基于工程的跨學科實踐
——來自STEM 的啟示

顧 健 李 剛

（1.西安交通大學蘇州附屬初級中學，江蘇蘇州 215021；2.蘇州市教育科學研究院，江蘇蘇州 251000）

1 問題的提出

初中物理跨學科實踐活動引導學生將物理、數學、語文等知識與方法應用于生活實際、工程實踐、社會發展等問題，具有綜合性、實踐性和開放性等特征，提升學生分析與綜合的能力，發展學生跨學科知識應用的能力.20世紀50年代美國科學教育學者最早提出STEM 教育，并得到其他國家科學教育者的普遍認同，認為提高國民的科學素養是提升國家綜合實力的關鍵.STEM 是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）4門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合，能夠為初中物理跨學科實踐活動的設計、實施和評價等方面提供參考，具有良好的借鑒意義.

工程思維是一種系統思維，表現出運籌性、決策性、權衡性、集成性、復雜性和跨學科性的特點.工程實踐作為初中物理跨學科實踐活動的一個重要組成部分，有助于培養學生的工程思維.基于工程的跨學科實踐要求學生對多個學科知識體系有高階認識，真正意義上理解基本概念、原理、規律等構成的知識體系，提煉知識與技能的精華，遷移知識與方法應用于工程實踐，進而實現工程設計中問題解決方案的開發、設計、制作與優化等.［1］

本文借鑒STEM 教育的跨學科融合方式，以“走進非遺：自制桿秤”為例，具體闡述基于工程的初中物理跨學科實踐活動的實施，提升學生動手實踐的操作能力，培養學生的問題解決能力和實踐創新能力.

2 基于“工程”的STEM 教育

2.1 設計思路

研究表明，科—數整合教育無需“引進”，科—技整合教育有將科學教育帶上培養“能工巧匠”歧途的風險，科—工整合才是最符合我國基礎科學教育發展需要的STEM 整合類型.［2］工程實踐在中小學STEM 教育的本土實踐過程中體現了重要價值，其具體設計思路主要有3種，分別為應用延伸型整合思路、工程框架型整合思路與設計即探究型整合思路.結合3 種整合思路的特點和目前我國初中物理教學的實際，筆者認為基于工程實踐的初中物理跨學科實踐活動可采用應用延伸型整合設計，強調在設計任務情境中運用已學知識，通過開發解決方案、檢驗設計合理性、權衡方案、討論修正等過程發展工程設計能力.

2.2 實踐過程

美國STEM 教育研究者AnneJolly 針對4-8年級的學生，將工程設計過程描述為8 個步驟，包括定義問題、背景研究、想象、計劃、創造、測試與評估、重新設計、交流，如圖1所示.［3］陜西師范大學胡衛平教授團隊對實施中小學STEAM 課堂教學提出了基本教學程序包括：第一，創設情境；第二，提出問題；第三，自主探究；第四，合作交流；第五，總結反思；第六，應用遷移.［4］

圖1 工程設計問題發現與解決的一般過程

目前，基于工程實踐的初中物理跨學科實踐活動是學生在學習某主題的內容后，整合章節知識應用于生產生活中的工程設計.筆者根據跨學科實踐活動特點和初中物理教學的樣態，設計了活動的一般過程，如圖2所示.主要采用作品制作的形式，根據學生的學科知識基礎、認知水平等背景研究，確定工程實踐的問題，以物理學科知識整合為主導，其他相關學科知識應用為輔.方案設計過程包括功能定位、材料選取、草圖設計等.功能測試與優化改進是一個迭代循環的過程，對產品不斷地完善修正，以達到產品要求.整個過程是一個循環系統，學生在展示作品與交流反思環節，對知識應用有了新的認識，通過師生的互動評價，學生產生較強的內驅力，促進綜合素質的提升.在新主題的實踐活動選題時，需要關注學生的主觀能動性，以此確定問題的復雜程度.

圖2 基于工程的跨學科實踐活動的一般過程

3 基于工程的跨學科實踐的教學實施

3.1 工程設計，繪制草圖解構物理模型

通過非物質文化遺產桿秤的介紹，學生發表對桿秤的認識，對桿秤概貌有初步的了解.引導學生繪制桿秤的草圖，從而深入把握桿秤的整體構造.利用磁吸式掛圖板畫呈現桿秤，拆解桿秤的各個組成部分.學生回顧簡單機械的相關知識，使用杠桿模型解構桿秤是省力杠桿，標出杠桿的五要素.學生修正完善草圖的設計，討論各個部件的器材選取.教師展示相關的實驗器材，分別為火鍋筷子（長約45cm）、秤盤、棉線、秤砣、鉛筆、刻度尺、鉤碼等，如圖3所示.學生進一步謀劃制作步驟如固定提紐、安裝秤盤、標注刻度等，思考可能存在的問題，經歷工程設計的過程，為桿秤的組裝奠定基礎.

圖3

3.2 模型應用，方案設計緊扣學生認知

在組裝桿秤的過程中，存在兩種設計方案.一種是先安裝秤盤后固定提紐.用棉線在火鍋筷子粗的一端附近安裝秤盤，再利用棉線制成提紐，左右移動棉線在杠桿上某個位置固定作為支點，可以使杠桿在水平位置平衡，如圖4.該方案中O點為支點，秤盤和杠桿作為整體已平衡，從而O點即為桿秤的零刻度線.在后面標刻度環節，學生利用杠桿原理F1L1=F2L2即可推導得出桿秤的刻度分布是均勻的.另一種是先固定提紐后安裝秤盤.用棉線制成提紐，在杠桿粗的一端附近加以固定，后用棉線安裝秤盤，掛上秤砣，左右移動使杠桿在水平位置平衡，此時秤砣所掛的位置即為零刻度線，圖5中B處為該桿秤的零刻度線.

圖4

圖5

兩種方案的設計均考慮桿秤的測量作用，是對杠桿模型的靈活應用.前一種方案對學生的認知水平要求較低，但與桿秤的實際制作流程存在差異；后一種方案要求學生具備一定的應用數學解決物理問題的能力，符合常見桿秤制作的一般化流程.教師可根據授課學生的特點，自主選擇方案進行設計，筆者在實踐過程中針對方案二開展教學嘗試.此外，桿秤的組裝步驟較為復雜，可以采用小組合作與教師指導相結合的方法，如固定提紐和秤盤時要求同學會打結，秤盤被掛起時應處于水平等，促進小組同學積極思考，探索解決方案，發揮小組合作的重要性.

3.3 數學解釋，問題解決發展高階思維

圖6

3.4 測試優化，實踐應用弘揚工匠精神

學生使用制作的桿秤稱量蘋果的質量，測試桿秤的稱量效果.再用電子秤測出蘋果的實際質量，兩者比較后發現，存在一定測量誤差.要求學生提高桿秤的精確度，由于桿秤的刻度均分分布，現在桿秤的分度值為50g，可將相鄰刻度繼續等分10份，分度值變為5g；若再等分成10份，分度值變為0.5g，更加精確.但隨之而來的問題是相鄰刻度的間隔特別小，標刻度比較困難.教師提出問題：如何增大相鄰刻度間的距離？可以通過換小的秤砣來實現.播放非物質文化遺產中的桿秤制作工藝的視頻，它由十余道工序構成，做法講究，工藝精細，測量精確.圖片展示教材中動物園的工作人員利用一根桿子稱出了一頭大象的質量，要求學生用手上的桿秤也稱量大象的質量.通過巨大的反差對比，學生討論增大桿秤量程的方法.教師補充古代勞動人民就利用這些方法，包括增大秤砣的質量、減小提紐與秤盤的距離、增大桿秤的長度等，制作出各種不同規格的桿秤，以滿足不同領域的需求.實物展示量程分別為5斤、60斤、100斤的桿秤，上面兩個提紐是通過改變支點的位置來改變量程，比較秤砣的大小以及秤桿的長短.學生深刻感受桿秤制作技藝傳承人完美地詮釋了工匠精神，對桿秤的質量有著精益求精的品質追求.

3.5 文化引領，內涵解讀傳承優秀文化

桿秤已有2000多年的歷史，它的發明與改進匯集了勞動人民的智慧.在生產、生活的廣泛應用中，也對桿秤賦予了文化內涵.播放微視頻桿秤的發展簡史，桿秤起源于楚國，相傳是范蠡發明的，他受桔槔在井中取水的啟發，觀察到桔槔上的石塊上下移動打水，制成了桿秤.結合教材中桿秤的圖片，介紹桿秤的文化內涵.秤的桿叫衡，砣最早是環狀的叫權，所以才有權衡之說.早期一斤是16兩，有種說法叫半斤八兩，表示差不多，彼此一樣，不相上下.1959年后為了與國際接軌，才把一斤改成10兩.桿秤還有許多美好的寓意在里面，比如結婚時用秤挑紅蓋頭，寓意著稱心如意.中華傳統優秀文化融入跨學科實踐活動，激發學生探索鉆研的精神，產生強烈的民族認同感與國家自豪感.

4 開展跨學科實踐活動的教學思考

4.1 跨學科實踐主題的選定取決于學生的認知水平

學生的認知水平直接影響跨學科實踐活動的效果，主題的選定既要關注學生已有的知識儲備，特別是除本學科外的內容掌握情況，還要熟悉學生的技能水平，包括數據處理能力、推理演繹能力以及動手操作能力.跨學科實踐主題的選定可以依據教材中實踐活動的設置，如制作一個醫用冷藏盒、制作簡易密度計等.教師也可借助生活中的器材，自主開展主題活動，如制作一個水動力小車、制作一個電磁玩具等.實踐主題能夠體現工程實踐的綜合性，問題解決過程的開放性，提升學生的實踐素養.

4.2 跨學科知識的整合應用根植于真實的問題情境

跨學科實踐活動是將多個學科知識進行有機整合，并將其應用于工程設計、作品制作、優化改進等各個環節，以提升作品的科學性、實用性、精確度和美觀度等.在該過程中學生遇到各種真實的問題，對多學科的知識進行靈活轉換解決問題.部分問題學生小組內自主合作解決，還有部分問題班級同學共同討論解決方法，對于挑戰性的問題需要教師的引導幫助.從而，跨學科知識的整合應用不是將多個學科知識進行簡單的組合，而是根植于真實的問題情境，從而提升學生的分析與綜合能力，培養發散性思維能力.

4.3 跨學科實踐活動的實施融合于學科的專業特色

跨學科實踐活動立足于具體的學科教學，以本學科知識應用為主體，滲透相關學科知識，彰顯本學科的專業特色.物理是一門以實驗為基礎的學科，跨學科實踐活動以實驗引領學生完成學習任務，以思維進階驅動學生解決問題，能夠有效發揮實踐活動的教育價值.學生在跨學科實踐活動中，既可遷移應用本學科知識、方法，促進對本學科概念、規律的掌握，還能促進相關學科內容的統整.基于工程的跨學科實踐可以通過設計真實問題解決，利用自然、控制自然和創造人工自然，增加人類的物質財富.教師把跨學科實踐作為一種教學方式滲透于課程的始終，增加學生跨學科實踐的體驗，進一步推動創新人才的培養.