基于項目式學習的跨學科實踐教學案例研究
——以“探究橋梁的科學、人文和藝術之美”為例

李 軍 王較過

(1. 西安市第三十中學,陜西 西安 710004; 2. 陜西師范大學物理學與信息技術學院,陜西 西安 710119)

《義務教育物理課程標準(2022年版)》,首次將“跨學科實踐”作為課程內容的一級主題之一,這是落實物理課程的育人功能的重大改革舉措之一.雖然以往的物理教育工作者對跨學科實踐教學進行了理論研究和實踐探索,并取得了一些研究成果,然而,作為課程內容主題之一的“跨學科實踐”教學與以往自發進行的跨學科教學顯然是不完全相同的.因為“跨學科實踐”作為課程標準規定的內容主題并不是隨意的,它有明確的課程目標、內容要求、學業要求、教學提示等規范要求.[1]因此,初中物理的“跨學科實踐”教學實施必須依據相應的課程標準,符合課程標準的規范.

首次作為課程內容主題的“跨學科實踐”,強化了課程協同育人功能,這對教學一線的物理教師是一個很大的挑戰,如何開展“跨學科實踐”教學是教師面臨的最大困惑.化解困惑除了要深刻理解“跨學科實踐”的內涵,還應該創新教學方式.筆者認為,項目式學習是“跨學科實踐”教學實施的有效教學方式之一.本文以“探究橋梁的科技、人文和藝術之美”為例,基于項目式學習,從項目設計、項目細化、項目實施和評價與反思等方面,對跨學科實踐教學中實施科學、人文和藝術的融合教學做以討論.

1 項目設計

西安自古有八水繞長安之說,橋在西安人的生活中隨處可見,關于橋的實踐教學內容有豐富的資源,例如:有氣勢恢宏的灞渭橋,有詩情畫意的廣運橋,有風情浪漫的鵲橋,有婉約秀麗的虹明橋,這些橋不僅展現了科技文明,蘊含包括物理學在內的科學、技術成果,而且凝結了西安古城深厚的文化和藝術底蘊.因此,橋梁除了方便交通的實用價值,還是人們審美的對象.選取橋梁實施跨學科實踐教學,能夠激發學生的好奇心和求知欲.首先,橋梁貼近學生的日常生活,容易引起情感共鳴;其次,橋梁涉及科學、技術、工程、文化、藝術、交通等多學科知識,有利于形成學生感興趣的真實問題,便于以問題驅動開展項目式學習,實施跨學科實踐教學.

筆者通過與物理、數學、語文、藝術等學科教師討論,將“探究橋梁的科學、人文和藝術之美”作為主題,基于項目式學習實施跨學科實踐教學,讓學生感受科學、人文和藝術的關系.以“如何探索橋梁的科學美、人文美和藝術美?”作為驅動性問題,不僅有利于跨學科,而且有利于引導學生實踐,既能把學科相關知識整合串聯起來,又能夠聚焦于學生核心素養的養成和發展.本項目以4個驅動性任務(探究橋梁的科學美、探究橋梁的人文和藝術美、探究橋梁的工程建造方法和數學美、研究成果展示與交流)引導項目式學習的展開.項目主題與驅動性任務如圖1所示.

圖1 項目主題與驅動性任務

2 項目細化

“探究橋梁的科學、人文和藝術之美”是基于生產生活的跨學科實踐,綜合性是其最本質的特征.依據驅動性任務,我們把項目細化為各有側重的4個方面.

2.1 探究橋梁的科學美

在觀察的基礎上,分析橋梁設計中涉及的物理知識.指導學生設計并制作橋梁模型,運用數字實驗手段探究不同結構的橋梁承重,體會橋梁結構在設計時要遵循的力學原理.了解對力學研究的深入,促進了橋梁設計理念不斷創新的發展歷程,從而感受和發現橋梁外在形式和內在結構蘊含的科學美.

2.2 探究橋梁的人文和藝術美

以西安市昆明湖七夕公園的鵲橋為例,引導學生從外形、色彩、環境和人文4個方面探究橋梁的藝術美和文化美,探討、分析、總結影響橋梁審美的因素,并依據這些因素分組尋找身邊“最美的橋”,體會橋梁的人文美和藝術美.

2.3 探究橋梁的工程建造和數學美

引導學生觀察橋梁的典型設計和形狀,認識橋梁形狀遵循的數學原理,了解橋梁工程建造流程.設計并動手建造簡易木橋,體驗應用三角形結構加固木橋的方法,分析拱橋過船問題,感悟橋梁建造中的數學美.

2.4 研究成果展示與交流

引導學生以短視頻的形式展示橋梁模型的設計理念和制作過程,從科學、人文和藝術的角度闡述自己對橋梁的審美感受,體現跨學科的理念.教師指導學生依據量表進行自評和互評.

本項目實施安排4個課時,涉及的學科知識、內容要求和學業要求如表1所示.

表1 學科知識、內容要求和學業要求

3 項目實施

項目實施過程可以劃分為查閱資料、主題教學、應用和實踐3個環節.[2]在查閱資料環節,教師引導學生明確主題內容和預期成果,組織學生成立項目學習小組,通過實地考察拍照、上網搜索瀏覽、查閱相關書籍和交流討論等多種方式收集橋梁資料.在應用和實踐環節,學生通過制作手抄報、短視頻、模型以及撰寫科技小論文和繪畫等多種形式呈現研究成果.

3.1 探究橋梁的科學美

任務1: 從力學視角認識橋梁的結構美.

活動1: 組織學生觀察在生活環境中拍攝的各種式樣的橋,啟發引導他們認識橋梁設計既要滿足跨越障礙的功能,又要與文化和環境相協調.因此,橋梁的美要從科學、人文和藝術等多角度欣賞.科學美的表現之一就在于橋梁結構遵循的力學原理,基于此提出驅動性問題.

驅動性問題1: 橋梁按照結構形式可分為哪些類型?

驅動性問題2: 橋梁承重或橋面受到壓力會產生哪些效果?

驅動性問題3: 不同結構的橋梁受力特點是什么?

教師展示幾種典型的橋梁模型,演示說明各自的受力特點,引導學生對橋梁結構進行簡單的受力分析.教師展示自制典型橋梁模型如圖2所示.

圖2 自制典型橋梁模型

教學提示: 在項目式學習中,教師作為協助者,要有預見性地為學生提供及時的學習支架.[3]應用力學知識分析具體問題一直是物理教學的難點,需要結合學生的已有經驗和認知水平設計多種學習活動,為學生思維的發展搭好腳手架.例如,引導學生觀察典型橋梁模型的結構特點,分析橋梁承重或橋體受壓情況,用紙板做成平面橋、凸面橋和凹面橋,進行承壓實驗,讓學生解釋力作用在橋體上產生的不同效果,培養學生科學思維能力.

任務2: 應用力傳感器測量自制紙橋能承受的最大壓力.

活動2:教師簡單介紹紙橋的制作方法,引導學生觀察、了解準備好的朗威無線數據采集器和力傳感器,明確實驗的目的是應用力傳感器測量紙橋承受的最大壓力,提出驅動性問題啟發學生思考.

驅動性問題1: 如何使用朗威無線數據采集器和力傳感器測量壓力?

驅動性問題2: 如何制作簡單的紙橋?采用哪些措施可以增強紙橋的穩固性?

驅動性問題3: 如何測量紙橋的承壓大小?

學生針對問題設計實驗方案,制作紙橋、測量紙橋承受的最大壓力.學生操作情況如圖3所示.

圖3 學生操作情況圖

教學提示: 教師提前準備好A4紙、膠帶、無線數據采集器和力傳感器.多數學生在小學科學課上有過做紙橋承重實驗的經歷,因而實驗側重于了解數字化實驗的應用,激發學生進行科學探究的興趣.實施時要求學生思考和設計實驗方案,撰寫簡單的實驗報告,這樣能夠矯正學生“玩”的心態,培養嚴謹認真、實事求是的科學態度.

任務3: 展示自制紙橋,對探究過程和結果進行交流討論.

活動3: 學生分組展示交流紙橋制作,從橋梁設計及其特點、測量結果、得出的結論、知識應用方面進行交流和反思,教師引導學生思考驅動性問題.

驅動性問題1: 設計時,你是如何提高橋梁穩定性的?

驅動性問題2: 實驗測量結果是否達到了設計要求?存在的問題及其原因?

驅動性問題3: 你認為物理知識在橋梁設計中的應用體現在哪些方面?說一說你對物理美的認識.

教學提示: 組織學生在組間對實驗過程和實驗結果進行評估與交流,培養學生交流合作、評估反思的能力,激發學生參與探究活動的積極性和主動性,引導學生思考對物理美的認識,體會物理學對人類生活、工程實踐和社會發展的意義.

3.2 探究橋梁的人文藝術美

活動4:師生交流橋梁的相關資料,了解橋梁設計在考慮方便人們出行的同時,也承載了城市文化與藝術發展的成就.欣賞詩句“你在橋上看風景/看風景的人在樓上看你/明月裝飾了你的窗子/你裝飾了別人的夢”,啟發學生思考如何欣賞橋梁的美?然后以西安昆明池七夕公園的鵲橋為例,引導學生具體分析.

驅動性問題1: 如何認識鵲橋的外在美、品味橋梁的底蘊文化美?

驅動性問題2: 通過探究活動,你體會到橋梁的人文美和藝術美表現在哪些方面?

驅動性問題3: 如果請你設計一座橋,你會如何兼顧它的功能、外觀與周圍環境的關系?

教師引導學生從4個方面探究橋梁的外在美、文化美,如圖4所示.分組討論“尋找自己認為最美的橋”,并說明理由.

圖4 橋梁的外在美

教學提示:對人文和藝術美的探究,設計閱讀、討論、探究、演講、寫作等多種學習活動,引導學生學習發現、思考和探究問題的思路和方法,鼓勵學生借助現代信息技術,自主收集和利用學習資源,基于證據論證自己的觀點.[4]在課前鼓勵學生通過實地訪談、從互聯網上收集整理資料等形式,感受橋梁本身就是生活美的一部分.在探究活動中,通過師生討論,完成表2,再思考和運用這些觀點分組尋找身邊最美的橋,體會這種美是功能美、形式美和環境協調美的融合.

表2 橋梁審美的因素

3.3 探究橋梁的工程建造與數學美

活動5:師生觀察橋梁圖片,簡單介紹橋梁建造的流程,畫出其中的拱形和三角形,認識這些形狀遵循的數學原理,認識比例與尺寸在橋梁設計中的應用,討論三角形的穩定性和拱橋過船問題在橋梁建筑中的應用,認識建筑之美與數學密不可分,感受橋梁建造的數學美.

驅動性問題1: 如何應用三角形的穩定性增強橋體的承重能力?

驅動性問題2: 制作拱橋時如何設計拱寬和拱高?

驅動性問題3: 如何認識橋梁建造中的數學美?

小組合作開展實踐探索,用木棍搭建簡易橋梁,應用三角形穩定性加固橋梁,小組分享展示.

教學提示:對數學美的探究,要以問題解決為導向,讓學生感悟如何從數學的角度發現問題和提出問題,感受數學與科學、藝術的融合.[5]教學中應用數學知識分析橋梁結構中的幾何形狀,了解黃金比例方法在橋梁設計中的應用,培養學生“學會用數學的眼光觀察現實世界”的核心素養.

3.4 研究成果展示與交流

活動6:應用如表3所示的評價量表,引導學生展示、交流和評價項目實施過程及其成果.

表3 評價量表

各小組提前制作短視頻展示成果,展示時結合評價量表要求做補充說明.各小組依據量表對展示評分,并提出建議.

教學提示:制訂評價量表,可以幫助學生積極主動地對學習成果進行評價并提出改進建議.用短視頻展示學生參與活動過程,提高了學生的活動效率和學習興趣.例如學生的短視頻作品《紙溝橋》,從作品名稱“紙”和“溝”的由來講起,展示了橋梁設計的科學性和藝術特點,同時還呈現了組員間相互合作,共同完成活動的過程.從作品中不難看出,跨學科實踐是學生跨學科應用知識、發展和形成分析解決問題的綜合能力以及動手操作的實踐能力的有效載體,其教學是培養物理核心素養的重要途徑之一.

4 評價與反思

實施跨學科實踐教學應準確把握學生對相關學科知識的現有水平和潛在的發展水平,設計合理的教學方案,以提高學生參與學習活動的能力.[6]設計學習評價量表,可以幫助教師及時了解學生的實際學習狀況,協調好教師指導與學生自主學習的關系.例如,在成果展示交流環節,我們依據學業質量標準,結合學生的行為表現,設計了跨學科實踐評價量表,從語言表述、過程展示和小組合作3個方面制訂評價標準,將學生的行為表現劃分為優秀、良好和發展等級.根據觀察和記錄,了解學生的實際需求、生成性問題和典型行為表現,引導學生對照評價量表進行自評和同伴互評,將“教—學—評”較好地銜接起來.

以“探究橋梁的科學、人文和藝術之美”為主題實施跨學科實踐教學,可以讓學生感悟到“現代科學技術為藝術發展提供了豐富的創意和表現手段,藝術的發展也為科學技術的進步從想象、和諧、美感等方面提供了創意”.[7]學生對參與跨學科學習表現出了極大的興趣,并且能夠有深度、有見解地發表自己的觀點,能夠有創意地合作完成作品,學生在活動中的表現往往超過了教師的預期.

實施跨學科實踐教學教師不但要把握好跨學科實踐在物理課程中的定位,而且要有更加寬闊的視野,除了具備扎實的物理教學功底,也要提高自身的人文和藝術素養,還要善于在教學中應用信息技術、創新教學方式和提高教學效率,以適應培養學生發展核心素養的需要.