韓思思 楊 杰

（1.首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院，北京 100048；2.北京師范大學(xué)教育科學(xué)研究院，北京 100875；3.華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》于2022年4月正式頒布，為了體現(xiàn)物理學(xué)與日常生活、工程實(shí)踐、社會(huì)發(fā)展等方面的聯(lián)系，將“跨學(xué)科實(shí)踐”作為義務(wù)教育物理課程內(nèi)容的五個(gè)一級(jí)主題之一.［1］“物理學(xué)與工程實(shí)踐”是跨學(xué)科實(shí)踐的重要內(nèi)容，要求學(xué)生通過(guò)了解技術(shù)與工程的應(yīng)用案例、從事工程實(shí)踐活動(dòng)，發(fā)展跨學(xué)科運(yùn)用知識(shí)分析和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)積極認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度和樂(lè)于實(shí)踐、敢于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度.［1］這標(biāo)志著技術(shù)與工程已經(jīng)正式進(jìn)入初中物理課程，探索物理學(xué)與工程的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施成為了初中物理教學(xué)的重要議題.

物理學(xué)與工程的跨學(xué)科實(shí)踐具有跨學(xué)科性和實(shí)踐性特點(diǎn)，并應(yīng)立足物理本學(xué)科提升核心素養(yǎng).要仔細(xì)和全面考慮物理學(xué)和工程的有機(jī)結(jié)合點(diǎn)，探索物理與工程整合的方法和路徑，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project based learning）有望提供指導(dǎo)，成為理論依據(jù).項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，項(xiàng)目來(lái)源于真實(shí)生活為學(xué)生熟悉，并具有趣味性、復(fù)雜性驅(qū)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí).項(xiàng)目式學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與科學(xué)與工程實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)習(xí)并應(yīng)用多學(xué)科的知識(shí)，設(shè)計(jì)方案或?qū)嵨镒鳛轫?xiàng)目產(chǎn)品.國(guó)內(nèi)外研究表明項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在整合不同學(xué)科內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展上具有極大優(yōu)勢(shì).［2－4］可見(jiàn)，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵和特點(diǎn)與物理學(xué)與工程的跨學(xué)科實(shí)踐的要求相契合，能夠指導(dǎo)物理與工程跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施.故本文將其選作理論依據(jù)，提出基于項(xiàng)目的初中物理與工程跨學(xué)科實(shí)踐，并據(jù)此圍繞初中浮力開(kāi)發(fā)了“制作潛水艇模型”項(xiàng)目.

1 基于項(xiàng)目的物理與工程的跨學(xué)科實(shí)踐

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)起源于20世紀(jì)初，于20世紀(jì)90年代在科學(xué)教育領(lǐng)域得到快速發(fā)展.它以建構(gòu)主義、情境學(xué)習(xí)、社會(huì)交互和認(rèn)知工具為理論基礎(chǔ)，具有以下特征：［5］（1）學(xué)生通過(guò)解決驅(qū)動(dòng)問(wèn)題逐步完成學(xué)習(xí)目標(biāo)；（2）學(xué)生要提出問(wèn)題的解決方案；（3）學(xué)生要使用科學(xué)實(shí)踐探索現(xiàn)象；（4）學(xué)生要進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作；（5）學(xué)生使用學(xué)習(xí)支架（如教學(xué)材料、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)等）來(lái)輔助學(xué)習(xí)；（6）學(xué)生要制作出項(xiàng)目產(chǎn)品.

依據(jù)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)特征，以核心素養(yǎng)發(fā)展為最高目標(biāo)，既立足物理學(xué)科同時(shí)跨出物理學(xué)科關(guān)照工程，本研究提出基于項(xiàng)目的初中物理與工程跨學(xué)科實(shí)踐：開(kāi)發(fā)具有跨學(xué)科性質(zhì)和實(shí)際生活價(jià)值的項(xiàng)目，圍繞項(xiàng)目規(guī)劃、問(wèn)題解決、展示評(píng)價(jià)3個(gè)階段組織設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，支持學(xué)生開(kāi)展小組合作學(xué)習(xí)、參與科學(xué)與工程實(shí)踐活動(dòng)、學(xué)習(xí)并應(yīng)用物理原理，以制作實(shí)物模型等物化成果作為學(xué)習(xí)結(jié)束的標(biāo)志.這與我國(guó)義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)情境化教學(xué)、突出問(wèn)題教學(xué)、注重“做中學(xué)”“用中學(xué)”的要求吻合，并且側(cè)重體現(xiàn)了物理學(xué)與工程的聯(lián)系.

首先，建議挖掘我國(guó)初中物理課程現(xiàn)行各版本教材中存在的大量?jī)?yōu)秀的、經(jīng)典的、適宜學(xué)生發(fā)展的教學(xué)資源，將這些資源進(jìn)一步設(shè)計(jì)和打造成為物理與工程的跨學(xué)科實(shí)踐項(xiàng)目.第二，按照項(xiàng)目規(guī)劃—問(wèn)題解決—展示評(píng)價(jià)3個(gè)階段加以整體貫通地組織教學(xué)活動(dòng).具體來(lái)說(shuō)，規(guī)劃階段指學(xué)生對(duì)真實(shí)的需求進(jìn)行解讀和分析來(lái)定義簡(jiǎn)單工程問(wèn)題，確定項(xiàng)目產(chǎn)品應(yīng)該滿足的標(biāo)準(zhǔn)和受到的約束，從整體上規(guī)劃項(xiàng)目以持續(xù)驅(qū)動(dòng)后續(xù)學(xué)習(xí)；問(wèn)題解決階段中，學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展和項(xiàng)目推進(jìn)兩線并行，［6］一方面經(jīng)歷探究和參與實(shí)踐、學(xué)習(xí)并應(yīng)用科學(xué)原理，既完成項(xiàng)目更達(dá)成發(fā)展目標(biāo)，另一方面提出問(wèn)題解決方案或設(shè)計(jì)制作實(shí)物模型；展示評(píng)階段指學(xué)生展示問(wèn)題解決方案或簡(jiǎn)單實(shí)物模型，師生或生生討論以對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià).第2階段和第3階段依據(jù)需要可以循環(huán)往復(fù)、迭代深化.最后，值得注意的是，跨學(xué)科實(shí)踐要發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科運(yùn)用知識(shí)分析和解決問(wèn)題的能力，因超越特定學(xué)科內(nèi)容和問(wèn)題解決活動(dòng)的系統(tǒng)性、復(fù)雜性，其教學(xué)存在一定難度.為此，學(xué)生在學(xué)習(xí)支架的支持下以小組合作的形式展開(kāi).

2 “制作潛水艇模型項(xiàng)目”的教學(xué)過(guò)程

本研究依據(jù)人教版初中物理教材第10章第3節(jié)“潛水艇”設(shè)計(jì)“制作潛水艇模型”項(xiàng)目，從項(xiàng)目規(guī)劃、問(wèn)題解決、成果展示評(píng)價(jià)3個(gè)階段設(shè)計(jì)了教學(xué)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物理學(xué)和工程的融合，有效發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng).限于篇幅，本文重點(diǎn)論述如何在不同環(huán)節(jié)支持構(gòu)建物理知識(shí)并結(jié)合工程學(xué)內(nèi)容.

2.1 項(xiàng)目規(guī)劃

制作潛水艇模型項(xiàng)目規(guī)劃包括3個(gè)內(nèi)容：首先創(chuàng)設(shè)情境令學(xué)生產(chǎn)生工程需求以驅(qū)動(dòng)物理學(xué)習(xí)，接著明確驅(qū)動(dòng)問(wèn)題并感受工程實(shí)踐中標(biāo)準(zhǔn)和約束條件的作用，最后，拆解項(xiàng)目獲得完成項(xiàng)目的若干明確、具體任務(wù)，體會(huì)工程的系統(tǒng)性和復(fù)雜性.

2.1.1 創(chuàng)設(shè)情境，以工程需求驅(qū)動(dòng)物理學(xué)習(xí)

教師展示潛水艇浮出水面的視頻，同時(shí)提出問(wèn)題：是否想擁有一艘屬于自己的潛水艇？由此引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生自制潛水艇模型的想法，明確要完成的項(xiàng)目是制作潛水艇模型.

創(chuàng)設(shè)這一情境從客觀上形成了從事物理學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐的需要.并且，自制潛水艇模型對(duì)初中生來(lái)說(shuō)有一定的新奇性和趣味性，能夠激發(fā)他們的興趣，提升學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，更重要的是它具有復(fù)雜性和教育性，能夠有效貫穿和驅(qū)動(dòng)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí).

2.1.2 明確問(wèn)題，體會(huì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和約束條件的作用

教師提示學(xué)生完成項(xiàng)目首先需要有明確的問(wèn)題，由此學(xué)生確定驅(qū)動(dòng)問(wèn)題為“如何制作潛水艇模型？”.為讓學(xué)生體會(huì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和約束條件在實(shí)踐中的作用，教師組織學(xué)生討論，確定潛水艇模型驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)包含哪些內(nèi)容，例如能夠在水中隨意地沉浮；明確現(xiàn)實(shí)情況所帶來(lái)的約束條件，例如只能使用周圍常見(jiàn)的材料.最后，教師清晰地為學(xué)生指出驗(yàn)收產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)實(shí)的約束條件確保項(xiàng)目能順利完成.

科學(xué)探究中明確的問(wèn)題對(duì)于引導(dǎo)后續(xù)的探究和實(shí)踐至關(guān)重要，學(xué)生通過(guò)明確研究問(wèn)題實(shí)現(xiàn)從提出需求到解決問(wèn)題的過(guò)渡.而產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和約束條件在工程中具有重要意義和價(jià)值.學(xué)生通過(guò)討論明確了潛艇的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)踐的終點(diǎn)有了清晰的認(rèn)識(shí)；確定了限制條件，對(duì)未來(lái)實(shí)踐中可能存在的困難和約束有了基本預(yù)設(shè).對(duì)二者的整體考慮，一方面有助于學(xué)生后續(xù)能夠成功完成項(xiàng)目，另一方面支持學(xué)生達(dá)成物理學(xué)和工程的發(fā)展目標(biāo).

2.1.3 拆解項(xiàng)目，體會(huì)工程的系統(tǒng)性和復(fù)雜性

因?yàn)轫?xiàng)目比較復(fù)雜無(wú)法一步完成，師生討論需要經(jīng)歷哪些步驟才能完成項(xiàng)目.學(xué)生組成實(shí)踐小組，在組內(nèi)充分討論后進(jìn)行全班交流.面對(duì)學(xué)生眾多零散的想法，教師引導(dǎo)學(xué)生尋找這些想法中的共性，將它們進(jìn)行歸納，最終得到3個(gè)具體的步驟：探究物體沉浮的原因、設(shè)計(jì)潛水艇模型、制作潛水艇模型.

對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行理解、拆分的過(guò)程有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)到真實(shí)工程問(wèn)題的系統(tǒng)性和復(fù)雜性，同時(shí)能鍛煉學(xué)生歸納概括的科學(xué)方法、培養(yǎng)他們?cè)O(shè)計(jì)初步方案以解決問(wèn)題的能力.

2.2 問(wèn)題解決

經(jīng)歷項(xiàng)目規(guī)劃，學(xué)生明確了后續(xù)學(xué)習(xí)任務(wù)，進(jìn)入到問(wèn)題解決環(huán)節(jié).這一環(huán)節(jié)依據(jù)上述3個(gè)步驟確定相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù).

2.2.1 學(xué)習(xí)任務(wù)1：探究物體沉浮的原因，掌握物理原理提升探究能力

基于設(shè)計(jì)潛水艇模型這一目的，教師提示學(xué)生探明物體沉浮的原因是知識(shí)基礎(chǔ)，這提供了潛水艇模型設(shè)計(jì)的原理依據(jù).接著，學(xué)生進(jìn)行小組討論，從重力與浮力的大小關(guān)系來(lái)說(shuō)明物體在液體中沉浮的原因.進(jìn)一步，教師提示學(xué)生通過(guò)改變浮力來(lái)控制物體的沉浮.由此學(xué)生展開(kāi)實(shí)驗(yàn)探究，在學(xué)案和資料卡的幫助下分組活動(dòng)，尋求浮力的大小跟排開(kāi)液體所受重力的關(guān)系.并且，學(xué)生將探究成果聯(lián)系到潛水艇，理解潛水艇中設(shè)有水箱，通過(guò)調(diào)節(jié)水箱中的儲(chǔ)水量改變潛水艇所受的重力，從而實(shí)現(xiàn)潛水艇的上浮、下潛和懸浮.

該學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)，目的是令學(xué)生通過(guò)理論分析掌握物體的沉浮條件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)阿基米德原理.任務(wù)完成過(guò)程鍛煉學(xué)生獲取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、解釋數(shù)據(jù)的能力.阿基米德原理的探究是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，因此導(dǎo)學(xué)案和資料卡發(fā)揮了學(xué)習(xí)支架的作用，為學(xué)生順利完成探究提供支持，如圖1所示.

圖1 導(dǎo)學(xué)案和資料卡示例（截?。?/p>

2.2.2 學(xué)習(xí)任務(wù)2：設(shè)計(jì)潛水艇模型，應(yīng)用物理原理發(fā)展工程設(shè)計(jì)能力

這一任務(wù)要求學(xué)生設(shè)計(jì)潛水艇模型的藍(lán)圖.教師提示學(xué)生繪制藍(lán)圖可以先從模仿開(kāi)始.因此學(xué)生不僅通過(guò)閱讀資料卡了解潛水艇的結(jié)構(gòu)，掌握潛水艇沉浮的原理，并且在組內(nèi)討論魚(yú)在水中的沉浮、熱氣球的升降等現(xiàn)象，仿照這些現(xiàn)象畫出符合需求和限制條件的設(shè)計(jì)圖.例如，設(shè)計(jì)圖中包括使用礦泉水瓶作為潛水艇外殼，內(nèi)部具有和外部連接的氣球作為水箱，以控制潛水艇內(nèi)部的水量，當(dāng)氣球膨脹則排出潛水艇內(nèi)的水，反之則增加潛水艇內(nèi)的水.最后，學(xué)生對(duì)于初步設(shè)計(jì)的藍(lán)圖還知道后續(xù)需利用物體的沉浮條件和阿基米德原理對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)和修正.例如，調(diào)整和控制潛水艇自重及氣球注入空氣的量以成功實(shí)現(xiàn)模型的上浮、下潛和懸浮.該過(guò)程支持學(xué)生深度理解并應(yīng)用任務(wù)1中所學(xué)內(nèi)容.

這一任務(wù)中，學(xué)生通過(guò)模仿已有物體沉浮的現(xiàn)象設(shè)計(jì)潛水艇模型，既認(rèn)識(shí)到物體沉浮條件在生活中的應(yīng)用，也提升了根據(jù)實(shí)際需求提出發(fā)明方案的能力.同時(shí)，繪制設(shè)計(jì)圖的活動(dòng)增強(qiáng)學(xué)生掌握運(yùn)用圖像表征、表達(dá)設(shè)計(jì)思路的能力.通過(guò)應(yīng)用所學(xué)的科學(xué)原理設(shè)計(jì)模型，學(xué)生進(jìn)一步深化概念理解和應(yīng)用.

2.2.3 學(xué)習(xí)任務(wù)3：制作和優(yōu)化潛水艇模型，提升工程物化的能力

學(xué)生依據(jù)約束條件選取廢舊材料來(lái)制作潛水艇模型，增進(jìn)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的意識(shí).學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)圖制作潛水艇模型，過(guò)程中注意模型必須符合產(chǎn)品驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn).為此，學(xué)生對(duì)潛水艇模型進(jìn)行試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)效果和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn).如，以廢棄塑料瓶為潛水艇，內(nèi)部通過(guò)鐵絲或者曲別針等固定放置氣球，并且氣球和來(lái)自輸液管前的細(xì)長(zhǎng)軟管連接，連接處使用熱熔膠增加氣密性，細(xì)長(zhǎng)軟管另一端連接大注射器提供足夠、穩(wěn)定輸送的氣體.為了試驗(yàn)還要準(zhǔn)備水槽和注射器.為潛水艇增加粘黏的飾品既增加自重也作為裝飾.

制作潛水艇模型這一任務(wù)，極大地提升學(xué)生使用工具和常見(jiàn)材料制作實(shí)物模型的能力.工程學(xué)注重從需求層面迭代優(yōu)化，這一點(diǎn)應(yīng)用在此任務(wù)中，有助于塑造學(xué)生根據(jù)證據(jù)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和約束條件，進(jìn)行有依據(jù)的推理思考方式，并極大地深化物理知識(shí)的學(xué)習(xí)，尤其令學(xué)生感受物理知識(shí)的實(shí)用性，從而熱愛(ài)物理學(xué)習(xí).該任務(wù)還提倡利用生活中的廢舊材料，向?qū)W生滲透保護(hù)環(huán)境、廢物再利用的價(jià)值觀.

2.3 展示評(píng)價(jià)

項(xiàng)目展示評(píng)價(jià)既包括小組為單位的學(xué)生展示模型也包括小組間的互評(píng).

2.3.1 展示項(xiàng)目，強(qiáng)化物理概念理解發(fā)展交流和論證的能力

學(xué)生以小組為單位，進(jìn)行全班展示，從結(jié)構(gòu)、原理、選材、效果等方面對(duì)制作的潛水艇模型進(jìn)行介紹.介紹結(jié)束，教學(xué)設(shè)置有答疑解惑環(huán)節(jié)，即展示小組對(duì)其他同學(xué)的困惑加以回答，遭遇他人質(zhì)疑時(shí)，要基于證據(jù)進(jìn)行論證來(lái)堅(jiān)持或者修正自己的觀點(diǎn).

全面匯報(bào)展示項(xiàng)目成果，驅(qū)動(dòng)學(xué)生梳理整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，深化浮力相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)成果，提升了基于證據(jù)進(jìn)行交流和論證的能力，體會(huì)科學(xué)、技術(shù)與工程的聯(lián)系.整個(gè)過(guò)程中不論是小組內(nèi)的合作準(zhǔn)備還是小組間質(zhì)疑反駁，都令學(xué)生感受同行評(píng)議、團(tuán)體交流的重要意義.

2.3.2 項(xiàng)目評(píng)價(jià)，切換視角深化認(rèn)識(shí)

展示過(guò)程中，未進(jìn)行匯報(bào)的小組需要使用評(píng)價(jià)量表（如表1所示），從“產(chǎn)品設(shè)計(jì)”（如產(chǎn)品的科學(xué)性）和“展示匯報(bào)”（如語(yǔ)言的流暢性）兩個(gè)方面總計(jì)10個(gè)指標(biāo)對(duì)展示小組進(jìn)行評(píng)價(jià)并陳述理由.

表1 評(píng)價(jià)量表（示例）

這一項(xiàng)目評(píng)價(jià)活動(dòng)，旨在借助互相評(píng)價(jià)激勵(lì)學(xué)生參與到學(xué)習(xí)中來(lái)，讓他們從被評(píng)價(jià)者轉(zhuǎn)變?yōu)樵u(píng)價(jià)者，幫助他們以不一樣的視角來(lái)審視所經(jīng)歷的跨學(xué)科實(shí)踐學(xué)習(xí).學(xué)生采用評(píng)價(jià)量表中的指標(biāo)來(lái)判斷其他小組的優(yōu)點(diǎn)和不足，同時(shí)反思自己小組的學(xué)習(xí)過(guò)程和結(jié)果.這有助于學(xué)生深化對(duì)知識(shí)原理、科學(xué)探究、科學(xué)思維、實(shí)踐活動(dòng)的本質(zhì)認(rèn)識(shí).

3 結(jié)語(yǔ)

整合與發(fā)展的教育理念倡導(dǎo)加強(qiáng)學(xué)科間相互關(guān)聯(lián)，強(qiáng)調(diào)課程綜合化實(shí)施.［7］隨著《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的頒布，探索物理與工程整合的方法和路徑是落實(shí)新課標(biāo)中綜合化實(shí)施的必由之路.本研究提出基于項(xiàng)目的初中物理與工程跨學(xué)科實(shí)踐并據(jù)此開(kāi)發(fā)“制作潛水艇模型”案例，是一次努力的嘗試.它提出基于對(duì)現(xiàn)行教材的挖掘，開(kāi)發(fā)體現(xiàn)跨學(xué)科性質(zhì)并具有實(shí)際生活價(jià)值的項(xiàng)目，并且圍繞項(xiàng)目規(guī)劃、問(wèn)題解決、展示評(píng)價(jià)3個(gè)階段設(shè)計(jì)和組織教學(xué)，強(qiáng)調(diào)支持學(xué)生參與科學(xué)與工程實(shí)踐活動(dòng)、在其中學(xué)習(xí)并應(yīng)用物理原理，最終以制作物化成果為學(xué)習(xí)結(jié)束的標(biāo)志.基于項(xiàng)目的初中物理與工程跨學(xué)科實(shí)踐實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)與工程的有效、有機(jī)整合.