基于項目的初中物理與工程跨學科實踐
——以“制作潛水艇模型”項目為例

韓思思 楊 杰

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

《義務教育物理課程標準（2022年版）》于2022年4月正式頒布，為了體現(xiàn)物理學與日常生活、工程實踐、社會發(fā)展等方面的聯(lián)系，將“跨學科實踐”作為義務教育物理課程內(nèi)容的五個一級主題之一.［1］“物理學與工程實踐”是跨學科實踐的重要內(nèi)容，要求學生通過了解技術(shù)與工程的應用案例、從事工程實踐活動，發(fā)展跨學科運用知識分析和解決問題的能力，培養(yǎng)積極認真的學習態(tài)度和樂于實踐、敢于創(chuàng)新的科學態(tài)度.［1］這標志著技術(shù)與工程已經(jīng)正式進入初中物理課程，探索物理學與工程的跨學科實踐活動的設計和實施成為了初中物理教學的重要議題.

物理學與工程的跨學科實踐具有跨學科性和實踐性特點，并應立足物理本學科提升核心素養(yǎng).要仔細和全面考慮物理學和工程的有機結(jié)合點，探索物理與工程整合的方法和路徑，項目式學習（Project based learning）有望提供指導，成為理論依據(jù).項目式學習中，項目來源于真實生活為學生熟悉，并具有趣味性、復雜性驅(qū)動學生學習.項目式學習強調(diào)學生參與科學與工程實踐活動，學習并應用多學科的知識，設計方案或?qū)嵨镒鳛轫椖慨a(chǎn)品.國內(nèi)外研究表明項目式學習在整合不同學科內(nèi)容，促進學生素養(yǎng)發(fā)展上具有極大優(yōu)勢.［2－4］可見，項目式學習的內(nèi)涵和特點與物理學與工程的跨學科實踐的要求相契合，能夠指導物理與工程跨學科實踐活動的設計和實施.故本文將其選作理論依據(jù)，提出基于項目的初中物理與工程跨學科實踐，并據(jù)此圍繞初中浮力開發(fā)了“制作潛水艇模型”項目.

1 基于項目的物理與工程的跨學科實踐

項目式學習起源于20世紀初，于20世紀90年代在科學教育領域得到快速發(fā)展.它以建構(gòu)主義、情境學習、社會交互和認知工具為理論基礎，具有以下特征：［5］（1）學生通過解決驅(qū)動問題逐步完成學習目標；（2）學生要提出問題的解決方案；（3）學生要使用科學實踐探索現(xiàn)象；（4）學生要進行團隊協(xié)作；（5）學生使用學習支架（如教學材料、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、實驗等）來輔助學習；（6）學生要制作出項目產(chǎn)品.

依據(jù)項目式學習特征，以核心素養(yǎng)發(fā)展為最高目標，既立足物理學科同時跨出物理學科關照工程，本研究提出基于項目的初中物理與工程跨學科實踐：開發(fā)具有跨學科性質(zhì)和實際生活價值的項目，圍繞項目規(guī)劃、問題解決、展示評價3個階段組織設計教學環(huán)節(jié)，支持學生開展小組合作學習、參與科學與工程實踐活動、學習并應用物理原理，以制作實物模型等物化成果作為學習結(jié)束的標志.這與我國義務教育物理課程標準倡導情境化教學、突出問題教學、注重“做中學”“用中學”的要求吻合，并且側(cè)重體現(xiàn)了物理學與工程的聯(lián)系.

首先，建議挖掘我國初中物理課程現(xiàn)行各版本教材中存在的大量優(yōu)秀的、經(jīng)典的、適宜學生發(fā)展的教學資源，將這些資源進一步設計和打造成為物理與工程的跨學科實踐項目.第二，按照項目規(guī)劃—問題解決—展示評價3個階段加以整體貫通地組織教學活動.具體來說，規(guī)劃階段指學生對真實的需求進行解讀和分析來定義簡單工程問題，確定項目產(chǎn)品應該滿足的標準和受到的約束，從整體上規(guī)劃項目以持續(xù)驅(qū)動后續(xù)學習；問題解決階段中，學生素養(yǎng)發(fā)展和項目推進兩線并行，［6］一方面經(jīng)歷探究和參與實踐、學習并應用科學原理，既完成項目更達成發(fā)展目標，另一方面提出問題解決方案或設計制作實物模型；展示評階段指學生展示問題解決方案或簡單實物模型，師生或生生討論以對學習過程和結(jié)果進行評價.第2階段和第3階段依據(jù)需要可以循環(huán)往復、迭代深化.最后，值得注意的是，跨學科實踐要發(fā)展學生跨學科運用知識分析和解決問題的能力，因超越特定學科內(nèi)容和問題解決活動的系統(tǒng)性、復雜性，其教學存在一定難度.為此，學生在學習支架的支持下以小組合作的形式展開.

2 “制作潛水艇模型項目”的教學過程

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”設計“制作潛水艇模型”項目，從項目規(guī)劃、問題解決、成果展示評價3個階段設計了教學活動，實現(xiàn)物理學和工程的融合，有效發(fā)展學生核心素養(yǎng).限于篇幅，本文重點論述如何在不同環(huán)節(jié)支持構(gòu)建物理知識并結(jié)合工程學內(nèi)容.

2.1 項目規(guī)劃

制作潛水艇模型項目規(guī)劃包括3個內(nèi)容：首先創(chuàng)設情境令學生產(chǎn)生工程需求以驅(qū)動物理學習，接著明確驅(qū)動問題并感受工程實踐中標準和約束條件的作用，最后，拆解項目獲得完成項目的若干明確、具體任務，體會工程的系統(tǒng)性和復雜性.

2.1.1 創(chuàng)設情境，以工程需求驅(qū)動物理學習

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

創(chuàng)設這一情境從客觀上形成了從事物理學習和工程實踐的需要.并且，自制潛水艇模型對初中生來說有一定的新奇性和趣味性，能夠激發(fā)他們的興趣，提升學習動機，更重要的是它具有復雜性和教育性，能夠有效貫穿和驅(qū)動學生后續(xù)學習.

2.1.2 明確問題，體會產(chǎn)品標準和約束條件的作用

教師提示學生完成項目首先需要有明確的問題，由此學生確定驅(qū)動問題為“如何制作潛水艇模型？”.為讓學生體會產(chǎn)品標準和約束條件在實踐中的作用，教師組織學生討論，確定潛水艇模型驗收的標準包含哪些內(nèi)容，例如能夠在水中隨意地沉浮；明確現(xiàn)實情況所帶來的約束條件，例如只能使用周圍常見的材料.最后，教師清晰地為學生指出驗收產(chǎn)品的標準和現(xiàn)實的約束條件確保項目能順利完成.

科學探究中明確的問題對于引導后續(xù)的探究和實踐至關重要，學生通過明確研究問題實現(xiàn)從提出需求到解決問題的過渡.而產(chǎn)品標準和約束條件在工程中具有重要意義和價值.學生通過討論明確了潛艇的驗收標準，對實踐的終點有了清晰的認識；確定了限制條件，對未來實踐中可能存在的困難和約束有了基本預設.對二者的整體考慮，一方面有助于學生后續(xù)能夠成功完成項目，另一方面支持學生達成物理學和工程的發(fā)展目標.

2.1.3 拆解項目，體會工程的系統(tǒng)性和復雜性

因為項目比較復雜無法一步完成，師生討論需要經(jīng)歷哪些步驟才能完成項目.學生組成實踐小組，在組內(nèi)充分討論后進行全班交流.面對學生眾多零散的想法，教師引導學生尋找這些想法中的共性，將它們進行歸納，最終得到3個具體的步驟：探究物體沉浮的原因、設計潛水艇模型、制作潛水艇模型.

對項目進行理解、拆分的過程有助于學生認識到真實工程問題的系統(tǒng)性和復雜性，同時能鍛煉學生歸納概括的科學方法、培養(yǎng)他們設計初步方案以解決問題的能力.

2.2 問題解決

經(jīng)歷項目規(guī)劃，學生明確了后續(xù)學習任務，進入到問題解決環(huán)節(jié).這一環(huán)節(jié)依據(jù)上述3個步驟確定相應的學習任務.

2.2.1 學習任務1：探究物體沉浮的原因，掌握物理原理提升探究能力

基于設計潛水艇模型這一目的，教師提示學生探明物體沉浮的原因是知識基礎，這提供了潛水艇模型設計的原理依據(jù).接著，學生進行小組討論，從重力與浮力的大小關系來說明物體在液體中沉浮的原因.進一步，教師提示學生通過改變浮力來控制物體的沉浮.由此學生展開實驗探究，在學案和資料卡的幫助下分組活動，尋求浮力的大小跟排開液體所受重力的關系.并且，學生將探究成果聯(lián)系到潛水艇，理解潛水艇中設有水箱，通過調(diào)節(jié)水箱中的儲水量改變潛水艇所受的重力，從而實現(xiàn)潛水艇的上浮、下潛和懸浮.

該學習任務的設計，目的是令學生通過理論分析掌握物體的沉浮條件，通過實驗探究學習阿基米德原理.任務完成過程鍛煉學生獲取數(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也是難點，因此導學案和資料卡發(fā)揮了學習支架的作用，為學生順利完成探究提供支持，如圖1所示.

圖1 導學案和資料卡示例（截取）

2.2.2 學習任務2：設計潛水艇模型，應用物理原理發(fā)展工程設計能力

這一任務要求學生設計潛水艇模型的藍圖.教師提示學生繪制藍圖可以先從模仿開始.因此學生不僅通過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計圖.例如，設計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，學生對于初步設計的藍圖還知道后續(xù)需利用物體的沉浮條件和阿基米德原理對其進行預測和修正.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現(xiàn)模型的上浮、下潛和懸浮.該過程支持學生深度理解并應用任務1中所學內(nèi)容.

這一任務中，學生通過模仿已有物體沉浮的現(xiàn)象設計潛水艇模型，既認識到物體沉浮條件在生活中的應用，也提升了根據(jù)實際需求提出發(fā)明方案的能力.同時，繪制設計圖的活動增強學生掌握運用圖像表征、表達設計思路的能力.通過應用所學的科學原理設計模型，學生進一步深化概念理解和應用.

2.2.3 學習任務3：制作和優(yōu)化潛水艇模型，提升工程物化的能力

學生依據(jù)約束條件選取廢舊材料來制作潛水艇模型，增進保護環(huán)境、節(jié)約能源的意識.學生根據(jù)設計圖制作潛水艇模型，過程中注意模型必須符合產(chǎn)品驗收標準.為此，學生對潛水艇模型進行試驗，依據(jù)試驗效果和驗收標準進行改進.如，以廢棄塑料瓶為潛水艇，內(nèi)部通過鐵絲或者曲別針等固定放置氣球，并且氣球和來自輸液管前的細長軟管連接，連接處使用熱熔膠增加氣密性，細長軟管另一端連接大注射器提供足夠、穩(wěn)定輸送的氣體.為了試驗還要準備水槽和注射器.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，極大地提升學生使用工具和常見材料制作實物模型的能力.工程學注重從需求層面迭代優(yōu)化，這一點應用在此任務中，有助于塑造學生根據(jù)證據(jù)、產(chǎn)品標準和約束條件，進行有依據(jù)的推理思考方式，并極大地深化物理知識的學習，尤其令學生感受物理知識的實用性，從而熱愛物理學習.該任務還提倡利用生活中的廢舊材料，向?qū)W生滲透保護環(huán)境、廢物再利用的價值觀.

2.3 展示評價

項目展示評價既包括小組為單位的學生展示模型也包括小組間的互評.

2.3.1 展示項目，強化物理概念理解發(fā)展交流和論證的能力

學生以小組為單位，進行全班展示，從結(jié)構(gòu)、原理、選材、效果等方面對制作的潛水艇模型進行介紹.介紹結(jié)束，教學設置有答疑解惑環(huán)節(jié)，即展示小組對其他同學的困惑加以回答，遭遇他人質(zhì)疑時，要基于證據(jù)進行論證來堅持或者修正自己的觀點.

全面匯報展示項目成果，驅(qū)動學生梳理整個學習過程，深化浮力相關知識的學習成果，提升了基于證據(jù)進行交流和論證的能力，體會科學、技術(shù)與工程的聯(lián)系.整個過程中不論是小組內(nèi)的合作準備還是小組間質(zhì)疑反駁，都令學生感受同行評議、團體交流的重要意義.

2.3.2 項目評價，切換視角深化認識

展示過程中，未進行匯報的小組需要使用評價量表（如表1所示），從“產(chǎn)品設計”（如產(chǎn)品的科學性）和“展示匯報”（如語言的流暢性）兩個方面總計10個指標對展示小組進行評價并陳述理由.

表1 評價量表（示例）

這一項目評價活動，旨在借助互相評價激勵學生參與到學習中來，讓他們從被評價者轉(zhuǎn)變?yōu)樵u價者，幫助他們以不一樣的視角來審視所經(jīng)歷的跨學科實踐學習.學生采用評價量表中的指標來判斷其他小組的優(yōu)點和不足，同時反思自己小組的學習過程和結(jié)果.這有助于學生深化對知識原理、科學探究、科學思維、實踐活動的本質(zhì)認識.

3 結(jié)語

整合與發(fā)展的教育理念倡導加強學科間相互關聯(lián)，強調(diào)課程綜合化實施.［7］隨著《義務教育物理課程標準（2022年版）》的頒布，探索物理與工程整合的方法和路徑是落實新課標中綜合化實施的必由之路.本研究提出基于項目的初中物理與工程跨學科實踐并據(jù)此開發(fā)“制作潛水艇模型”案例，是一次努力的嘗試.它提出基于對現(xiàn)行教材的挖掘，開發(fā)體現(xiàn)跨學科性質(zhì)并具有實際生活價值的項目，并且圍繞項目規(guī)劃、問題解決、展示評價3個階段設計和組織教學，強調(diào)支持學生參與科學與工程實踐活動、在其中學習并應用物理原理，最終以制作物化成果為學習結(jié)束的標志.基于項目的初中物理與工程跨學科實踐實現(xiàn)了物理學與工程的有效、有機整合.