基于“項(xiàng)目式”開發(fā)的初中物理學(xué)科融合作業(yè)設(shè)計(jì)

摘 要：以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為載體融合多個(gè)學(xué)科知識的跨學(xué)科作業(yè)設(shè)計(jì)，可以從主題選取、實(shí)踐路徑、評價(jià)、思考等方面進(jìn)行闡述，通過設(shè)計(jì)形式多樣、內(nèi)容豐富、貼近生活、能激發(fā)學(xué)生探究意識的跨學(xué)科作業(yè)，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣思考與實(shí)踐，從而促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：投石機(jī);項(xiàng)目式;跨學(xué)科;學(xué)科融合;核心素養(yǎng)

“雙減”政策下要求作業(yè)“符合年齡特點(diǎn)和學(xué)習(xí)規(guī)律、體現(xiàn)素質(zhì)教育導(dǎo)向”，鼓勵(lì)分層、彈性化、個(gè)性化作業(yè)設(shè)計(jì)。“跨學(xué)科作業(yè)”的功能：對學(xué)習(xí)資源的一種重新整合，是將新課程理念轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N具體的可操作性的教學(xué)舉措[ 1 ]。同時(shí)也為學(xué)生的核心素養(yǎng)落地提供一片沃土。

如何開發(fā)有學(xué)科融合的初中物理作業(yè)設(shè)計(jì)呢？基于“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”的作業(yè)設(shè)計(jì)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與實(shí)際操作，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力與創(chuàng)新性思維，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識。下面以跨學(xué)科作業(yè)“炮——投石機(jī)”為例來談?wù)劵凇绊?xiàng)目式”開發(fā)的學(xué)科融合的初中物理作業(yè)設(shè)計(jì)。從“跨學(xué)科作業(yè)的主題選取”“跨學(xué)科作業(yè)的實(shí)踐路徑”“跨學(xué)科作業(yè)的評價(jià)”“跨學(xué)科作業(yè)的思考”這四個(gè)方面來闡述。

1 “跨學(xué)科作業(yè)”的主題選取

跨學(xué)科作業(yè)的設(shè)計(jì)基于跨學(xué)科實(shí)踐的開展，主題的選取要讓學(xué)生知其“物”，曉其“理”，還要讓他們聯(lián)系實(shí)際、學(xué)會(huì)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)以“用”促“學(xué)”、“學(xué)”“用”相長。物理的“大單元教學(xué)”“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”可以用跨學(xué)科的知識融合滲透。筆者選擇的是與工程實(shí)踐相關(guān)的素材：“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)——自制并改進(jìn)投石機(jī)”。綜合運(yùn)用如圖1，

這個(gè)項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)思路：如圖2以“物理學(xué)與工程實(shí)踐”為主題，以象棋的“炮”與公元2世紀(jì)中葉東漢末年官渡之戰(zhàn)為線索認(rèn)識我國古代武器“砲”，探索中國古人的智慧“投石機(jī)”并制作和改進(jìn)投石機(jī)，進(jìn)而延伸到公元7世紀(jì)隋唐時(shí)期火藥的發(fā)明改變世界的格局，終結(jié)了冷兵器征服的軍事模式，了解現(xiàn)代武器“炮”的進(jìn)化發(fā)展。

2 “跨學(xué)科作業(yè)”的實(shí)踐路徑

（1）作業(yè)設(shè)計(jì)基于從“砲”到“炮”的變化如圖3。馬走日、炮翻山，炮是象棋中唯一可以越子的棋種，可見其原型攻擊力之強(qiáng)大。象棋在戰(zhàn)國之前就已出現(xiàn)，而火藥發(fā)明于隋唐時(shí)期，炮的發(fā)明還要更晚，故而象棋中的“炮”并非今日的火炮，正確的寫法應(yīng)為“砲”，即投石機(jī)。該作業(yè)從體育運(yùn)動(dòng)象棋切入，追溯其歷史，發(fā)現(xiàn)了其中“砲”的秘密。投石機(jī)在先秦時(shí)期已得到廣泛應(yīng)用，攻擊力強(qiáng)、威力驚人[ 2 ]。本題意圖讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)投石機(jī)、探索投石機(jī)的秘密——杠桿定理。首先，先讓學(xué)生學(xué)習(xí)杠桿原理，認(rèn)識動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂、阻力臂，畫出設(shè)計(jì)圖紙。接著，讓學(xué)生動(dòng)手制作投石機(jī)。通過計(jì)算得出至少要裝多少塊小石頭才能使大石頭被拋出，思考讓投石機(jī)拋出更重的石頭的方法，再對自制投石機(jī)進(jìn)行改良完善。有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，將體育、歷史、勞技、語文、數(shù)學(xué)、化學(xué)與物理學(xué)科相融合，使知識點(diǎn)融會(huì)貫通，實(shí)現(xiàn)五育并舉。讓學(xué)生感受中國古代科技到現(xiàn)代科技的飛躍發(fā)展，也能增強(qiáng)學(xué)生的文化自信、激發(fā)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和民族自豪感。

作業(yè)特點(diǎn)：以“杠桿原理”為核心，將“炮”在歷史中的演變作為主線。通過學(xué)生的自主查閱資料、思考計(jì)算，動(dòng)手實(shí)踐，培養(yǎng)了其自主獲取知識的能力以及對具體物理問題的分析與解決的能力。

（2）作業(yè)形式從“項(xiàng)目化學(xué)習(xí)”開展，設(shè)置五個(gè)任務(wù)如圖4。根據(jù)任務(wù)需要設(shè)計(jì)了三個(gè)部分作業(yè)分別是課前作業(yè)、課中作業(yè)、課后拓展作業(yè)。

（3）具體作業(yè)內(nèi)容。

第一部分：課前作業(yè)。

①查找資料了解“象棋比賽中，為什么炮翻山，炮是象棋中唯一可以越子的棋種？”

這題的設(shè)計(jì)意圖是：中國象棋是中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的一部分，反映著我國古人的智慧。從體育運(yùn)動(dòng)象棋切入，探索古人的智慧和歷史的變遷，為學(xué)習(xí)本節(jié)課“投石機(jī)——杠桿原理”做好鋪墊。

②查找資料了解“曹操的官渡之戰(zhàn)”。

這題的設(shè)計(jì)意圖是：根據(jù)歷史文獻(xiàn)比如《孫臏兵法》《范蠡兵法》《墨子·備城門》和考古發(fā)現(xiàn)，投石機(jī)最早出現(xiàn)在中國的春秋戰(zhàn)國時(shí)期。它是古代戰(zhàn)爭的重要武器之一。追溯歷史，在東漢末年的三大戰(zhàn)役之一的官渡之戰(zhàn)中，曹操面臨袁紹的箭雨危險(xiǎn)，處于劣勢，為改變局勢，他采用劉曄的計(jì)策，命士兵推著拋石機(jī)向袁紹的塔樓發(fā)射石頭，打破袁紹的防御，實(shí)現(xiàn)以弱勝強(qiáng)，成功扭轉(zhuǎn)頹勢[ 3 ]。由此歷史故事學(xué)生可感受到投石機(jī)的強(qiáng)大攻擊力，讓學(xué)生從對歷史的感性認(rèn)識了解物理學(xué)的應(yīng)用。

這兩題對應(yīng)學(xué)科有：體育、歷史、語文、物理。

第二部分：課中作業(yè)。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)用五個(gè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)。

任務(wù)一：觀看各類投石機(jī)的圖片如圖5，總結(jié)投石機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。觀察發(fā)現(xiàn)投石機(jī)與杠桿有關(guān)。

任務(wù)二：投石機(jī)運(yùn)用了杠桿原理，當(dāng)敵方軍隊(duì)駛近時(shí)，鋪天蓋地的巨石從天而降，將其砸得粉碎。請你試著在圖6上畫出動(dòng)力與阻力，并標(biāo)出動(dòng)力臂與阻力臂。這題設(shè)計(jì)意圖：介紹杠桿原理，通過作圖題進(jìn)行練習(xí)，檢測學(xué)生對于動(dòng)力臂、阻力臂、動(dòng)力、阻力知識點(diǎn)的掌握程度，為后續(xù)進(jìn)行投石機(jī)設(shè)計(jì)奠定知識基礎(chǔ)。

任務(wù)三：利用身邊容易找到的物品：雪糕棒、橡皮筋、塑料瓶蓋、熱熔膠槍、投射物（小紙團(tuán)）制作一個(gè)簡易投石機(jī)如圖7。這題設(shè)計(jì)意圖：利用杠桿原理制作投石機(jī)，為我國古代科技發(fā)明自豪，體會(huì)物理學(xué)對工程實(shí)踐和社會(huì)發(fā)展的影響。并且在這個(gè)簡單的投石機(jī)模型制作過程中，還有學(xué)生的展示活動(dòng)，不僅能夠幫助學(xué)生深化對杠桿原理知識的理解，同時(shí)也培養(yǎng)他們團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、問題解決能力、實(shí)踐操作能力以及創(chuàng)新思維。

任務(wù)四：古代投石機(jī)，如圖5a。其可轉(zhuǎn)化為如圖8a所示的模型。設(shè)所要投出的石頭重心在A點(diǎn)，籃子重心在B點(diǎn)。計(jì)算題：

①如圖8 b，OA長5 m，OB長1 m，投石機(jī)高OC長3 m。當(dāng)所要投出的石頭質(zhì)量為2 kg時(shí)，要使其能飛出，B處的籃子中至少要裝多少塊小石頭？（一塊小石頭的質(zhì)量為0.8 kg）。

②若想要使更重的石頭被投出，除了增加籃子中小石頭的個(gè)數(shù)，還有什么方法呢？這題設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)情境，思考利用投石機(jī)作戰(zhàn)需要準(zhǔn)備多少石頭。計(jì)算過程需用數(shù)學(xué)的勾股定理知識，體現(xiàn)了物理與數(shù)學(xué)學(xué)科的融合。鍛煉學(xué)生數(shù)學(xué)建模、運(yùn)用杠桿原理解題應(yīng)用的能力。

③改進(jìn)投石機(jī)，思考讓投石機(jī)省力的辦法。根據(jù)所學(xué)的知識讓學(xué)生對自制投石機(jī)進(jìn)行改良完善，學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識可以回答：可以增加杠桿的長度或移動(dòng)支點(diǎn)的位置使之遠(yuǎn)離B點(diǎn)，增長動(dòng)力臂長度。變成省力杠桿如圖8 b。

第三部分：課后拓展作業(yè)。

①如何改進(jìn)投石機(jī)使之射程更遠(yuǎn)？學(xué)生會(huì)想到利用彈性繩，形變程度大，彈力大，射程更遠(yuǎn)，和古人的智慧不謀而合，古人發(fā)明了“三弓弩”它是中國古代的一種大型弩炮，主要用于戰(zhàn)爭中的遠(yuǎn)程攻擊，如圖9。查找資料發(fā)現(xiàn)，南宋的三弓弩炮，最大射程約1500 m，是普通投石機(jī)的3-5倍。此題的設(shè)計(jì)意圖：在課后讓學(xué)生利用彈力知識再次改進(jìn)投石機(jī)，增大其射程，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程攻擊。

②了解投石機(jī)的前世今生：隨著技術(shù)發(fā)展，火藥開始被應(yīng)用到武器中。在我國古代13世紀(jì)，就有許多關(guān)于火炮的記載。與傳統(tǒng)的投石機(jī)相比，火炮具有射程遠(yuǎn)、威力大、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，如圖10。

a. 查閱資料，簡述中國古代火炮的工作原理及能量來源。

b.如果你穿越回古代，要使這種火炮射程更遠(yuǎn)，可以從哪些方面進(jìn)行改進(jìn)？

c.查閱資料，了解現(xiàn)代大炮的種類及功能。

本題設(shè)計(jì)意圖：將火炮作為拓展知識引入，反映了我國古代攻城武器的發(fā)展進(jìn)步，同時(shí)也考察了學(xué)生通過查閱資料自主獲取知識的能力以及對具體物理問題的分析與解決的能力。火藥的發(fā)明使火器具有更高的射程和殺傷力，逐漸取代了傳統(tǒng)的投石（機(jī)）弩。根據(jù)所學(xué)的知識讓學(xué)生對自制投石機(jī)進(jìn)行改良完善，可以由此發(fā)展到現(xiàn)代的“炮”的變化并可以從化學(xué)的角度結(jié)合燃料知識進(jìn)行分析。這樣的設(shè)計(jì)：讓學(xué)生查找資料了解從使用冷兵器時(shí)代到使用火器階段的過渡，中國古代發(fā)明火藥推進(jìn)世界歷史發(fā)展進(jìn)程。中國古代火藥是利用硝石、硫磺、焦炭在一定條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生爆炸為原理制成。宋朝火藥武器的出現(xiàn)導(dǎo)致宋朝戰(zhàn)爭方式發(fā)生了變革，13世紀(jì)火藥是由商人經(jīng)印度傳入阿拉伯國家的。火藥武器通過戰(zhàn)爭傳到阿拉伯國家。公元1260年元世祖的軍隊(duì)在與敘利亞作戰(zhàn)中被擊潰，阿拉伯人繳獲了火箭、毒火罐、火炮、震天雷等火藥武器，從而掌握火藥武器的制造和使用。在與阿拉伯國家的戰(zhàn)爭中，歐洲人逐步掌握了制造火藥和火藥兵器的技術(shù)[ 6 ] 。“炮的前世今生”這樣的課后作業(yè)設(shè)計(jì)，不僅能夠滿足學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)需求，還能激發(fā)學(xué)生的愛國主義情懷。知道落后就要挨打，認(rèn)識到學(xué)習(xí)的重要性，堅(jiān)定學(xué)生的學(xué)習(xí)信念實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的使命擔(dān)當(dāng)，珍惜現(xiàn)在來之不易的美好時(shí)代，激發(fā)學(xué)生熱愛黨、熱愛祖國的情感[ 7 ]。更能夠提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，為培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人奠定基礎(chǔ)[ 8 ]。

3 “跨學(xué)科作業(yè)”的評價(jià)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022版）》跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)評價(jià)目的是確保學(xué)生能夠真正掌握和應(yīng)用所學(xué)的知識。要關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，比如他們是否能夠獨(dú)立完成各項(xiàng)任務(wù)，是否能夠靈活運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題。所以在項(xiàng)目化制作“投石機(jī)”的過程制定如表1評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。評價(jià)學(xué)生提出問題能力、創(chuàng)新思維、自我表達(dá)和展示能力、溝通和協(xié)調(diào)能力、收集和處理信息能力、綜合解決實(shí)際問題能力、動(dòng)手實(shí)踐的操作能力以及團(tuán)隊(duì)合作的能力。

4 “跨學(xué)科作業(yè)”的思考

物理學(xué)科的跨學(xué)科作業(yè)設(shè)計(jì)是一種輔助教學(xué)的策略，仍然不能離開物理觀念，以解決物理相關(guān)的問題為出發(fā)點(diǎn)，在解決問題的同時(shí)運(yùn)用多個(gè)學(xué)科知識，這就需要教師具有跨學(xué)科的知識和能力。以《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)2022年版》為依據(jù)，選擇具有綜合性、實(shí)踐性的課題。合理制定跨學(xué)科實(shí)踐方案。以問題的解決過程為線索設(shè)計(jì)方案，將跨學(xué)科實(shí)踐的課題分解為若干驅(qū)動(dòng)性任務(wù)，也就是設(shè)計(jì)“項(xiàng)目式”開發(fā)的學(xué)科融合的初中物理作業(yè)設(shè)計(jì)，設(shè)置的任務(wù)由淺入深，依據(jù)解決問題的梯度設(shè)置課前（預(yù)習(xí)作業(yè)），這個(gè)作業(yè)可以是調(diào)查、實(shí)驗(yàn)、制作、觀察等可操作的家庭作業(yè)，通過作業(yè)引導(dǎo)學(xué)生了解課程所需要的知識、方法、設(shè)備。其次課中作業(yè)，這個(gè)作業(yè)需要按照課堂的教學(xué)任務(wù)，細(xì)化作業(yè)，在完成這個(gè)作業(yè)時(shí)，需要合理分組，使學(xué)生能取長補(bǔ)短、共同完成課堂活動(dòng)。若“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”的跨學(xué)科作業(yè)設(shè)計(jì)，一般有設(shè)計(jì)作品或者制作模型、填寫報(bào)告等活動(dòng)成果的呈現(xiàn)，需要設(shè)計(jì)好評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)學(xué)生小組討論、合作、組員之間互評、小組與小組之間組評、自己對自己的自評，發(fā)現(xiàn)不足，檢閱成果，促進(jìn)自身的發(fā)展。最后是課后作業(yè)，這個(gè)作業(yè)以拓展延伸，打開學(xué)生的視野，從多角度觀察、思考、分析問題。

總而言之，基于“項(xiàng)目式”開發(fā)的學(xué)科融合的初中物理作業(yè)設(shè)計(jì)，要從生產(chǎn)生活的實(shí)際情境出發(fā)，設(shè)計(jì)出形式多樣、內(nèi)容豐富、貼近生活、能激發(fā)學(xué)生探究意識的跨學(xué)科作業(yè)。讓學(xué)生體驗(yàn)嘗試成功、探索與發(fā)現(xiàn)的快樂，做學(xué)習(xí)的主人。設(shè)計(jì)跨學(xué)科作業(yè)時(shí)，應(yīng)定期進(jìn)行反思和評估，看看是否達(dá)到預(yù)期的效果，哪些地方做得好，哪些地方需要改進(jìn)，以便不斷優(yōu)化作業(yè)設(shè)計(jì)。在完成跨學(xué)科作業(yè)后，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行成果展示，這樣既可以檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，也可以很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。跨科學(xué)和實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣思考與實(shí)踐，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

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