基于工程的跨學(xué)科實(shí)踐
——來(lái)自STEM 的啟示

顧 健 李 剛

（1.西安交通大學(xué)蘇州附屬初級(jí)中學(xué)，江蘇蘇州 215021；2.蘇州市教育科學(xué)研究院，江蘇蘇州 251000）

1 問題的提出

初中物理跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生將物理、數(shù)學(xué)、語(yǔ)文等知識(shí)與方法應(yīng)用于生活實(shí)際、工程實(shí)踐、社會(huì)發(fā)展等問題，具有綜合性、實(shí)踐性和開放性等特征，提升學(xué)生分析與綜合的能力，發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用的能力.20世紀(jì)50年代美國(guó)科學(xué)教育學(xué)者最早提出STEM 教育，并得到其他國(guó)家科學(xué)教育者的普遍認(rèn)同，認(rèn)為提高國(guó)民的科學(xué)素養(yǎng)是提升國(guó)家綜合實(shí)力的關(guān)鍵.STEM 是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）4門學(xué)科的簡(jiǎn)稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，能夠?yàn)槌踔形锢砜鐚W(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施和評(píng)價(jià)等方面提供參考，具有良好的借鑒意義.

工程思維是一種系統(tǒng)思維，表現(xiàn)出運(yùn)籌性、決策性、權(quán)衡性、集成性、復(fù)雜性和跨學(xué)科性的特點(diǎn).工程實(shí)踐作為初中物理跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的一個(gè)重要組成部分，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維.基于工程的跨學(xué)科實(shí)踐要求學(xué)生對(duì)多個(gè)學(xué)科知識(shí)體系有高階認(rèn)識(shí)，真正意義上理解基本概念、原理、規(guī)律等構(gòu)成的知識(shí)體系，提煉知識(shí)與技能的精華，遷移知識(shí)與方法應(yīng)用于工程實(shí)踐，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)中問題解決方案的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制作與優(yōu)化等.［1］

本文借鑒STEM 教育的跨學(xué)科融合方式，以“走進(jìn)非遺：自制桿秤”為例，具體闡述基于工程的初中物理跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的實(shí)施，提升學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的操作能力，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力.

2 基于“工程”的STEM 教育

2.1 設(shè)計(jì)思路

研究表明，科—數(shù)整合教育無(wú)需“引進(jìn)”，科—技整合教育有將科學(xué)教育帶上培養(yǎng)“能工巧匠”歧途的風(fēng)險(xiǎn)，科—工整合才是最符合我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)教育發(fā)展需要的STEM 整合類型.［2］工程實(shí)踐在中小學(xué)STEM 教育的本土實(shí)踐過程中體現(xiàn)了重要價(jià)值，其具體設(shè)計(jì)思路主要有3種，分別為應(yīng)用延伸型整合思路、工程框架型整合思路與設(shè)計(jì)即探究型整合思路.結(jié)合3 種整合思路的特點(diǎn)和目前我國(guó)初中物理教學(xué)的實(shí)際，筆者認(rèn)為基于工程實(shí)踐的初中物理跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)可采用應(yīng)用延伸型整合設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)任務(wù)情境中運(yùn)用已學(xué)知識(shí)，通過開發(fā)解決方案、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)合理性、權(quán)衡方案、討論修正等過程發(fā)展工程設(shè)計(jì)能力.

2.2 實(shí)踐過程

美國(guó)STEM 教育研究者AnneJolly 針對(duì)4-8年級(jí)的學(xué)生，將工程設(shè)計(jì)過程描述為8 個(gè)步驟，包括定義問題、背景研究、想象、計(jì)劃、創(chuàng)造、測(cè)試與評(píng)估、重新設(shè)計(jì)、交流，如圖1所示.［3］陜西師范大學(xué)胡衛(wèi)平教授團(tuán)隊(duì)對(duì)實(shí)施中小學(xué)STEAM 課堂教學(xué)提出了基本教學(xué)程序包括：第一，創(chuàng)設(shè)情境；第二，提出問題；第三，自主探究；第四，合作交流；第五，總結(jié)反思；第六，應(yīng)用遷移.［4］

圖1 工程設(shè)計(jì)問題發(fā)現(xiàn)與解決的一般過程

目前，基于工程實(shí)踐的初中物理跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)是學(xué)生在學(xué)習(xí)某主題的內(nèi)容后，整合章節(jié)知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的工程設(shè)計(jì).筆者根據(jù)跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)特點(diǎn)和初中物理教學(xué)的樣態(tài)，設(shè)計(jì)了活動(dòng)的一般過程，如圖2所示.主要采用作品制作的形式，根據(jù)學(xué)生的學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)、認(rèn)知水平等背景研究，確定工程實(shí)踐的問題，以物理學(xué)科知識(shí)整合為主導(dǎo)，其他相關(guān)學(xué)科知識(shí)應(yīng)用為輔.方案設(shè)計(jì)過程包括功能定位、材料選取、草圖設(shè)計(jì)等.功能測(cè)試與優(yōu)化改進(jìn)是一個(gè)迭代循環(huán)的過程，對(duì)產(chǎn)品不斷地完善修正，以達(dá)到產(chǎn)品要求.整個(gè)過程是一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，學(xué)生在展示作品與交流反思環(huán)節(jié)，對(duì)知識(shí)應(yīng)用有了新的認(rèn)識(shí)，通過師生的互動(dòng)評(píng)價(jià)，學(xué)生產(chǎn)生較強(qiáng)的內(nèi)驅(qū)力，促進(jìn)綜合素質(zhì)的提升.在新主題的實(shí)踐活動(dòng)選題時(shí)，需要關(guān)注學(xué)生的主觀能動(dòng)性，以此確定問題的復(fù)雜程度.

圖2 基于工程的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的一般過程

3 基于工程的跨學(xué)科實(shí)踐的教學(xué)實(shí)施

3.1 工程設(shè)計(jì)，繪制草圖解構(gòu)物理模型

通過非物質(zhì)文化遺產(chǎn)桿秤的介紹，學(xué)生發(fā)表對(duì)桿秤的認(rèn)識(shí)，對(duì)桿秤概貌有初步的了解.引導(dǎo)學(xué)生繪制桿秤的草圖，從而深入把握桿秤的整體構(gòu)造.利用磁吸式掛圖板畫呈現(xiàn)桿秤，拆解桿秤的各個(gè)組成部分.學(xué)生回顧簡(jiǎn)單機(jī)械的相關(guān)知識(shí)，使用杠桿模型解構(gòu)桿秤是省力杠桿，標(biāo)出杠桿的五要素.學(xué)生修正完善草圖的設(shè)計(jì)，討論各個(gè)部件的器材選取.教師展示相關(guān)的實(shí)驗(yàn)器材，分別為火鍋筷子（長(zhǎng)約45cm）、秤盤、棉線、秤砣、鉛筆、刻度尺、鉤碼等，如圖3所示.學(xué)生進(jìn)一步謀劃制作步驟如固定提紐、安裝秤盤、標(biāo)注刻度等，思考可能存在的問題，經(jīng)歷工程設(shè)計(jì)的過程，為桿秤的組裝奠定基礎(chǔ).

圖3

3.2 模型應(yīng)用，方案設(shè)計(jì)緊扣學(xué)生認(rèn)知

在組裝桿秤的過程中，存在兩種設(shè)計(jì)方案.一種是先安裝秤盤后固定提紐.用棉線在火鍋筷子粗的一端附近安裝秤盤，再利用棉線制成提紐，左右移動(dòng)棉線在杠桿上某個(gè)位置固定作為支點(diǎn)，可以使杠桿在水平位置平衡，如圖4.該方案中O點(diǎn)為支點(diǎn)，秤盤和杠桿作為整體已平衡，從而O點(diǎn)即為桿秤的零刻度線.在后面標(biāo)刻度環(huán)節(jié)，學(xué)生利用杠桿原理F1L1=F2L2即可推導(dǎo)得出桿秤的刻度分布是均勻的.另一種是先固定提紐后安裝秤盤.用棉線制成提紐，在杠桿粗的一端附近加以固定，后用棉線安裝秤盤，掛上秤砣，左右移動(dòng)使杠桿在水平位置平衡，此時(shí)秤砣所掛的位置即為零刻度線，圖5中B處為該桿秤的零刻度線.

圖4

圖5

兩種方案的設(shè)計(jì)均考慮桿秤的測(cè)量作用，是對(duì)杠桿模型的靈活應(yīng)用.前一種方案對(duì)學(xué)生的認(rèn)知水平要求較低，但與桿秤的實(shí)際制作流程存在差異；后一種方案要求學(xué)生具備一定的應(yīng)用數(shù)學(xué)解決物理問題的能力，符合常見桿秤制作的一般化流程.教師可根據(jù)授課學(xué)生的特點(diǎn)，自主選擇方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，筆者在實(shí)踐過程中針對(duì)方案二開展教學(xué)嘗試.此外，桿秤的組裝步驟較為復(fù)雜，可以采用小組合作與教師指導(dǎo)相結(jié)合的方法，如固定提紐和秤盤時(shí)要求同學(xué)會(huì)打結(jié)，秤盤被掛起時(shí)應(yīng)處于水平等，促進(jìn)小組同學(xué)積極思考，探索解決方案，發(fā)揮小組合作的重要性.

3.3 數(shù)學(xué)解釋，問題解決發(fā)展高階思維

圖6

3.4 測(cè)試優(yōu)化，實(shí)踐應(yīng)用弘揚(yáng)工匠精神

學(xué)生使用制作的桿秤稱量蘋果的質(zhì)量，測(cè)試桿秤的稱量效果.再用電子秤測(cè)出蘋果的實(shí)際質(zhì)量，兩者比較后發(fā)現(xiàn)，存在一定測(cè)量誤差.要求學(xué)生提高桿秤的精確度，由于桿秤的刻度均分分布，現(xiàn)在桿秤的分度值為50g，可將相鄰刻度繼續(xù)等分10份，分度值變?yōu)?g；若再等分成10份，分度值變?yōu)?.5g，更加精確.但隨之而來(lái)的問題是相鄰刻度的間隔特別小，標(biāo)刻度比較困難.教師提出問題：如何增大相鄰刻度間的距離？可以通過換小的秤砣來(lái)實(shí)現(xiàn).播放非物質(zhì)文化遺產(chǎn)中的桿秤制作工藝的視頻，它由十余道工序構(gòu)成，做法講究，工藝精細(xì)，測(cè)量精確.圖片展示教材中動(dòng)物園的工作人員利用一根桿子稱出了一頭大象的質(zhì)量，要求學(xué)生用手上的桿秤也稱量大象的質(zhì)量.通過巨大的反差對(duì)比，學(xué)生討論增大桿秤量程的方法.教師補(bǔ)充古代勞動(dòng)人民就利用這些方法，包括增大秤砣的質(zhì)量、減小提紐與秤盤的距離、增大桿秤的長(zhǎng)度等，制作出各種不同規(guī)格的桿秤，以滿足不同領(lǐng)域的需求.實(shí)物展示量程分別為5斤、60斤、100斤的桿秤，上面兩個(gè)提紐是通過改變支點(diǎn)的位置來(lái)改變量程，比較秤砣的大小以及秤桿的長(zhǎng)短.學(xué)生深刻感受桿秤制作技藝傳承人完美地詮釋了工匠精神，對(duì)桿秤的質(zhì)量有著精益求精的品質(zhì)追求.

3.5 文化引領(lǐng)，內(nèi)涵解讀傳承優(yōu)秀文化

桿秤已有2000多年的歷史，它的發(fā)明與改進(jìn)匯集了勞動(dòng)人民的智慧.在生產(chǎn)、生活的廣泛應(yīng)用中，也對(duì)桿秤賦予了文化內(nèi)涵.播放微視頻桿秤的發(fā)展簡(jiǎn)史，桿秤起源于楚國(guó)，相傳是范蠡發(fā)明的，他受桔槔在井中取水的啟發(fā)，觀察到桔槔上的石塊上下移動(dòng)打水，制成了桿秤.結(jié)合教材中桿秤的圖片，介紹桿秤的文化內(nèi)涵.秤的桿叫衡，砣最早是環(huán)狀的叫權(quán)，所以才有權(quán)衡之說(shuō).早期一斤是16兩，有種說(shuō)法叫半斤八兩，表示差不多，彼此一樣，不相上下.1959年后為了與國(guó)際接軌，才把一斤改成10兩.桿秤還有許多美好的寓意在里面，比如結(jié)婚時(shí)用秤挑紅蓋頭，寓意著稱心如意.中華傳統(tǒng)優(yōu)秀文化融入跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生探索鉆研的精神，產(chǎn)生強(qiáng)烈的民族認(rèn)同感與國(guó)家自豪感.

4 開展跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的教學(xué)思考

4.1 跨學(xué)科實(shí)踐主題的選定取決于學(xué)生的認(rèn)知水平

學(xué)生的認(rèn)知水平直接影響跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的效果，主題的選定既要關(guān)注學(xué)生已有的知識(shí)儲(chǔ)備，特別是除本學(xué)科外的內(nèi)容掌握情況，還要熟悉學(xué)生的技能水平，包括數(shù)據(jù)處理能力、推理演繹能力以及動(dòng)手操作能力.跨學(xué)科實(shí)踐主題的選定可以依據(jù)教材中實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)置，如制作一個(gè)醫(yī)用冷藏盒、制作簡(jiǎn)易密度計(jì)等.教師也可借助生活中的器材，自主開展主題活動(dòng)，如制作一個(gè)水動(dòng)力小車、制作一個(gè)電磁玩具等.實(shí)踐主題能夠體現(xiàn)工程實(shí)踐的綜合性，問題解決過程的開放性，提升學(xué)生的實(shí)踐素養(yǎng).

4.2 跨學(xué)科知識(shí)的整合應(yīng)用根植于真實(shí)的問題情境

跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)是將多個(gè)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行有機(jī)整合，并將其應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、作品制作、優(yōu)化改進(jìn)等各個(gè)環(huán)節(jié)，以提升作品的科學(xué)性、實(shí)用性、精確度和美觀度等.在該過程中學(xué)生遇到各種真實(shí)的問題，對(duì)多學(xué)科的知識(shí)進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)換解決問題.部分問題學(xué)生小組內(nèi)自主合作解決，還有部分問題班級(jí)同學(xué)共同討論解決方法，對(duì)于挑戰(zhàn)性的問題需要教師的引導(dǎo)幫助.從而，跨學(xué)科知識(shí)的整合應(yīng)用不是將多個(gè)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合，而是根植于真實(shí)的問題情境，從而提升學(xué)生的分析與綜合能力，培養(yǎng)發(fā)散性思維能力.

4.3 跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的實(shí)施融合于學(xué)科的專業(yè)特色

跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)立足于具體的學(xué)科教學(xué)，以本學(xué)科知識(shí)應(yīng)用為主體，滲透相關(guān)學(xué)科知識(shí)，彰顯本學(xué)科的專業(yè)特色.物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)以實(shí)驗(yàn)引領(lǐng)學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)，以思維進(jìn)階驅(qū)動(dòng)學(xué)生解決問題，能夠有效發(fā)揮實(shí)踐活動(dòng)的教育價(jià)值.學(xué)生在跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)中，既可遷移應(yīng)用本學(xué)科知識(shí)、方法，促進(jìn)對(duì)本學(xué)科概念、規(guī)律的掌握，還能促進(jìn)相關(guān)學(xué)科內(nèi)容的統(tǒng)整.基于工程的跨學(xué)科實(shí)踐可以通過設(shè)計(jì)真實(shí)問題解決，利用自然、控制自然和創(chuàng)造人工自然，增加人類的物質(zhì)財(cái)富.教師把跨學(xué)科實(shí)踐作為一種教學(xué)方式滲透于課程的始終，增加學(xué)生跨學(xué)科實(shí)踐的體驗(yàn)，進(jìn)一步推動(dòng)創(chuàng)新人才的培養(yǎng).