遞進型:物理與工程跨學科項目化學習實踐
——以制作“港珠澳大橋”橋梁模型項目為例

蔡 雨 馬 玲 馬曉波 羅小成

(1. 寧夏大學物理學院,寧夏 銀川 750021; 2. 內江師范學院物理與電子信息工程學院,四川 內江 641000)

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》地方和學校實施本課程的建議欄目中指出“為促進學生物理學科核心素養的發展,課程學習中要倡導基于項目的學習或整合學習等方法,促進學生基于真實情境下學科和跨學科問題解決能力的發展,促進學生素養的發展”.[1]新課標強調學生跨學科問題解決能力的培養,提倡以項目式學習促進學生跨學科問題解決能力的提升.同時,國內外已有大量研究表明項目化學習在跨學科實踐中具有極大的優勢.[2-4]

“跨學科項目化學習”是跨學科學習和項目化學習的合集,綜合了兩者的關鍵特征,不管是在跨學科學習領域還是在項目化學習領域,跨學科項目化學習都是最具挑戰性的.[5]它擁有跨學科學習和項目化學習的優勢,且更具綜合性、真實性和實踐性.目前關于跨學科項目化學習的研究,主要體現在跨學科項目化學習的課程教學實施策略研究、[3]各學科間跨學科項目化學習的實踐和教學設計研究、[4]跨學科項目化學習的理論研究[5]以及跨學科項目化學習驅動性問題設計的研究[6]等.綜合已有跨學科項目化學習研究,我們發現部分研究存在跨學科項目化學習和學科項目化學習理論混淆以及已有研究在物理與工程跨學科項目化學習領域研究不足等問題.故本文將闡述跨學科項目化學習的內涵與特征,構建物理與工程跨學科項目化學習的實踐路徑,并以“制作港珠澳大橋青州航道橋橋梁模型”(以下簡稱橋梁模型)項目為例進行教學設計來呈現實踐路徑的具體操作流程,以期為物理與工程跨學科項目化學習實踐提供教學參考價值.

1 遞進型跨學科項目化學習

跨學科項目化學習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.[5]跨學科項目化學習強調學科間不可割裂的關系,不是我們普遍提及的“多學科”或學科項目化學習.“多學科”,強調各學科知識間并列學習,學科間存在明顯的界限;學科項目化學習更多時候是以一門學科為主,可能會涉及到其他學科的知識,但其他學科經常是作為輔助.跨學科項目化學習不是為“跨學科”而“跨”,而是因為解決該問題需要整合應用兩門及以上學科的知識和方法,才“跨”.不同于傳統以“知識為中心”的教學,其更強調以“學生綜合能力發展”為中心.而核心素養在國際上也被稱為“21世紀能力”,勞拉·格林斯坦(Laura Greenstein)等提出的21世紀能力矩陣,由3個維度構成,即思維能力、行動能力、生活能力.[7]這3個維度包含了核心素養的重要培養內容,說明跨學科項目化學習在發展學生核心素養方面具有先天優勢.

夏雪梅博士提出關于跨學科項目化學習的3種實踐原型,即組合、遞進、沖突.[5]遞進型跨學科項目化學習指對跨學科問題的拆解不是按照一般意義上的學科項目化學習,而是依照選定跨學科問題的問題解決邏輯來拆解,在拆解跨學科問題過程中,會形成多個子問題,解決每個子問題可能會整合應用到各子學科的知識和方法,但在不同的問題解決階段仍會以某一學科為主,其他學科起輔助作用.此次研究項目“橋梁模型”主要涉及的子學科包括:物理、工程、數學、美術等,我們在拆解這個復雜的真實跨學科問題后,發現所設計的驅動性子問題呈現出一定的邏輯性,且解決問題不同階段會以某一學科為主,因此界定研究項目的實踐原型為遞進型.

2 路徑設計

結合已有研究成果、[3-5,8]美國《新一代科學教育標準》中科學與工程實踐步驟、[9]遞進型跨學科項目化學習特點以及物理和工程學科特點等,設計如圖1所示物理與工程跨學科項目化學習路徑.

圖1 遞進型:物理與工程跨學科項目化學習路徑

路徑具有以下特征:① 選定的跨學科問題一定是具有綜合性、復雜性特征的真實問題,且解決該問題需要將兩門及以上學科的知識和方法進行整合,綜合應用;② 能依據問題邏輯性將跨學科問題拆解為環環緊扣的驅動性子問題,依據解決子問題所需的核心知識可明確學生學習目標,核心知識建議選自于各學科課程標準、教材內容以及學情分析;③ 需要對項目進行深入探索,學生分小組討論確定項目驗收標準,教師收取學生共性建議,由此設定項目驗收標準;④ 需依據學習目標和驗收標準進行項目流程的設計以及明確學生學習任務,學生學習任務應以發展學生核心素養為目標,注重學生綜合能力的提升,跨學科項目化學習的流程一定要清晰化、具體化、實際化,才能凸顯出跨學科項目化學習的優勢;⑤ 跨學科問題會比較復雜且具有一定的難度,建議學生團隊協作完成,也利于培養學生小組分工合作的能力,讓學生敢于在他人面前發表自己的見解和想法;⑥ 項目評價采用多元評價的形式.

3 “橋梁模型”項目的教學設計

3.1 選定跨學科問題

選定“制作港珠澳大橋青州航道橋橋梁模型”為研究項目的跨學科問題.教師可以通過創設物理情境、趣味實驗、生活實際等方式引出跨學科問題,激發學生主動去進行頭腦風暴.教師播放世界上最長跨海大橋“港珠澳大橋”的介紹視頻,然后提出問題:我們有可能還原“港珠澳大橋”橋梁模型嗎?由此激發學生去思考如何制作橋梁模型,并明確項目的目標是完成“港珠澳大橋”橋梁模型的制作.以“港珠澳大橋”工程項目為情境導入,可激發學生的民族自豪感.且“港珠澳大橋”橋梁具有良好的外觀和制作橋梁模型項目的趣味性,可以促使學生對項目產生濃厚的興趣.

3.2 設計驅動性問題

對項目物理學原理和工程技術知識的深入探究是確保學生主動匯聚兩門學科概念來制作橋梁模型的關鍵所在.我們在調查橋梁與隧道工程專業學生的必修課程后,選取《橋梁工程》、[10-11]有關港珠澳大橋青州航道橋設計的文章中相關且適宜的內容作為學生學習支架之一.學習支架特指學生在完成“挑戰性的學習任務”時,在經過努力仍然不能自己解決問題時教師所提供的支持.[12]同時結合物理、數學、美術最新版課程標準以及教材內容,制訂如圖2所示橋梁模型項目的驅動性子問題、核心知識以及學習目標.驅動性子問題的設定需依據項目實際、學生認知發展階段和學生思維水平過渡的循序漸進原則.

圖2 橋梁模型項目的驅動性子問題、核心知識以及學習目標

圖2學習目標中提及橋梁工程的專有名詞和知識學生可以通過查閱教師提供的學習支架進行理解學習.例如,高跨比,指的是索塔高度H與斜拉橋主跨跨徑l2的比值,如圖3所示;主梁全寬與主梁高度比,指的是橋梁主梁全寬B與主梁高度h的比值,如圖4所示;梁高與主跨比,指的是主梁高度h與主跨跨徑l2的比值.

圖3 索塔高度與主跨徑

圖4 主梁全寬與主梁高度

3.3 項目探索

圍繞跨海大橋實際建設中需考慮的關鍵問題:防臺風、防震、防撞和防護以及學生小組討論結果,確定出符合項目實際的驗收標準,如表1所示.設定項目驗收標準有利于學生對項目的認識更加清晰、具體,起到督促學生完成項目的作用.同時學生在此過程中,能體會到工程技術嚴格的標準要求,培養學生嚴謹的科學探究意識.

表1 “制作港珠澳大橋橋梁模型”項目的驗收標準

3.4 項目設計

依據上述學習目標和橋梁模型項目的驗收標準設計項目實施環節,并規劃學生學習任務,明確學生學習任務完成過程中會發展的核心素養,如表2所示.

表2 “制作港珠澳大橋橋梁模型”項目的環節設計

3.5 項目實施

項目實施課時需要根據學生的學習情況和學校教學實際來擬定,建議實施時長為5課時,第1課時,環節①②;第2課時,環節③④;第3課時,環節⑤⑥;第4課時,環節⑦;第5課時,環節⑧⑨.項目實施場所包括:學習交流室、計算機房以及實驗室.項目實施對象可以為高一已學習“相互作用——力”和“動量守恒定律”章節知識的學生或高二學生.

3.5.1 走進“港珠澳大橋”

資源型學習支架:文獻資料(教材、橋梁文章)、互聯網設備、項目化工作單以及橋梁模型制作工具和材料等.港珠澳大橋青州航道橋為雙塔三跨式斜拉橋,橋梁主要結構和制成主要結構的關鍵材料如圖2內容.教師為學生提供合適的學習支架,引導學生使用現代技術設備查閱資料,學會辨別信息,鍛煉批判性思維能力,同時培養學生信息素養.

3.5.2 橋梁物理模型建構和工程設計

學生查閱文獻資料,了解到:港珠澳大橋青州航道橋為混凝土斜拉橋,懸索在空間內布置方式為豎直雙索面,在索面內布置形式為扇形;主梁布置方式為連續體系,以及索塔橫橋向結構形式為橫向“H”形.按照前述“方式和結構形式”繪制橋梁的簡易橋梁模型圖,如圖5所示.

圖5 港珠澳大橋青州航道橋物理模型圖

學生查閱港珠澳大橋青州航道橋高跨比標準范圍和主梁高度與主跨徑、主梁全寬與高度比、主梁全寬與主跨徑比的適宜范圍,具體內容見表1.以此為依據確定材料的長度、寬度、高度、直徑等.根據材料的數字特性以及繪制的模型草圖,學生在計算機房模仿教師繪制簡易CAD圖像,如圖6所示,大致操作流程為:設置圖幅→設置單位及精度→建立圖層→導入線型→設置對象樣式→繪圖→尺寸標注及文字說明.學生在完成任務過程中,以工程設計師的視角去分析、解決問題,嚴格把控模型設計標準,培養學生科學思維和模型建構能力,體會工程師工程設計的過程.

圖6 橋梁模型簡易CAD切面圖

3.5.3 構造解釋和解決方案

學生依據繪制的模型圖和CAD圖,尋找合適的材料來制作橋梁模型.橋梁模型材料:長方體木塊、鐵釘、圓柱體木塊、繩索.港珠澳大橋橋梁主要結構間實際結合或安裝方式如圖2內容.而學生需要進行頭腦風暴,結合生活經驗,思考怎么利用現有的工具完成材料間的組裝.以下組裝方式只是一種教學參考,橋梁模型的制作是一種創造性活動,實際教學過程中學生會產生各種有洞見的想法,教師應盡可能幫助學生實現想法,以此促進學生創造性解決問題能力的發展.最終確定在橋梁模型制作過程中,懸索和索塔直接穿孔連接,懸索和主梁打結的方式連接,效果如圖7所示;主梁間采用嵌合以及釘入鐵釘的方式連接,效果如圖8所示.

圖7 懸索和索塔間連接方式

圖8 主梁間連接方式

護欄的豎直和橫向木塊以釘入鐵釘的方式連接,效果如圖9所示.索塔和橋墩間同樣采用嵌合以及釘入鐵釘的方式連接,效果如圖10所示.橫梁與索塔間采用釘入鐵釘的方式連接,效果如圖11所示.為提高主梁橫向和斜拉橋結構的抗風穩定性,規定橋梁高跨比標準和主梁高度與主跨徑、主梁全寬與高度比、主梁全寬與主跨徑比的適宜范圍.

圖9 護欄豎直和橫向木塊連接方式

圖10 索塔和橋墩間連接方式

圖11 橫梁與索塔間接方式

3.5.4 橋梁模型制作

依據橋梁模型草圖、CAD圖像以及各結構連接方式等,確定材料的數字特性,如圖7～11所示.橋梁模型索塔高度與主跨徑比值約為0.19,主梁高度與主跨徑的比值約為0.01,主梁寬與主梁高的比值約為8.33,主梁寬與主跨徑比值約為0.11,懸索傾角在21～30°范圍內,均符合項目驗收標準.按照各項標準,完成橋梁模型制作,實物圖如圖12所示.

圖12 橋梁模型實物圖

3.5.5 尋找證據論證

圖1中,驅動性子問題8～11設計的目的是使學生深入理解橋梁模型中用到的物理學原理,讓學生經歷從物理學原理的定量探究過程到論證“為何這樣設計橋梁結構”的過程,提升學生科學論證能力.例如子問題8:哪根懸索的拉力最大,為什么這根懸索的拉力最大?學生使用彈簧測力計完成每根懸索拉力的測量,發現跨度最小的懸索拉力最大,然后思考為何這根懸索的拉力最大,這個問題勢必會推動學生對懸索作用于索塔的力進行受力分析,再依據合力大小與分力夾角的關系推導得到該懸索拉力最大,因而在理論推導與實驗探究中生成結論,感受科學家科學探究的一般步驟.

子問題10:將壓力傳感器置于橋墩下,減小主梁的重量,觀察壓力傳感器變化的示數是否等于主梁所減小的重力?該問題是為引導學生主動去探究懸索作用于索塔的合力是否是沿著索塔豎直向下并作用于橋墩.具體操作步驟:將壓力傳感器置于橋墩下,并進行歸零操作,然后在主梁上方放置一個500 g重物,如圖13所示,待壓力傳感器示數穩定后,記錄此時壓力傳感器的示數;再將重物取下,仍然待壓力傳感器示數穩定后,記錄此時壓力傳感器的示數;比較兩次壓力傳感器示數的差值與重物重力大小的關系,可以發現兩者在誤差范圍內數值大小相近,由此說明懸索合力豎直向下作用于橋墩.

圖13 壓力傳感器和重物放置位置

子問題11:選擇什么材料作為防撞材料?結合真實情境:當通航船只意外撞擊橋墩時,橋墩外圍包裹的充水膠囊會吸收部分由于撞擊產生的能量.由于撞擊過程是在短時間內發生的劇烈碰撞,內力遠遠大于外力,所以整個過程滿足動量定理,其表達式為

(1)

其中,I為沖量,F為船只撞擊充水膠囊的平均沖力,m為船只質量,t2、t1為碰撞時間,v1為船只碰撞前的速度,v2為船只碰撞后的速度.

由于船只碰撞后末速度為0,即v2=0,則

F(t2-t1)=-mv1.

(2)

得到

(3)

再根據牛頓第二定律,得到

(4)

從式(3)可以看出,平均沖力等于動量的改變量和作用時間的比值,想要減小平均沖力的大小,即減小碰撞對船只和橋墩帶來的損害,就需要增大作用時間,或使力的作用趨于穩定.作用時間越長,平均沖力就越小,再結合牛頓第二定律,知道通過繪制a-t圖像,同樣可以判斷哪種防撞材料的防撞效果最好.學生完成理論的推導學習后,將依據教師提供的學習支架設計實驗方案.教師為學生提供生活中常見的防撞材料以供參考,例如,水果發泡網套、物流氣泡膜、橡膠等,以及加速度傳感器,數據采集器、朗威實驗系統等數據采集設備.當固定在小車上的加速度傳感器與小車一起加速運動時,數據采集器就可以將數據通過計算機軟件處理后直接得出加速度的值,具體按照下列步驟實施.

① 采用朗威實驗系統的加速度傳感器,使數據采集器連接加速度傳感器和實驗系統,將加速度傳感器插入USB連接器;

② 使用橡皮筋將加速度傳感器固定在小車上;

③ 將小車放置在軌道上,距離橋墩前一段距離,在朗威實驗系統中先點擊“調零”按鈕,再點擊“開始”按鈕,待數據采集器工作穩定后,以同樣的力(采用同一根彈簧,壓縮相同的長度)推動小車,使小車以一定的初速度去撞擊防撞材料,如圖14和15所示,小車撞擊“物流氣泡膜”和“水果發泡網套”的實驗圖景;

圖14 小車撞擊“物流氣泡膜”的實驗圖景

圖15 小車撞擊“水果發泡網套”的實驗圖景

④ 在計算機上可以得到加速度變化曲線,根據a-t圖像,比較平均沖力作用時間,選擇最優的防撞材料,再將選擇好的防撞材料安裝到橋墩上.

分別采集小車撞擊“未加防撞材料”“加物流氣泡膜”和“加水果發泡網套”情況下的a-t圖像,如圖16所示,每組實驗分別完成3次及以上.然后統計3組實驗中平均沖力作用時間Δt,即加速度峰值減小至0的時間間隔,如表3所示,可以明顯地看出,加防撞材料后的防撞效果優于未加防撞材料時,而“物流氣泡膜”的防撞效果優于“水果發泡網套”.

表3 3組實驗平均沖力作用時間數據統計表

圖16 (a)(b)(c)分別為“未加防撞材料”“加物流氣泡膜”“加水果發泡網套”時的a-t圖像

4 跨學科項目化學習教學效果評價

依據學生學習過程中表現以及項目的最終成果,進行跨學科項目化學習綜合評價.表1項目驗收標準中明確指出完成各項任務的分值,包括橋梁穩定性測試、橋梁成本、橋梁模型的標準化程度、跨學科項目化學習工作單、項目成果匯報展示以及試題測試等,來獲得學生學習效果反饋.同時,采用心流體驗(Flow Experience)量表[13]完成學生項目學習后直觀感受的測量,了解學生項目參與的體驗感,反饋項目實施效果.所制訂的習題應緊密圍繞此次項目學習主題,例如圖17所示,結合橋梁模型考查學生是否理解橋梁中的物理學原理.

圖17 橋梁模型項目測試題

5 啟示

物理與工程跨學科項目化學習,不僅強調培養學生綜合能力,落實發展學生核心素養.同時注重激發學生對工程技術的興趣,推動學生在進入高等學校后能青睞于工程技術專業,為國家培養更多工程技術人才.跨學科項目化學習對學生和教師來說都具有挑戰性,但這個挑戰性不是學習內容變難或變復雜,而是因其不同于傳統教育方式,以新穎的教學和學習方式實施教學帶來的挑戰.對教師專業素養要求更高,學生課堂中心體現更加明顯,課堂教學更加靈活,需要教師擁有更加豐富的知識和教學經驗.除此以外,開展跨學科項目化學習可以促使多門學科教師間合作交流,由于跨學科項目化學習周期較長,同時需要教師及時把握學生課堂動向,也為降低項目實施的難度和提升項目實施效果,可選取多學科教師合作的方式實施項目.

從“具身認知”的角度出發,學習情境的創設會對個體在認知過程中的身心參與意愿產生巨大的影響,進而對個體認知的形成產生影響.[14]而學習情境創設中應既包括物化元素也包括文化元素.在開展跨學科項目化學習實踐時,教師提供給學生不能僅是學習支架等支撐工具,還應該考慮到學生所處教學環境對學生認知產生的影響.創設學生視角的“真實情境”以及對教學環境進行調整和布置,可幫助學生在項目學習過程中產生“身臨其境”的感覺.例如此次橋梁模型項目,可以設置情境:如果你是一名橋梁設計師,某天你們團隊接到任務需要去修建一座跨海大橋,你的小組分配到完成“橋梁模型”制作的任務,由于時間緊急,你們需要在十五天時間內完成橋梁模型的制作.同時,適當布置項目實施場所,例如:擺放我國著名橋梁的照片、模型以及相關書籍等.項目實施過程中,學生以橋梁設計師的視角分析真實存在的工程技術問題,主動整合物理與工程學科知識和方法.在定量探究橋梁模型中所含的物理學原理環節,學生以實際問題為導向動手操作分析問題,形成更加深刻的理解,打破學生已有的迷思概念.