指向工程思維培養(yǎng)的跨學科實踐活動的設計

肖 晨

(蘇州工業(yè)園區(qū)星洋學校,江蘇 蘇州 215101)

《義務教育物理課程標準(2022年版)》新增“跨學科實踐”一級主題,倡導在發(fā)揮各學科獨特育人功能的基礎上,充分發(fā)揮跨學科綜合育人功能,開展跨學科主題教育教學活動,將相關學科的教育內容有機整合,提高學生綜合分析問題、解決問題能力.工程思維是指人們在工程活動及工程研究過程中形成的獨特的思維方式.它是以人工造物為著眼點,著力于構建應然而未然的理想化人工系統(tǒng)的一種思維方式,涵蓋或兼容了科學思維與技術思維的內容,是面向并解決更為復雜的工程問題的一種高階思維.[1]

本文以“自制水動力小車”為例,具體闡述指向工程思維培養(yǎng)的跨學科實踐活動的過程設計與教學實施,提升學生動手實踐的操作能力,培養(yǎng)學生的問題解決能力和實踐創(chuàng)新能力.

1 指向工程思維的跨學科實踐活動的設計思路

物理是實驗性學科,在項目任務驅動下的學習既符合初中學生的年齡特征,又適合物理的學科特點.在活動中的每一次任務的完成,學生能體驗成功的歡樂,繼而使初學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)的初中物理跨學科實踐活動往往指向學生學習的本質,成為發(fā)展學生跨學科素養(yǎng)最為重要的一種學習模式,如圖1所示.

圖1

2 指向工程思維培養(yǎng)的跨學科實踐活動過程設計

2.1 主題確定,制訂水動力小車的學習目標

水動力小車的學習目標可描述為:學生通過參觀考察、文獻查閱等方式了解我國古代“龍骨水車”,了解水運動具有能量,進而利用水的機械能轉化為讓小車運動的能量從而制作水動力小車;通過科學探究,學習水動力小車涉及的基本原理;通過設計水動力小車的結構、制作小型水動力小車,體會工程設計與制作的過程;能夠運用數(shù)學思維解決真實情境中的計算問題,如表1所示.

表1

2.2 工程設計,明確水動力小車的工作原理

通過教師提供水動力小車的工作要求,學生自主繪制水動力小車的模型.學生課堂展示設計思路,設計水動力小車的工程圖紙,明確各個組成部分的功能,標注了各個環(huán)節(jié)要注意的地方.學生展開了激烈的討論,學生對于設計的水動力小車圖紙中的各個結構進行分解,討論每一個部件的作用,整體把握水動力小車各要素特征.在該過程中,學生交流水動力小車的工作原理,并預設制作過程中可能存在的問題和注意事項.學生認識水動力小車的能量轉化過程,進而為將水能轉化為小車的機械能提供解決思路,進一步思考使小車行駛得更遠的方法,為制作水動力小車奠定基礎.

2.3 實踐規(guī)劃,合作制作水動力小車的模型

學生根據(jù)設計的水動力小車的圖紙結構,規(guī)劃小組成員的任務.首先,分工合作尋找適宜的實驗器材,如生活中方便活動的車輪,比較合適的是光碟;其次,在小車整體支架結構的組裝時,學生普遍存在困難,需要考慮將水能轉換為小車的機械能,學生通常會將水的重力勢能轉化為小車的動能,需要用容器將水舉高進而具有重力勢能.再次,小車各個部分的黏合固定時,需要學生測試黏合劑的性能,并選擇合適的黏合劑,使得支架質量小且牢固,又整體質量較小.此外,教師使用“騰訊會議”“希沃云課堂”等網(wǎng)絡平臺建立線上、線下混合式學習小組,學生通過小組討論,個性化交流等實現(xiàn)小組合作、資源共享.云端一體化物理課堂突破時空限制,引領學生自我導向的個性化學習.學生通過線上、線下融浸式學習方式發(fā)表制作過程中遇到的問題,以圖片、視頻等多媒體資源等形式動態(tài)立體呈現(xiàn)問題,形成生生互動、師生共研、共同探索解決問題的增長型課堂新態(tài)勢,如圖2所示.

圖2

2.4 成品優(yōu)化,迭代完善改進水動力小車

教師引導學生制訂水動力小車的評價標準,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、跑得更快?怎樣去帶動它的一個轉動的軸,讓它軸線可以更長,又不影響使用.基于作品的優(yōu)化設計,培養(yǎng)學生的技術素養(yǎng).學生制作的初步產(chǎn)品中,用ABS棒搭建的小車支架,可能在高度大小上會存在一定的弱勢.如果用其他的支架,相對其他材料支架所承載的水量會比較少,承載能力有限.還有小車轉動軸線長短的設計方式等.依據(jù)評價標準,學生不斷探索優(yōu)化水動力小車的設計,使其逐步完善改進、迭代升級.在優(yōu)化測試過程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐素養(yǎng).

2.5 成品展示,交流反思總結實踐成果

在成品展示環(huán)節(jié),各個小組學生對自制的水動力小車進行微展示,分享制作過程中存在的問題和解決方法,對小車的優(yōu)點進行說明,如圖3～圖5所示.教師組織各小組進行水動力小車測試評比,學生已經(jīng)學習速度、勻速直線運動等相關內容,根據(jù)小車的評價標準,要求學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試要求.以兩個活動設計進行小車的測試,活動1為比距離,在水量相等的情況下,水動力小車運行的距離.學生分析如何最大程度地將水的能量轉化成小車的動能;活動1的完成后,學生思考是否還有其他的方式比較水動力小車的性能?得出還可比較水動力小車的行駛速度,學生進入活動2比速度,通過水動力小車運行的距離和運行的時間來計算平均運行速度,利用數(shù)字軟件直觀呈現(xiàn)各個小組的路程-時間圖像,進一步轉換為速度-時間圖像,突出物理知識在解決實際問題過程中的重要作用.學生在分享展示過程中提高語言表達能力,針對不同的評價目標進行活動設計,培養(yǎng)批判性思維能力,辯證地看待水動力小車的優(yōu)劣程度.

圖3

圖4

圖5

3 基于跨學科的項目化學習的實踐策略

3.1 工程設計,運用專家思維解決問題

素養(yǎng)指向解決現(xiàn)實世界的問題.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)和保持學生解決問題的動機,沒有讓學生經(jīng)歷完整的問題解決過程.學習往往讓學生獲得一種只適用于學校場景的“惰性知識”,而惰性知識無法遷移到未來真實問題的解決中,并阻礙素養(yǎng)的形成.素養(yǎng)導向體現(xiàn)在課堂轉型上,重點就是要從專家結論轉向培養(yǎng)以創(chuàng)新為特征的專家思維.學生在制作水動力小車時,教師引導學生以專家思維解決問題,一是基于網(wǎng)絡資源查閱資料,如小車材料的選取,三角結構的穩(wěn)定性等;二是基于實驗探究得出結論,什么材料制作車輪的可行性分析,水瓶高度確定的科學論證等.

3.2 工程優(yōu)化,凸顯學以致用的實踐范式

雖然內容知識作為知識運用的條件,并不在于強化基于講授法的知識掌握.甚至唯有經(jīng)過思維、探究和知識運用,而獲得知識才具有使用價值,能夠被學習者遷移、有效運用.由此,知識掌握與知識運用間的關系并非先后論,而是以知識運用為循環(huán)中心的互動、轉化關系.在優(yōu)化水動力小車環(huán)節(jié)凸顯用以致學的實踐范式,通過水動力小車作品的評估、展示及比較,分析提升小車行駛距離的方法;通過水輪的結構變化、止水閥的應用、水輪的大小來改變水動力小車的速度.在知識運用、問題解決方面更新了個人經(jīng)驗,獲得了知識.而后在面對下一新的問題情境時,伴隨對知識的運用與問題的解決,進而學習經(jīng)驗與學習結果便超越了知識本身,體現(xiàn)為一種知識、技能與態(tài)度全面獲得提升的綜合體.

3.3 工程評價,強調為學習的評價導向

對水動力小車的評價有效體現(xiàn)了從對學習的評價到為學習的評價觀念的轉變,考量學生能否在一個真實性情境中解決問題,顯然評價是學習的重要組成部分.學生經(jīng)歷評價標準的制訂(比較水動力小車的速度;比較水動力小車行駛的路程)、評價過程的實施、評價結果的呈現(xiàn)等,融合了學生對已有學習內容的整合應用,聚焦真實性情境技術支撐下學生分析綜合能力的培養(yǎng),借助信息化手段分析小車的運動過程,使得知識成為問題解決的工具、交往協(xié)作的媒介,最終目的在于生成自己的思考與理解.