基于“項目式”開發的初中物理學科融合作業設計

摘 要：以項目式學習為載體融合多個學科知識的跨學科作業設計，可以從主題選取、實踐路徑、評價、思考等方面進行闡述，通過設計形式多樣、內容豐富、貼近生活、能激發學生探究意識的跨學科作業，讓學生像科學家一樣思考與實踐，從而促進學生核心素養的發展。

關鍵詞：投石機;項目式;跨學科;學科融合;核心素養

“雙減”政策下要求作業“符合年齡特點和學習規律、體現素質教育導向”，鼓勵分層、彈性化、個性化作業設計。“跨學科作業”的功能：對學習資源的一種重新整合，是將新課程理念轉變為一種具體的可操作性的教學舉措[ 1 ]。同時也為學生的核心素養落地提供一片沃土。

如何開發有學科融合的初中物理作業設計呢？基于“項目式學習”的作業設計更加強調學生參與實際操作，培養學生的問題解決能力與創新性思維，增強學生的動手實踐能力，提高學生的團隊合作意識。下面以跨學科作業“炮——投石機”為例來談談基于“項目式”開發的學科融合的初中物理作業設計。從“跨學科作業的主題選取”“跨學科作業的實踐路徑”“跨學科作業的評價”“跨學科作業的思考”這四個方面來闡述。

1 “跨學科作業”的主題選取

跨學科作業的設計基于跨學科實踐的開展，主題的選取要讓學生知其“物”，曉其“理”，還要讓他們聯系實際、學會應用，實現以“用”促“學”、“學”“用”相長。物理的“大單元教學”“項目式學習”可以用跨學科的知識融合滲透。筆者選擇的是與工程實踐相關的素材：“項目式學習——自制并改進投石機”。綜合運用如圖1，

這個項目的總體設計思路：如圖2以“物理學與工程實踐”為主題，以象棋的“炮”與公元2世紀中葉東漢末年官渡之戰為線索認識我國古代武器“砲”，探索中國古人的智慧“投石機”并制作和改進投石機，進而延伸到公元7世紀隋唐時期火藥的發明改變世界的格局，終結了冷兵器征服的軍事模式，了解現代武器“炮”的進化發展。

2 “跨學科作業”的實踐路徑

（1）作業設計基于從“砲”到“炮”的變化如圖3。馬走日、炮翻山，炮是象棋中唯一可以越子的棋種，可見其原型攻擊力之強大。象棋在戰國之前就已出現，而火藥發明于隋唐時期，炮的發明還要更晚，故而象棋中的“炮”并非今日的火炮，正確的寫法應為“砲”，即投石機。該作業從體育運動象棋切入，追溯其歷史，發現了其中“砲”的秘密。投石機在先秦時期已得到廣泛應用，攻擊力強、威力驚人[ 2 ]。本題意圖讓學生自己設計投石機、探索投石機的秘密——杠桿定理。首先，先讓學生學習杠桿原理，認識動力、阻力、動力臂、阻力臂，畫出設計圖紙。接著，讓學生動手制作投石機。通過計算得出至少要裝多少塊小石頭才能使大石頭被拋出，思考讓投石機拋出更重的石頭的方法，再對自制投石機進行改良完善。有助于培養學生的動手能力、創新能力，發展學生的核心素養，將體育、歷史、勞技、語文、數學、化學與物理學科相融合，使知識點融會貫通，實現五育并舉。讓學生感受中國古代科技到現代科技的飛躍發展，也能增強學生的文化自信、激發學生的社會責任感和民族自豪感。

作業特點：以“杠桿原理”為核心，將“炮”在歷史中的演變作為主線。通過學生的自主查閱資料、思考計算，動手實踐，培養了其自主獲取知識的能力以及對具體物理問題的分析與解決的能力。

（2）作業形式從“項目化學習”開展，設置五個任務如圖4。根據任務需要設計了三個部分作業分別是課前作業、課中作業、課后拓展作業。

（3）具體作業內容。

第一部分：課前作業。

①查找資料了解“象棋比賽中，為什么炮翻山，炮是象棋中唯一可以越子的棋種？”

這題的設計意圖是：中國象棋是中華優秀傳統文化的一部分，反映著我國古人的智慧。從體育運動象棋切入，探索古人的智慧和歷史的變遷，為學習本節課“投石機——杠桿原理”做好鋪墊。

②查找資料了解“曹操的官渡之戰”。

這題的設計意圖是：根據歷史文獻比如《孫臏兵法》《范蠡兵法》《墨子·備城門》和考古發現，投石機最早出現在中國的春秋戰國時期。它是古代戰爭的重要武器之一。追溯歷史，在東漢末年的三大戰役之一的官渡之戰中，曹操面臨袁紹的箭雨危險，處于劣勢，為改變局勢，他采用劉曄的計策，命士兵推著拋石機向袁紹的塔樓發射石頭，打破袁紹的防御，實現以弱勝強，成功扭轉頹勢[ 3 ]。由此歷史故事學生可感受到投石機的強大攻擊力，讓學生從對歷史的感性認識了解物理學的應用。

這兩題對應學科有：體育、歷史、語文、物理。

第二部分：課中作業。

項目式學習用五個任務驅動。

任務一：觀看各類投石機的圖片如圖5，總結投石機的結構特點。觀察發現投石機與杠桿有關。

任務二：投石機運用了杠桿原理，當敵方軍隊駛近時，鋪天蓋地的巨石從天而降，將其砸得粉碎。請你試著在圖6上畫出動力與阻力，并標出動力臂與阻力臂。這題設計意圖：介紹杠桿原理，通過作圖題進行練習，檢測學生對于動力臂、阻力臂、動力、阻力知識點的掌握程度，為后續進行投石機設計奠定知識基礎。

任務三：利用身邊容易找到的物品：雪糕棒、橡皮筋、塑料瓶蓋、熱熔膠槍、投射物（小紙團）制作一個簡易投石機如圖7。這題設計意圖：利用杠桿原理制作投石機，為我國古代科技發明自豪，體會物理學對工程實踐和社會發展的影響。并且在這個簡單的投石機模型制作過程中，還有學生的展示活動，不僅能夠幫助學生深化對杠桿原理知識的理解，同時也培養他們團隊協作能力、問題解決能力、實踐操作能力以及創新思維。

任務四：古代投石機，如圖5a。其可轉化為如圖8a所示的模型。設所要投出的石頭重心在A點，籃子重心在B點。計算題：

①如圖8 b，OA長5 m，OB長1 m，投石機高OC長3 m。當所要投出的石頭質量為2 kg時，要使其能飛出，B處的籃子中至少要裝多少塊小石頭？（一塊小石頭的質量為0.8 kg）。

②若想要使更重的石頭被投出，除了增加籃子中小石頭的個數，還有什么方法呢？這題設計意圖：創設情境，思考利用投石機作戰需要準備多少石頭。計算過程需用數學的勾股定理知識，體現了物理與數學學科的融合。鍛煉學生數學建模、運用杠桿原理解題應用的能力。

③改進投石機，思考讓投石機省力的辦法。根據所學的知識讓學生對自制投石機進行改良完善，學生根據所學知識可以回答：可以增加杠桿的長度或移動支點的位置使之遠離B點，增長動力臂長度。變成省力杠桿如圖8 b。

第三部分：課后拓展作業。

①如何改進投石機使之射程更遠？學生會想到利用彈性繩，形變程度大，彈力大，射程更遠，和古人的智慧不謀而合，古人發明了“三弓弩”它是中國古代的一種大型弩炮，主要用于戰爭中的遠程攻擊，如圖9。查找資料發現，南宋的三弓弩炮，最大射程約1500 m，是普通投石機的3-5倍。此題的設計意圖：在課后讓學生利用彈力知識再次改進投石機，增大其射程，實現遠程攻擊。

②了解投石機的前世今生：隨著技術發展，火藥開始被應用到武器中。在我國古代13世紀，就有許多關于火炮的記載。與傳統的投石機相比，火炮具有射程遠、威力大、機動性強的優點，如圖10。

a. 查閱資料，簡述中國古代火炮的工作原理及能量來源。

b.如果你穿越回古代，要使這種火炮射程更遠，可以從哪些方面進行改進？

c.查閱資料，了解現代大炮的種類及功能。

本題設計意圖：將火炮作為拓展知識引入，反映了我國古代攻城武器的發展進步，同時也考察了學生通過查閱資料自主獲取知識的能力以及對具體物理問題的分析與解決的能力。火藥的發明使火器具有更高的射程和殺傷力，逐漸取代了傳統的投石（機）弩。根據所學的知識讓學生對自制投石機進行改良完善，可以由此發展到現代的“炮”的變化并可以從化學的角度結合燃料知識進行分析。這樣的設計：讓學生查找資料了解從使用冷兵器時代到使用火器階段的過渡，中國古代發明火藥推進世界歷史發展進程。中國古代火藥是利用硝石、硫磺、焦炭在一定條件下進行化學反應，發生爆炸為原理制成。宋朝火藥武器的出現導致宋朝戰爭方式發生了變革，13世紀火藥是由商人經印度傳入阿拉伯國家的。火藥武器通過戰爭傳到阿拉伯國家。公元1260年元世祖的軍隊在與敘利亞作戰中被擊潰，阿拉伯人繳獲了火箭、毒火罐、火炮、震天雷等火藥武器，從而掌握火藥武器的制造和使用。在與阿拉伯國家的戰爭中，歐洲人逐步掌握了制造火藥和火藥兵器的技術[ 6 ] 。“炮的前世今生”這樣的課后作業設計，不僅能夠滿足學生對物理的學習需求，還能激發學生的愛國主義情懷。知道落后就要挨打，認識到學習的重要性，堅定學生的學習信念實現中華民族偉大復興的使命擔當，珍惜現在來之不易的美好時代，激發學生熱愛黨、熱愛祖國的情感[ 7 ]。更能夠提升學生的綜合素養，為培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人奠定基礎[ 8 ]。

3 “跨學科作業”的評價

《義務教育物理課程標準（2022版）》跨學科實踐活動評價目的是確保學生能夠真正掌握和應用所學的知識。要關注學生的學習情況，比如他們是否能夠獨立完成各項任務，是否能夠靈活運用所學知識解決實際問題。所以在項目化制作“投石機”的過程制定如表1評價標準。評價學生提出問題能力、創新思維、自我表達和展示能力、溝通和協調能力、收集和處理信息能力、綜合解決實際問題能力、動手實踐的操作能力以及團隊合作的能力。

4 “跨學科作業”的思考

物理學科的跨學科作業設計是一種輔助教學的策略，仍然不能離開物理觀念，以解決物理相關的問題為出發點，在解決問題的同時運用多個學科知識，這就需要教師具有跨學科的知識和能力。以《義務教育物理課程標準2022年版》為依據，選擇具有綜合性、實踐性的課題。合理制定跨學科實踐方案。以問題的解決過程為線索設計方案，將跨學科實踐的課題分解為若干驅動性任務，也就是設計“項目式”開發的學科融合的初中物理作業設計，設置的任務由淺入深，依據解決問題的梯度設置課前（預習作業），這個作業可以是調查、實驗、制作、觀察等可操作的家庭作業，通過作業引導學生了解課程所需要的知識、方法、設備。其次課中作業，這個作業需要按照課堂的教學任務，細化作業，在完成這個作業時，需要合理分組，使學生能取長補短、共同完成課堂活動。若“項目式學習”的跨學科作業設計，一般有設計作品或者制作模型、填寫報告等活動成果的呈現，需要設計好評價標準，鼓勵學生小組討論、合作、組員之間互評、小組與小組之間組評、自己對自己的自評，發現不足，檢閱成果，促進自身的發展。最后是課后作業，這個作業以拓展延伸，打開學生的視野，從多角度觀察、思考、分析問題。

總而言之，基于“項目式”開發的學科融合的初中物理作業設計，要從生產生活的實際情境出發，設計出形式多樣、內容豐富、貼近生活、能激發學生探究意識的跨學科作業。讓學生體驗嘗試成功、探索與發現的快樂，做學習的主人。設計跨學科作業時，應定期進行反思和評估，看看是否達到預期的效果，哪些地方做得好，哪些地方需要改進，以便不斷優化作業設計。在完成跨學科作業后，應鼓勵學生進行成果展示，這樣既可以檢驗學生的學習效果，也可以很好地調動學生學習的積極性，培養學習興趣。跨科學和實踐相結合，讓學生像科學家一樣思考與實踐，發展學生的核心素養。

參考文獻：

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[4] 王兆春.中國的兵器[M].北京：中國國際廣播出版社，2010：84.

[5] 指文烽火工作室.中國古代實戰兵器圖鑒一部兵器發展史[M].長春：吉林文史出版社，2018：218.

[6] 中國古代科技館_中國科普博覽：火藥的對外傳播[EB/OL]. [2024-1-25].http：//www.kepu.com.cn/gb/technology/ancientech/ancientech_gunpowder/200312300082.html.

[7] 楊丁晨，王修齊，彭朝陽.中國古代物理學史在初中物理教學中的教育意義及現狀研究[J].中學物理，2023，41（20）：62-65.

[8] 王銳鵬.核心素養時代的教師教研轉型[J].中小學教師培訓，2019（4）：26-32.