跨學科實踐活動的設計與案例（2）

前面的系列文章介紹了跨學科實踐設計的目的、方法和特點，下面具體介紹幾個跨學科案例。為了讓更多教師理解，案例涉及的學科范圍比較廣泛。

一、小夜燈

設計制作小夜燈，該活動要考慮電路的連接、美觀以及整體的封裝（如圖1）。

如果把電池供電改成水果發電，則要考慮什么水果和金屬的配合效果好（如圖2）。

這一活動涉及物理、化學、藝術、技術、工程、生物、數學等，是一個STEM活動項目。

關于這一項目，可以考慮的問題包括但不限于：水果發電的原理是什么？不同水果的效果如何？不同金屬的效果如何？電壓不夠如何處理？過程中涉及什么能量轉換？過程中產生了什么物質？如何收集、證明新物質是什么？如何寫反應方程？整個裝置如何封裝？如何增加藝術性？如何拓展應用？

這一活動也涉及高階思維，如：批判思維——水果能否發電要通過實踐證實，這是基于事實處理問題的模式；創造思維——藝術本身充滿了創造性，藝術與技術結合更有創意，工程本身就是創造不存在的物品；工程思維——裝置要結實、耐用，制作過程也是一種技術工程實踐，要系統地進行思考設計；計算思維——裝置的榫卯結構、各部件的連接關系，都需要進行計算，是計算思維的體現。

二、露似珍珠月似弓

白居易在《暮江吟》中寫道：

一道殘陽鋪水中，半江瑟瑟半江紅。

可憐九月初三夜，露似珍珠月似弓。

根據這首詩（有的寫作“真珠”），教師可以給學生布置一些跨學科的探究任務，包括但不限于：

對詩詞如何理解？“可憐”“珍珠”的含義是什么（語文）？

自己做實驗，看看最大能形成多大的水珠（探究）。

解釋露珠為什么容易在晚上出現（科學+物理）？

農歷初三的月亮在什么時間范圍內可以看到（數學+地理）？

農歷初三的月亮是什么形狀的（科學+地理）？

查找資料，比較農歷初三的月相與古代弓的形狀，詩詞中的描述是否夸張（歷史+語文）？

為什么露似珍珠？這與表面張力有關，表面張力是液體表面由于分子引力不均衡而產生的作用力（如圖3）。

露珠很小，尺寸一大，就會由于重力作用導致塌陷，所以在地面上難以形成很圓的大水珠。下面是與真實的珍珠、硬幣對比的圖像，可以看出詩詞中把露珠比作珍珠，略有夸張成分（如圖4）。

空氣中含有水汽，溫度低時，多余的水汽就凝結成水滴附著在地面物體上，形成露。農歷九月初三附近有寒露和霜降兩個節氣，晚上水汽容易凝結成露。

關于月亮，有一個基礎常識：農歷初一時，太陽月亮同升同落，農歷十五時，兩者一升一落。由此，可以畫出農歷每天18：00時（太陽落山時），月相大致的樣貌（如圖5）。

根據太陽、月亮運動的規律可以判斷：如果是農歷初三（如圖6），白居易詩歌中的太陽約在18：00落山，能看到月亮的時間大概率在18：00—19：30。考慮到秋天白晝較短，上述整個時間提前約半小時。時間太早，太陽沒有落山，基本看不到月亮；時間太晚，月亮也落山了。對此，有興趣的學生可以做一個簡單裝置，來測量月亮、太陽的夾角，看看與上述分析是否吻合。

農歷初三真的月似弓嗎？通過比較，我們可以看到農歷初三時月亮的形狀和古代弓箭的形狀很接近（不看箭頭）。不過，有興趣的同學可以再看看現代比賽的弓，結構就復雜得多了，有很多附加零件（如圖7）。當然，根據跨學科概念“結構與功能”，自然也可以分析出其背后的道理。

本活動除了涉及語文（詩詞）、物理（表面張力、凝結）、地理（月相）、歷史（弓的形狀及演化）和數學（月亮運動的快慢）外，也涉及高階思維，如：批判思維——分析露珠產生的條件，對露珠和月亮的形狀有自己的見解；創造思維——科學與文學結合，根據月相估計詩中場景的大概時間；計算思維——根據月亮的運動規律，計算出某一時刻月亮的位置；工程思維——設計制作“太陽-月亮”角度觀察儀，驗證理論上的結論。

三、滿招損，謙受益

太陽在不同季節所處的黃道位置不同，人們由此確定了二十四節氣。不難發現，一些節氣有“大”與“小”的區別，如小暑與大暑、小雪與大雪、小寒與大寒。然而，根據這一規律應該有“小滿與大滿”，結果發現并沒有，變為“小滿與芒種”了。這里面有什么道理呢？

原來，這里面涉及中華古語“滿招損，謙受益”：小滿勉強還可以接受，大滿是萬萬不能接受的。這個思想經過孔子宣傳，已經成為中國傳統文化的組成部分了。

《荀子·宥坐篇》記載：

孔子觀于魯桓公之廟，有欹器焉。孔子問于守廟者曰：“此謂何器？”守廟者曰：“此蓋為宥坐之器。”孔子曰：“吾聞宥坐之器者，虛則欹，中則正，滿則覆。”孔子顧謂弟子曰：“注水焉。”弟子挹水而注之。中而正，滿而覆，虛而欹，孔子喟然而嘆曰：“吁！惡有滿而不覆者哉！”

其中，“欹”是傾斜的意識，“宥座”是右座。“虛則欹，中則正，滿則覆”的意思是：這一裝置在空的時候是傾斜的，加一部分水后就直立起來，加滿水就會倒下。

欹器是孔子時代的一種獨特的裝置，現已失傳，能否利用多學科、跨學科的知識進行復原（了解原理、設計并制作）？

可以從不同的視角看待這一問題：孔子及其“中庸之道”——歷史；“滿招損，謙受益”——教育；設計、制作、調試——能力；平衡、穩定、重心——力學。這正符合清華大學“三位一體”的教育理念：價值塑造、能力培養、知識傳授。

經過分析，欹器有幾種可能的形式。我帶領學生選擇“座右銘”形式進行復原（如圖8，具體分析略）。

欹器的復原，涉及了地理（節氣）、語文（古文）、歷史（孔子）、物理（受力、平衡）、數學（形狀的方程）、技術（設計）、工程（加工）、計算機（根據形狀方程計算），是大范圍的跨學科活動，從文科到理科，從理論到實踐，是真正的跨學科實踐活動。

這一活動也涉及高階思維，如：批判思維——通過模型獲得可以重復的證據，直觀且有說服力；創造思維——從節氣聯想到中國文化，把復雜的現象同物體的平衡與穩定關聯在一起；計算思維——座右銘式的欹器比較復雜，其設計需要大量計算；工程思維——利用設計和物化做出裝置，借助模型印證“滿招損，謙受益”。