跨學科項目化學習的設計與教學實施
——以“自制油量表”為例

李 剛

(蘇州市教育科學研究院,江蘇 蘇州 215004)

《義務教育課程方案(2022年版)》在“課程實施”中要求“積極開展主題化、項目式學習等綜合性教學活動,促進學生舉一反三、融會貫通,加強知識間的內在聯系,促進知識結構化”.在“課程內容”中還新增了一級主題“跨學科實踐”,力圖通過學科間的相互作用而生成綜合育人合力,加強學生的實踐性體驗,培養其發現問題、解決問題、建構知識、運用知識的能力.開展跨學科項目化學習,就是在一定時段內參與完成某一任務,完成任務的過程,就是調動原有知識儲備、獲取新知、積累經驗的過程.這樣的學習情境和項目設計,也一定能充分發揮學生的學習主動性和積極性,使質疑、思辨、評價、反思等能力在學科實踐中得到真實有效的培養.

筆者以“自制油量表”為任務開展跨學科項目化學習,引導學生運用浮力、杠桿、變阻器、歐姆定律、一次函數等物理和數學的相關知識進行模型構建,以項目主題及真實性問題鏈,階段性地呈現驅動型問題的認知路徑和結構解析,讓學生在持續性的實踐活動中激發創造性思維,培養學生復雜問題情境下的洞察力,提升學生自主學習的能力.

1 跨學科項目化學習的設計

1.1 跨學科項目化學習的內涵及特征

跨學科項目化學習[1]是指:“為了解決一個真實而復雜的問題,學生學習并創造性地整合不同學科的核心知識和能力,以形成整合性的項目成果和新理解.”首先,跨學科項目化學習是學生圍繞真實的問題,應用相關學科的核心內容開展探究活動,形成對問題的創造性理解并解決問題,像專家一樣實現對已有知識體系的解構與重構,構建反映專家思維的概念地圖.

其次,跨學科項目化學習注重學科間的知識與方法的整合應用,而不僅僅是將多個學科的知識簡單疊加與組合.例如在解決運動學中火車過隧道的相關物理量的計算,雖然會用到語文知識提取有用信息、數學知識加以推導計算,甚至還會用到美術知識畫出運動示意圖.但該過程只是用到了學生已有的語文、數學和美術等相關技能,并沒有對這些學科進行深入的學習和研究,最終產生的成果主要也是體現物理學科知識,所以不屬于跨學科項目化學習.

第三,跨學科項目化學習注重學生的持續探究.一方面是學生學習過程的全程參與,學生經歷項目的設計、實施、評估、反思和修訂等過程,以不同模塊的體驗提升學生的批判思維、工程思維和實踐素養等;另一方面是探究的歷程由課內延伸至課外,通過在課堂的深度參與,幫助學生建立發現問題、分析問題、解決問題和拓展應用等學習機制,進而學生掌握問題解決的一般化方法,遷移應用于生活中實際問題的解決,提升學生的核心素養.

第四,跨學科項目化學習注重物化成果的公開展示,其學習主題大體分為3種類型:[2]以主題引領的探究活動,如從防治噪聲污染出發,研究“比較材料的隔聲性能”的方法,最終可形成不同材料隔聲性能的研究報告;以實際應用的設計類活動,如密度計的制作、簡單電路的設計、設計和制作一個機械模型等,制成相關的模型或作品;以社會考察為主的體驗性活動,如從節能的觀點出發,進行“家庭用電的調查研究”,針對考察內容提出相關建議和解決方法,形成小論文或調查報告.跨學科項目化學習的物化成果體現目標導向問題導向的學習設計,以成果要求引領學生進行學習活動,不斷優化升級物化成果的品質.

1.2 跨學科項目化學習的實踐模式構建

根據蘇州市教科院初中物理育人模式構建項目組倡導的“四輪驅動·評價導航”活動育人專車模型,跨學科項目化學習是基于真實情境和問題的跨學科學習方式,是培養學生綜合素養的重要途徑,也是有效組織開展跨學科實踐活動的重要抓手,如圖1.

圖1 跨學科項目化學習模型

學生經歷項目導入、項目設計、項目實施、項目展示、項目評價的全過程,讓學習真實發生.創設真實的問題情境,激發學生興趣;注重突出問題導向,學生在項目實施過程中,會在項目設計、實施、反思、修正4個環節中循環反復,思維逐步引向深刻,促進深度學習;通過邏輯分析論證,學會知識的融合與遷移,感悟科學本質,提高綜合運用所學的多學科知識來解決實際問題的能力.

2 跨學科項目化學習的教學實施

2.1 創設真實情境,培養模型建構意識

教師呈現真實的問題情境:小明家新買了一輛燃油三輪摩托車,細心的小明觀察了儀表盤,發現它和家里汽車的儀表盤不一樣,只有速度表和轉速表,而缺少了能顯示油箱內油量多少的油量表,如圖2.小明通過上網查閱資料得知,摩托車在行駛過程中,油箱內的油量得不到實時監測,可能遇到突然沒油的情況,此時如果不及時加油,油泵會“裸露”于燃油表面,無法及時散熱導致損壞.

圖2

通過這一真實情境引出驅動任務:自制一只能實時監測油箱內油量的油量表.首先提出問題:油量的變化如何轉化為儀表示數的變化?利用所學的歐姆定律相關知識,學生以電阻的大小變化為突破口,選用電壓表或電流表的示數直觀反映油量的變化,初步具備建構油量表的模型意識.學生設計了電路圖,經過討論發現增加一個定值電阻可以保護電路,提升電路的安全性,如圖3.

圖3

教師實物展示油箱中油浮子,介紹其基本結構和組成部分如圖4.引導學生將油浮子變阻器結構圖與所學的電路設計相結合,應用滑動變阻器、杠桿、浮力和歐姆定律等相關知識,進一步完善油量表的電路設計,如圖5.

圖4

再次展示學生設計的電路圖,如圖6和圖7.經過比較,反思方案設計的合理性,圖6中當油量增大時,電流表的示數也變大,符合生活中產品使用的一般思維邏輯.在分析遴選過程中,培養學生的批判性思維.在具體的實踐活動中加深學生對知識的理解,發展合作能力、實踐能力和創新能力.

圖6

圖7

2.2 實踐優化制作,提升分析論證能力

基于方案的設計和優化,學生使用提供的器材完成油量表電路連接,包括干電池2節、5 Ω和10 Ω定值電阻各1個、開關、油浮子變阻器、導線等.明確活動的任務要求,將油浮子安裝在油泵模型上,并在電流表上標出3條刻度線,分別為油量為零、油量一半和油量加滿.考慮任務設置具有一定的挑戰性,微視頻指導油浮子的安裝,再組織學生小組討論如何確定油量表的零刻度線.在交流過程中,學生達成共識.圖6中當浮子在最低端時,電流表指針對應的刻度線為零刻度線;當浮子在最高點時,電流表指針對應的刻度線為油量滿刻度線.從而為學生的動手操作奠定基礎,合作完成自制油量表.

跨學科項目化學習要求學生親身經歷活動過程,關注證據意識的培養,經由分析論證提升作品的科學性,體現了跨學科項目化學習在化知識為素養方面的重要價值.教師指導各小組完成器材組裝,展示3種典型的安裝方式,每種方式中注意油浮子的位置.圖8中當油量表顯示為0時,油箱內還有油;圖9中當油量表顯示為0時,油箱內剛好沒有油;圖10中當油箱內沒有油時,但油量表會顯示還有油.經過分析學生一致認同圖9的安裝方式.

圖8

圖9

圖10

教師根據實際油量表的設計特點,提出開放性問題.生活中當油量表顯示為0時,你希望油箱內剛好沒有油,車馬上停下來;還是油箱內還有部分油,可以讓車行駛到附近的加油站.學生通過查閱資料,發現真實的油量表當示數為0時,油量內浮子距離油箱底約1 cm高度,這部分燃油余量可供車行駛20公里左右.學生感悟到產品的人性化設計,對所設計的方案再次修正.

教師提供適量水代替油,再用一個裝有龍頭的容器模擬油箱,如圖11.以此來檢測學生自制的油量表的性能.針對測試的現象,學生分析原因,加以修正完善,繼續小組合作完成自制任務.學生循證優化作品的制作,以跨學科項目化學習激發學生強大的學習內驅力,體驗學習過程的趣味性和成就感.

圖11

2.3 公開展示成果,發展高階思維能力

學生小組為單位公開展示自制油量表的項目成果,提升學生的語言表達能力.對照表現性評價量表,如表1.小組介紹油量表的功能,分享制作過程中出現的問題及其解決策略,提出還可進一步改進的地方,其他小組對油量表成品進行評議,為課后升級油量表的制作提供強有力的支撐.

表1 自制油量表表現性評價

學生觀察到部分小組零刻度線和滿刻度線間的跨度大,油量表精確度高.此外還發現所有小組的油量表的刻度分布都是不均勻的.圍繞問題學生展開互動交流,探尋現象背后的原因.學生提出猜想:可能是滑動變阻器的最大阻值很大導致的,也可能是定值電阻的阻值大小不同引起的.當油浮子在最低端時,油量表顯示為0,此時不管接入電路的定值電阻是5 Ω還是10 Ω,對應的電流表示數都很小.當油量滿時,滑動變阻器的阻值為0.由歐姆定律可以估算,電源電壓為3 V,當R0=5 Ω時,I=0.6 A;當R0=10 Ω時,I=0.3 A.所以選擇5 Ω的定值電阻刻度線跨度更大,油量表精確度更高.針對油量表刻度不均勻問題,結合數學中函數的相關知識,得到表達式I=U/(R0+RP),I與RP是反比函數關系,進而證明了油量表的刻度不均勻.學生在展示過程中不斷認識、發展、完善自我,整合科學思維方法、多學科知識,從定性和定量兩個方面進行科學推理、科學論證,發現問題背后的原因,形成有效的問題解決策略.

2.4 評價反思拓展,具身體驗工匠精神

教師提出新的問題,用電流表改裝油量表,無法實現刻度均勻,能否改進電路設計方案實現刻度均勻?學生表示可以用電壓表來自制油量表,根據串聯電路中電壓的特點,電阻越大,其兩端的電壓越大,可將電壓表并聯在滑動變阻器兩端.教師提示由學生改進的電路設計可知,U=IRP,僅當U與RP是正比關系時刻度才是均勻的.要使滑動變阻器滑片移動時,電路中的電流仍然保持不變.電路應該如何設計?學生再次分小組合作,嘗試重新繪制電路,來滿足設計要求,如圖12.在該電路中,移動滑片時電路中電流大小不變,電壓表示數大小與其并聯的電阻大小成正比關系.學生利用器材重新連接電路,標注油量表刻度線,但發現刻度依然不均勻,引起學生的思維沖突,促進學生的深度思考.

圖12

油浮子變阻器阻值大小與油面高度的關系圖像,如圖13.學生找到問題的根源,發現油浮子變阻器阻值大小與油面高度并不是一次函數關系.

圖13

教師實物展示生活中的汽車油箱的截面圖,其上下橫截面積的大小不同,如圖14.為了減小其他零件的影響,許多油箱上下都是不規則的,從而油量的多少與油面高度之間也不是線性關系.學生意識到一個產品的設計、制作、完善、升級和投入使用需要經歷復雜的過程,引導學生大膽質疑,培養學生思維的深刻性和批判性,提升學生的創新能力.

3 跨學科項目化學習的教學思考

3.1 培養學生發散性思維

項目化學習問題驅動時,教師提出沒有油量表,燃油摩托車如何才能知道油箱中究竟剩余多少油呢?何時需要加油?學生發散性思維被打開,有學生提出可以隨車帶一個干凈的小竹棍,經常把小竹棍插入油箱看看油的深度來判斷油的多少,隨后被學生否決.有學生說可以憑經驗,每次騎車之前搖搖車,聽一下汽油的響聲,感覺少了就要加油.還有學生提出,每次加油后將計程表歸零,記下能跑了多少公里.學生的創新想法值得鼓勵.

3.2 促進學生的深度學習

在課堂教學有限的時間內,學生基本完成了自制油量表的設計、制作、檢測和優化等.通過科學推理,學生認為用電壓表改裝油量表可以實現刻度均勻,但實際結果與理論分析存在明顯差異,引發新的探究性問題.活動的重點不是讓學生制作出多么精美的油量表,而是引導學生在真實情境中發現問題,創造性地解決問題,又在解決問題中發現新的問題,這種對問題持續地探索就是學習的本質,提升學生終身學習的能力.

3.3 加強理論和實踐相結合

經過項目化學習的過程,讓師生了解到課堂上學不到的知識.很多三輪摩托車都沒有油量表,但是可以通過油箱開關來掌握剩余油量.油箱加滿油或油多時,把油箱開關扳到主油箱位置,等油少主油箱不出油時,再把油箱開關扳到副油箱位置,這時油箱里還有2升左右的汽油,還能跑幾十公里,及時加油就行了.加油后再把油箱開關扳到主油箱位置,否則如果一直用副油箱,會直到把油都用光了才知道.設計者用這種簡易的方法來省掉了油量表.此外,油箱的形狀設計是根據機械零件的結構及空間布局安排綜合考慮的結果,與我們想象中的式樣大不相同,這種工程思維給師生帶來很多啟示.

3.4 達成作品的升級迭代

學生利用油浮子裝置自制油量表,經歷了項目研究的全程,最終制作完成油量表成品,有效地提升學生的工程思維,培養學生理論與實驗相結合的問題解決策略.跨學科項目化學習將實踐活動由課內延伸至課外,學生帶著問題走出課堂,利用表現性評價驅動學生課后繼續小組合作,通過查閱資料等方式,不斷攻破技術難點,完善油量表的設計方案,讓作品不斷迭代升級.