基于項目學習的物理與工程跨學科教學實踐

《義務教育物理課程標準（2022年版）》明確指出，為了體現物理學與日常生活、工程實踐、社會發展等方面的聯系，將跨學科實踐作為義務教育物理課程內容的五個一級主題之一。物理是自然科學的基礎學科，通過跨學科實踐，能夠幫助學生更直觀地理解物理概念和原理，增強學生對物理學習的興趣和動力。而項目學習是一種任務導向的在做中學的學習模式，適合跨學科式學習。在項目學習過程中，教師將學習目標與任務相結合，指導學生在生活情境中發現問題，提出問題，以小組為單位調查研究信息，再進行討論、設計、改進、實踐。下面，筆者以“設計潛水艇模型”教學為例，談談基于項目學習的物理與工程跨學科教學實踐。

一、教學過程

1.創設情境，驅動學習

教師展示“奮斗者”號潛水艇在海面航行并實現萬米深潛的視頻，提問：“同學們想不想設計一艘潛水艇？”

【設計意圖】調動學生積極性，引導學生萌發做潛水艇設計者的想法，明確本節課的第一個任務是完成設計潛水艇的項目。

2.分解項目，明確目標

師：這是一個復雜的工程，一般工程師在設計前會把項目分解。請小組討論，要完成潛水艇的設計，需要解決哪些具體問題？

學生閱讀海底水壓以及潛水艇承擔軍事任務的相關資料，互相討論并明確：（1）潛水艇外殼選材；（2）如何使潛水艇在水面漂浮；（3）如何使潛水艇在水中上浮、下沉、懸停。

【設計意圖】科學探究前先明確需要解決的問題，這樣能讓后續的研究和實踐更有條理性。拆分項目有助于學生加深對任務的理解，了解一艘合格的潛水艇應滿足的標準，如能抵擋海底的水壓，能自由地在水中實現浮沉，能在水面漂浮航行等，讓學生對本次項目的難點有一定的了解。

3.攻克疑問，得出結論

對于潛水艇的選材，學生通過閱讀資料，考慮到海底的水壓以及海水的腐蝕性，認為需要選擇強度大、耐腐蝕的材料，如鋼鐵、鈦合金等。接著解決核心問題：如何實現浮沉？

師：鋼鐵和鈦合金材料的密度大于水，為什么用其做成的潛水艇可以在海面上漂浮呢？請大家用桌上的金屬片試試，能不能讓它漂浮在水面上。

生1：薄鋁片直接投入水中會下沉，但把薄鋁片做成一個空心的金屬球就可以實現漂浮。潛水艇應該也是做成空腔來實現漂浮的。

師：漂浮的潛水艇又是如何沉入水中并自由地浮沉呢？請小組討論，展開想象，集思廣益，然后把討論后的設計思路畫出來。

小組1：我們小組設計的潛水艇是由鈦合金做成的，底部攜帶密度很大的金屬，比如銅做成的重物，裝上重物以后，重力變大，當重力大于浮力時下沉；當要上浮時就把重物卸下，讓重力變小。

小組2：我們小組的潛水艇帶有一個體積可變的氣倉，要下沉時，抽氣使氣倉體積變小從而使浮力變小；要上浮時，就往氣倉打氣，增大氣倉體積從而使浮力變大。

小組3：我們的設計是在鋼鐵制成的潛水艇上下前后都安裝螺旋槳。因為螺旋槳轉動時對水有向下的推力，而力的作用是相互的，水對螺旋槳有向上的力，當這個力和浮力大于重力時，潛水艇上浮。

小組4：我們想在潛水艇里設計儲水倉，當要下沉時，潛水艇吸入海水，增大重力；當要上浮時，排出海水，減小重力。

師：可見物體的浮沉是由物體的重力和浮力共同決定的。請大家對下沉的潛水艇和上浮的潛水艇進行受力分析。

師生通過受力分析，得出結論：當物體浸沒在液體中，受到的重力大于浮力時，下沉；受到的重力小于浮力時，上浮。

實驗驗證：各小組選擇合適的器材，驗證方案的可行性，觀察并記錄實驗現象。

【設計意圖】學生根據對項目的理解和分析自行設計潛水艇，在小組長的組織下展開討論，解決上浮和下沉的難題，同時教師在課堂中巡回指導，適時關注學生遇到的障礙和錯誤，使學生及時突破瓶頸，修正問題。這一環節，學生在理論分析中得出物體的浮沉條件，避免實驗操作的盲目性和隨意性，為本節課的活動提供了理論依據。

4.自評互評，反饋改進

師：請大家在實驗操作的基礎上，再結合潛水艇資料，進行討論，分析自己組和其他小組方案的優缺點，提出改進措施。

小組1：我們的優點是操作簡便，但卸下的銅塊留在海底不環保，而打撈銅塊再利用也必然要耗費一定的人力物力。

小組2：小組3的設計可以自由地在水面或者水下改變前進方向，這是我們組沒有想到的，但是我們覺得水下深潛時水壓很大，水的阻力也很大，轉動螺旋槳肯定不是輕而易舉的，特別是要上浮時，除了要克服水的阻力，還有整個潛水艇受到的重力，肯定需要很大的動力，要消耗很多能量。而我們組和第四小組的設計在實現上浮時會容易得多。

小組4：我們是通過改變自身重力實現浮沉的，而小組2是通過改變浮力實現浮沉。我們認為我們組的設計應該更好一些，容易形變的材料，像橡皮膜之類的一般強度不夠，而潛水艇是要實現水下作戰的，明顯小組2的設計無法抵抗敵軍的襲擊。但是我們組的設計也有缺陷，無法實現除了豎直方向以外的行進，如果能夠借鑒小組3螺旋槳的設計加以改進會更好。

學生通過閱讀資料，進一步了解潛水艇的結構和軍事作用。教師在評價的基礎上，要求學生再次自主優化潛水艇模型。

師：潛水艇在執行軍事偵察任務或者在海水里進行維修保養時，需要避免外界環境對自身的損害，此時需要潛入水下，并盡可能地保持靜止，以確保任務的順利完成。我們把物體浸沒在液體中并且處于平衡的狀態稱為懸浮。請同學們思考，潛水艇可能會通過什么方法在海水中懸浮？

教師展示懸浮的油滴和小番茄，提示學生分析油滴的受力情況。

生2：可能是通過螺旋槳調節水施加的升力，使潛水艇受到的力平衡來實現的。

生3：應該是改變水倉中儲存的水量，使浮力剛好等于重力。

教師肯定學生的想法并展示潛水艇在水中懸浮的圖片。

【設計意圖】小組自主設計并匯報方案，再由生生交流或師生交流實現方案的優化，學生從被評價者轉為評價者，從不同的視角審視本次所經歷的項目化學習。學生在評價其他小組方案的過程中也能進一步完善自己的設計方案，加深對浮沉知識的理解，學會從多個角度分析問題。

5.工程實踐，能力進階

教師提供廢棄材料：礦泉水瓶、氣球、橡膠管、針筒、熱熔膠槍、鉤碼。先讓學生討論所提供材料的用途，然后設計潛水艇模型，同時巡視，提醒學生模型必須符合驗收標準。

【設計意圖】通過制作潛水艇模型，學生將抽象的概念和原理轉化為具體的、可觀察的形式。在制作過程中，學生需要仔細研究相關物理原理和規律，并思考如何將它們應用到模型中。這種深入的思考和實踐可以加深學生對物理知識的理解，提高他們的分析能力和解決問題的能力，同時激發他們的學習興趣和創造力。

二、教學反思

潛水艇模型設計是一個典型的項目化教學案例。在潛水艇模型設計項目中，學生需要從實際出發，探究浮力、重力、物質物理屬性等相關物理知識，同時需要考慮潛水艇的結構、功能和性能等實際應用需求，通過跨學科實踐探索和思維創新，設計出符合要求的潛水艇模型。本節課體現了項目化教學的目標導向性，注重學生主動學習、探究和實踐，強調學生在實踐中獲取知識和技能，培養了學生解決實際問題的能力。學生在設計過程中亮點頻出，想出多種方法實現潛水艇的浮沉且能主動參與小組學習，可見本次實踐激發了學生的學習興趣和主動性，培養了學生的合作意識。當然，本節課也存在一些不足，如學生組建小組時教師過于放手，沒有對小組成員按照學習能力進行合理調配，使得后續的活動進展遇到了一些障礙；項目設計時應細化評價標準，并讓學生在課前就知曉評價表的內容或參與評價表的制作，這樣更有利于引導學生積極加入課堂，充分發揮評價的功能等。課后訪談得知，大部分學生通過本次項目活動都能體會到物理知識與工程實踐的緊密聯系，能認識到物理知識對社會發展的重要性。當學生親手制作出一個能夠展示物理原理和規律的模型時，他們會感到非常有成就感，同時，在制作過程中，他們還可以發揮想象力和創造力，設計出獨特且富有創意的模型，這也有助于激發學生對物理學的興趣和熱愛，培養他們的創新思維和實踐能力。

（作者單位：江蘇省蘇州市吳江區笠澤實驗中學）