面積. 而設計成矮扁的橋梁形狀是為了節省材料(省下來的材料全部用在承重部分的制作上).

小組2的橋梁承受的重力在全部小組中名列第3，證明增加接觸面積可以增強橋梁的承重能力的設計方向是正確的.

4.2.3 小組3的橋梁設計細節與靈感

小組3同樣采用了矮扁的橋梁設計方案，如圖4所示，但是理由與小組2不同：小組3認為，矮扁的橋梁最大的好處，是讓橋梁更加穩定，不宜翻倒. 為了驗證猜想，他們甚至做了實驗：用相同大小的推力去推同學，這位同學分別直立和蹲馬步，實驗發現蹲馬步更不容易被推倒. 正是這一生活經驗，讓他們堅定地選擇了矮扁設計方案.

圖4 小組3的橋梁設計圖

小組3并沒有采用大量復雜圖案來增加接觸面積，而是把剩余木材用在加固橋梁，增加三角形結構，提高橋梁的強度.

值得一提的是，小組3的制作水平，在全部小組中是最高的，用時也最短. 在最終的測試中，小組3的橋梁竟然承載了40 kg的重物，成為了當之無愧的第1名.

4.2.4 小組4～6的橋梁設計細節與靈感

小組4～6的橋梁整體結構采用拱形.

小組4整體使用拱形設計，為了增強承重能力，橋梁中間添加了許多三角形結構，如圖5所示. 小組4表示，拱形橋梁是為了節省木材，增加更多的三角形結構.

圖5 小組4的橋梁設計圖

小組5表示拱形橋梁是為了分散壓力，如圖6所示. 為此小組5的同學還準備了實驗：如果用握住雞蛋的方法來破壞雞蛋殼，所用的力比直接磕碎要大得多. 生活中也存在通過拱形結構分散壓力的例子，例如壓力容器都是圓柱形，潛水艇也做成圓柱形.

圖6 小組5的橋梁設計圖

小組6集合了其他組的優點，既有拱形結構，也有三角形和大接觸面積，甚至還在拱形結構下增加了另外的1層三角形結構(圖7)，專門用于承受壓力，不過作為代價，他們的三角形結構較少. 在最終的測試階段，小組6由于缺少制作經驗，制作的橋梁強度不夠，橋梁承重35 kg，成績僅次于小組3.

圖7 小組6的橋梁設計圖

4.3 各個小組的感想、認識與收獲

4.3.1 團隊協作的重要性

為了增強團隊協作能力，在橋梁設計之前，提前進行1次設計的練習. 在練習過程中，不少組由于參與的人數不夠多，效率低下，導致不能在規定的時間內完成任務. 經過了第1次練習后，小組組長對設計的過程有了基本的認識. 不少小組在最終制作之前在組內分工，甚至小組3對制作流程中的各個步驟都進行了詳細的分工，給每個成員都分配了任務.

通過整合課程，學生們也認識和體會到，所有工程不可能靠幾個人完成，小到橋梁的模型，大到真實的橋梁工程，都是需要團隊合作來完成. 同時這也是對組長能力的鍛煉，團隊的成員需要凝聚力，需要組長的調度與分配.

4.3.2 理想和現實的區別

小組2的同學表示：全體成員在課程前低估了任務的難度，開始設計時，成員構思出了形態各異的橋梁，但是在真正開始制作時，由于缺乏專業知識，這些異想天開的設計無法實現，最后只能從比較簡單的設計做起.

小組4的同學表示：在開始設計只考慮了理想情況下的方案，沒有考慮方案該如何制作才能發揮理想的性能. 在制作時，木棍之間無法完全貼合，不少同學直接把膠水涂上去，既沒考慮木棍之間是否貼合，也沒考慮膠水凝固需要時間.

小組4的組長在分享時也表示：涂抹膠水后，可以使用燕尾夾對黏合處進行夾持，放置一段時間后再打開燕尾夾，等待膠水干透. 夾持的時間由氣溫而定.

小組6的組長指出：在制作橋梁時，需要注意木棍之間的連接穩定性. 柱狀的木棍之間在拼接時存在大量的空隙，因此最佳的制作方法是對木棍的連接處進行修整，讓木棍具有一定的傾角，更加貼合.

輔導教師寄語：橋梁工程涉及諸多學科，要想完成橋梁建設，離不開各專業人士的合作.

5 結束語

開展物理學科與綜合實踐活動的整合課程，在教師的協助下學生掌握并應用物理知識，學生獲得應用知識解決問題的成就感，該活動貫徹了STS理念. 物理在整合課程的應用還需要更多的研究，例如課時分配等問題，希望在師生的努力下，整合課程可以成為結構完善、課標明確、教材和課題豐富的常駐課程.