指向工程思維培養(yǎng)的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)

肖 晨

(蘇州工業(yè)園區(qū)星洋學(xué)校,江蘇 蘇州 215101)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》新增“跨學(xué)科實(shí)踐”一級(jí)主題,倡導(dǎo)在發(fā)揮各學(xué)科獨(dú)特育人功能的基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮跨學(xué)科綜合育人功能,開(kāi)展跨學(xué)科主題教育教學(xué)活動(dòng),將相關(guān)學(xué)科的教育內(nèi)容有機(jī)整合,提高學(xué)生綜合分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力.工程思維是指人們?cè)诠こ袒顒?dòng)及工程研究過(guò)程中形成的獨(dú)特的思維方式.它是以人工造物為著眼點(diǎn),著力于構(gòu)建應(yīng)然而未然的理想化人工系統(tǒng)的一種思維方式,涵蓋或兼容了科學(xué)思維與技術(shù)思維的內(nèi)容,是面向并解決更為復(fù)雜的工程問(wèn)題的一種高階思維.[1]

本文以“自制水動(dòng)力小車”為例,具體闡述指向工程思維培養(yǎng)的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的過(guò)程設(shè)計(jì)與教學(xué)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(wèn)題解決能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力.

1 指向工程思維的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)思路

物理是實(shí)驗(yàn)性學(xué)科,在項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的學(xué)習(xí)既符合初中學(xué)生的年齡特征,又適合物理的學(xué)科特點(diǎn).在活動(dòng)中的每一次任務(wù)的完成,學(xué)生能體驗(yàn)成功的歡樂(lè),繼而使初學(xué)物理的興趣能持久地保持及發(fā)展.[2]指向工程思維培養(yǎng)的初中物理跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)往往指向?qū)W生學(xué)習(xí)的本質(zhì),成為發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科素養(yǎng)最為重要的一種學(xué)習(xí)模式,如圖1所示.

圖1

2 指向工程思維培養(yǎng)的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)過(guò)程設(shè)計(jì)

2.1 主題確定,制訂水動(dòng)力小車的學(xué)習(xí)目標(biāo)

水動(dòng)力小車的學(xué)習(xí)目標(biāo)可描述為:學(xué)生通過(guò)參觀考察、文獻(xiàn)查閱等方式了解我國(guó)古代“龍骨水車”,了解水運(yùn)動(dòng)具有能量,進(jìn)而利用水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為讓小車運(yùn)動(dòng)的能量從而制作水動(dòng)力小車;通過(guò)科學(xué)探究,學(xué)習(xí)水動(dòng)力小車涉及的基本原理;通過(guò)設(shè)計(jì)水動(dòng)力小車的結(jié)構(gòu)、制作小型水動(dòng)力小車,體會(huì)工程設(shè)計(jì)與制作的過(guò)程;能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)思維解決真實(shí)情境中的計(jì)算問(wèn)題,如表1所示.

表1

2.2 工程設(shè)計(jì),明確水動(dòng)力小車的工作原理

通過(guò)教師提供水動(dòng)力小車的工作要求,學(xué)生自主繪制水動(dòng)力小車的模型.學(xué)生課堂展示設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)水動(dòng)力小車的工程圖紙,明確各個(gè)組成部分的功能,標(biāo)注了各個(gè)環(huán)節(jié)要注意的地方.學(xué)生展開(kāi)了激烈的討論,學(xué)生對(duì)于設(shè)計(jì)的水動(dòng)力小車圖紙中的各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解,討論每一個(gè)部件的作用,整體把握水動(dòng)力小車各要素特征.在該過(guò)程中,學(xué)生交流水動(dòng)力小車的工作原理,并預(yù)設(shè)制作過(guò)程中可能存在的問(wèn)題和注意事項(xiàng).學(xué)生認(rèn)識(shí)水動(dòng)力小車的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程,進(jìn)而為將水能轉(zhuǎn)化為小車的機(jī)械能提供解決思路,進(jìn)一步思考使小車行駛得更遠(yuǎn)的方法,為制作水動(dòng)力小車奠定基礎(chǔ).

2.3 實(shí)踐規(guī)劃,合作制作水動(dòng)力小車的模型

學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的水動(dòng)力小車的圖紙結(jié)構(gòu),規(guī)劃小組成員的任務(wù).首先,分工合作尋找適宜的實(shí)驗(yàn)器材,如生活中方便活動(dòng)的車輪,比較合適的是光碟;其次,在小車整體支架結(jié)構(gòu)的組裝時(shí),學(xué)生普遍存在困難,需要考慮將水能轉(zhuǎn)換為小車的機(jī)械能,學(xué)生通常會(huì)將水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的動(dòng)能,需要用容器將水舉高進(jìn)而具有重力勢(shì)能.再次,小車各個(gè)部分的黏合固定時(shí),需要學(xué)生測(cè)試黏合劑的性能,并選擇合適的黏合劑,使得支架質(zhì)量小且牢固,又整體質(zhì)量較小.此外,教師使用“騰訊會(huì)議”“希沃云課堂”等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建立線上、線下混合式學(xué)習(xí)小組,學(xué)生通過(guò)小組討論,個(gè)性化交流等實(shí)現(xiàn)小組合作、資源共享.云端一體化物理課堂突破時(shí)空限制,引領(lǐng)學(xué)生自我導(dǎo)向的個(gè)性化學(xué)習(xí).學(xué)生通過(guò)線上、線下融浸式學(xué)習(xí)方式發(fā)表制作過(guò)程中遇到的問(wèn)題,以圖片、視頻等多媒體資源等形式動(dòng)態(tài)立體呈現(xiàn)問(wèn)題,形成生生互動(dòng)、師生共研、共同探索解決問(wèn)題的增長(zhǎng)型課堂新態(tài)勢(shì),如圖2所示.

圖2

2.4 成品優(yōu)化,迭代完善改進(jìn)水動(dòng)力小車

教師引導(dǎo)學(xué)生制訂水動(dòng)力小車的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),積極地探討不斷迭代出新的產(chǎn)品.諸如怎樣正確使用熱熔膠槍?如何保持水車重心穩(wěn),怎樣提高水的高度,如何讓水車跑得更遠(yuǎn)、跑得更快?怎樣去帶動(dòng)它的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸,讓它軸線可以更長(zhǎng),又不影響使用.基于作品的優(yōu)化設(shè)計(jì),培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng).學(xué)生制作的初步產(chǎn)品中,用ABS棒搭建的小車支架,可能在高度大小上會(huì)存在一定的弱勢(shì).如果用其他的支架,相對(duì)其他材料支架所承載的水量會(huì)比較少,承載能力有限.還有小車轉(zhuǎn)動(dòng)軸線長(zhǎng)短的設(shè)計(jì)方式等.依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),學(xué)生不斷探索優(yōu)化水動(dòng)力小車的設(shè)計(jì),使其逐步完善改進(jìn)、迭代升級(jí).在優(yōu)化測(cè)試過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐素養(yǎng).

2.5 成品展示,交流反思總結(jié)實(shí)踐成果

在成品展示環(huán)節(jié),各個(gè)小組學(xué)生對(duì)自制的水動(dòng)力小車進(jìn)行微展示,分享制作過(guò)程中存在的問(wèn)題和解決方法,對(duì)小車的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明,如圖3～圖5所示.教師組織各小組進(jìn)行水動(dòng)力小車測(cè)試評(píng)比,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)速度、勻速直線運(yùn)動(dòng)等相關(guān)內(nèi)容,根據(jù)小車的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),要求學(xué)生在小車的容器中加入100 g的水,在同樣的路面行駛,比較小車行駛的距離,距離越大小車越符合測(cè)試要求.以兩個(gè)活動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行小車的測(cè)試,活動(dòng)1為比距離,在水量相等的情況下,水動(dòng)力小車運(yùn)行的距離.學(xué)生分析如何最大程度地將水的能量轉(zhuǎn)化成小車的動(dòng)能;活動(dòng)1的完成后,學(xué)生思考是否還有其他的方式比較水動(dòng)力小車的性能?得出還可比較水動(dòng)力小車的行駛速度,學(xué)生進(jìn)入活動(dòng)2比速度,通過(guò)水動(dòng)力小車運(yùn)行的距離和運(yùn)行的時(shí)間來(lái)計(jì)算平均運(yùn)行速度,利用數(shù)字軟件直觀呈現(xiàn)各個(gè)小組的路程-時(shí)間圖像,進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為速度-時(shí)間圖像,突出物理知識(shí)在解決實(shí)際問(wèn)題過(guò)程中的重要作用.學(xué)生在分享展示過(guò)程中提高語(yǔ)言表達(dá)能力,針對(duì)不同的評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行活動(dòng)設(shè)計(jì),培養(yǎng)批判性思維能力,辯證地看待水動(dòng)力小車的優(yōu)劣程度.

圖3

圖4

圖5

3 基于跨學(xué)科的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的實(shí)踐策略

3.1 工程設(shè)計(jì),運(yùn)用專家思維解決問(wèn)題

素養(yǎng)指向解決現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題.傳統(tǒng)課堂存在脫離特定情境的現(xiàn)象,割斷了核心素養(yǎng)與事物表征的聯(lián)系,未能激發(fā)和保持學(xué)生解決問(wèn)題的動(dòng)機(jī),沒(méi)有讓學(xué)生經(jīng)歷完整的問(wèn)題解決過(guò)程.學(xué)習(xí)往往讓學(xué)生獲得一種只適用于學(xué)校場(chǎng)景的“惰性知識(shí)”,而惰性知識(shí)無(wú)法遷移到未來(lái)真實(shí)問(wèn)題的解決中,并阻礙素養(yǎng)的形成.素養(yǎng)導(dǎo)向體現(xiàn)在課堂轉(zhuǎn)型上,重點(diǎn)就是要從專家結(jié)論轉(zhuǎn)向培養(yǎng)以創(chuàng)新為特征的專家思維.學(xué)生在制作水動(dòng)力小車時(shí),教師引導(dǎo)學(xué)生以專家思維解決問(wèn)題,一是基于網(wǎng)絡(luò)資源查閱資料,如小車材料的選取,三角結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等;二是基于實(shí)驗(yàn)探究得出結(jié)論,什么材料制作車輪的可行性分析,水瓶高度確定的科學(xué)論證等.

3.2 工程優(yōu)化,凸顯學(xué)以致用的實(shí)踐范式

雖然內(nèi)容知識(shí)作為知識(shí)運(yùn)用的條件,并不在于強(qiáng)化基于講授法的知識(shí)掌握.甚至唯有經(jīng)過(guò)思維、探究和知識(shí)運(yùn)用,而獲得知識(shí)才具有使用價(jià)值,能夠被學(xué)習(xí)者遷移、有效運(yùn)用.由此,知識(shí)掌握與知識(shí)運(yùn)用間的關(guān)系并非先后論,而是以知識(shí)運(yùn)用為循環(huán)中心的互動(dòng)、轉(zhuǎn)化關(guān)系.在優(yōu)化水動(dòng)力小車環(huán)節(jié)凸顯用以致學(xué)的實(shí)踐范式,通過(guò)水動(dòng)力小車作品的評(píng)估、展示及比較,分析提升小車行駛距離的方法;通過(guò)水輪的結(jié)構(gòu)變化、止水閥的應(yīng)用、水輪的大小來(lái)改變水動(dòng)力小車的速度.在知識(shí)運(yùn)用、問(wèn)題解決方面更新了個(gè)人經(jīng)驗(yàn),獲得了知識(shí).而后在面對(duì)下一新的問(wèn)題情境時(shí),伴隨對(duì)知識(shí)的運(yùn)用與問(wèn)題的解決,進(jìn)而學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)與學(xué)習(xí)結(jié)果便超越了知識(shí)本身,體現(xiàn)為一種知識(shí)、技能與態(tài)度全面獲得提升的綜合體.

3.3 工程評(píng)價(jià),強(qiáng)調(diào)為學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)導(dǎo)向

對(duì)水動(dòng)力小車的評(píng)價(jià)有效體現(xiàn)了從對(duì)學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)到為學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)觀念的轉(zhuǎn)變,考量學(xué)生能否在一個(gè)真實(shí)性情境中解決問(wèn)題,顯然評(píng)價(jià)是學(xué)習(xí)的重要組成部分.學(xué)生經(jīng)歷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制訂(比較水動(dòng)力小車的速度;比較水動(dòng)力小車行駛的路程)、評(píng)價(jià)過(guò)程的實(shí)施、評(píng)價(jià)結(jié)果的呈現(xiàn)等,融合了學(xué)生對(duì)已有學(xué)習(xí)內(nèi)容的整合應(yīng)用,聚焦真實(shí)性情境技術(shù)支撐下學(xué)生分析綜合能力的培養(yǎng),借助信息化手段分析小車的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,使得知識(shí)成為問(wèn)題解決的工具、交往協(xié)作的媒介,最終目的在于生成自己的思考與理解.