跨学科项目化学习的设计与教学实施——以“自制油量表”为例

李 刚

(苏州市教育科学研究院,江苏 苏州 215004)

《义务教育课程方案(2022年版)》在“课程实施”中要求“积极开展主题化、项目式学习等综合性教学活动,促进学生举一反三、融会贯通,加强知识间的内在联系,促进知识结构化”.在“课程内容”中还新增了一级主题“跨学科实践”,力图通过学科间的相互作用而生成综合育人合力,加强学生的实践性体验,培养其发现问题、解决问题、建构知识、运用知识的能力.开展跨学科项目化学习,就是在一定时段内参与完成某一任务,完成任务的过程,就是调动原有知识储备、获取新知、积累经验的过程.这样的学习情境和项目设计,也一定能充分发挥学生的学习主动性和积极性,使质疑、思辨、评价、反思等能力在学科实践中得到真实有效的培养.

笔者以“自制油量表”为任务开展跨学科项目化学习,引导学生运用浮力、杠杆、变阻器、欧姆定律、一次函数等物理和数学的相关知识进行模型构建,以项目主题及真实性问题链,阶段性地呈现驱动型问题的认知路径和结构解析,让学生在持续性的实践活动中激发创造性思维,培养学生复杂问题情境下的洞察力,提升学生自主学习的能力.

1 跨学科项目化学习的设计

1.1 跨学科项目化学习的内涵及特征

跨学科项目化学习[1]是指:“为了解决一个真实而复杂的问题,学生学习并创造性地整合不同学科的核心知识和能力,以形成整合性的项目成果和新理解.”首先,跨学科项目化学习是学生围绕真实的问题,应用相关学科的核心内容开展探究活动,形成对问题的创造性理解并解决问题,像专家一样实现对已有知识体系的解构与重构,构建反映专家思维的概念地图.

其次,跨学科项目化学习注重学科间的知识与方法的整合应用,而不仅仅是将多个学科的知识简单叠加与组合.例如在解决运动学中火车过隧道的相关物理量的计算,虽然会用到语文知识提取有用信息、数学知识加以推导计算,甚至还会用到美术知识画出运动示意图.但该过程只是用到了学生已有的语文、数学和美术等相关技能,并没有对这些学科进行深入的学习和研究,最终产生的成果主要也是体现物理学科知识,所以不属于跨学科项目化学习.

第三,跨学科项目化学习注重学生的持续探究.一方面是学生学习过程的全程参与,学生经历项目的设计、实施、评估、反思和修订等过程,以不同模块的体验提升学生的批判思维、工程思维和实践素养等;另一方面是探究的历程由课内延伸至课外,通过在课堂的深度参与,帮助学生建立发现问题、分析问题、解决问题和拓展应用等学习机制,进而学生掌握问题解决的一般化方法,迁移应用于生活中实际问题的解决,提升学生的核心素养.

第四,跨学科项目化学习注重物化成果的公开展示,其学习主题大体分为3种类型:[2]以主题引领的探究活动,如从防治噪声污染出发,研究“比较材料的隔声性能”的方法,最终可形成不同材料隔声性能的研究报告;以实际应用的设计类活动,如密度计的制作、简单电路的设计、设计和制作一个机械模型等,制成相关的模型或作品;以社会考察为主的体验性活动,如从节能的观点出发,进行“家庭用电的调查研究”,针对考察内容提出相关建议和解决方法,形成小论文或调查报告.跨学科项目化学习的物化成果体现目标导向问题导向的学习设计,以成果要求引领学生进行学习活动,不断优化升级物化成果的品质.

1.2 跨学科项目化学习的实践模式构建

根据苏州市教科院初中物理育人模式构建项目组倡导的“四轮驱动·评价导航”活动育人专车模型,跨学科项目化学习是基于真实情境和问题的跨学科学习方式,是培养学生综合素养的重要途径,也是有效组织开展跨学科实践活动的重要抓手,如图1.

图1 跨学科项目化学习模型

学生经历项目导入、项目设计、项目实施、项目展示、项目评价的全过程,让学习真实发生.创设真实的问题情境,激发学生兴趣;注重突出问题导向,学生在项目实施过程中,会在项目设计、实施、反思、修正4个环节中循环反复,思维逐步引向深刻,促进深度学习;通过逻辑分析论证,学会知识的融合与迁移,感悟科学本质,提高综合运用所学的多学科知识来解决实际问题的能力.

2 跨学科项目化学习的教学实施

2.1 创设真实情境,培养模型建构意识

教师呈现真实的问题情境:小明家新买了一辆燃油三轮摩托车,细心的小明观察了仪表盘,发现它和家里汽车的仪表盘不一样,只有速度表和转速表,而缺少了能显示油箱内油量多少的油量表,如图2.小明通过上网查阅资料得知,摩托车在行驶过程中,油箱内的油量得不到实时监测,可能遇到突然没油的情况,此时如果不及时加油,油泵会“裸露”于燃油表面,无法及时散热导致损坏.

图2

通过这一真实情境引出驱动任务:自制一只能实时监测油箱内油量的油量表.首先提出问题:油量的变化如何转化为仪表示数的变化?利用所学的欧姆定律相关知识,学生以电阻的大小变化为突破口,选用电压表或电流表的示数直观反映油量的变化,初步具备建构油量表的模型意识.学生设计了电路图,经过讨论发现增加一个定值电阻可以保护电路,提升电路的安全性,如图3.

图3

教师实物展示油箱中油浮子,介绍其基本结构和组成部分如图4.引导学生将油浮子变阻器结构图与所学的电路设计相结合,应用滑动变阻器、杠杆、浮力和欧姆定律等相关知识,进一步完善油量表的电路设计,如图5.

图4

再次展示学生设计的电路图,如图6和图7.经过比较,反思方案设计的合理性,图6中当油量增大时,电流表的示数也变大,符合生活中产品使用的一般思维逻辑.在分析遴选过程中,培养学生的批判性思维.在具体的实践活动中加深学生对知识的理解,发展合作能力、实践能力和创新能力.

图6

图7

2.2 实践优化制作,提升分析论证能力

基于方案的设计和优化,学生使用提供的器材完成油量表电路连接,包括干电池2节、5 Ω和10 Ω定值电阻各1个、开关、油浮子变阻器、导线等.明确活动的任务要求,将油浮子安装在油泵模型上,并在电流表上标出3条刻度线,分别为油量为零、油量一半和油量加满.考虑任务设置具有一定的挑战性,微视频指导油浮子的安装,再组织学生小组讨论如何确定油量表的零刻度线.在交流过程中,学生达成共识.图6中当浮子在最低端时,电流表指针对应的刻度线为零刻度线;当浮子在最高点时,电流表指针对应的刻度线为油量满刻度线.从而为学生的动手操作奠定基础,合作完成自制油量表.

跨学科项目化学习要求学生亲身经历活动过程,关注证据意识的培养,经由分析论证提升作品的科学性,体现了跨学科项目化学习在化知识为素养方面的重要价值.教师指导各小组完成器材组装,展示3种典型的安装方式,每种方式中注意油浮子的位置.图8中当油量表显示为0时,油箱内还有油;图9中当油量表显示为0时,油箱内刚好没有油;图10中当油箱内没有油时,但油量表会显示还有油.经过分析学生一致认同图9的安装方式.

图8

图9

图10

教师根据实际油量表的设计特点,提出开放性问题.生活中当油量表显示为0时,你希望油箱内刚好没有油,车马上停下来;还是油箱内还有部分油,可以让车行驶到附近的加油站.学生通过查阅资料,发现真实的油量表当示数为0时,油量内浮子距离油箱底约1 cm高度,这部分燃油余量可供车行驶20公里左右.学生感悟到产品的人性化设计,对所设计的方案再次修正.

教师提供适量水代替油,再用一个装有龙头的容器模拟油箱,如图11.以此来检测学生自制的油量表的性能.针对测试的现象,学生分析原因,加以修正完善,继续小组合作完成自制任务.学生循证优化作品的制作,以跨学科项目化学习激发学生强大的学习内驱力,体验学习过程的趣味性和成就感.

图11

2.3 公开展示成果,发展高阶思维能力

学生小组为单位公开展示自制油量表的项目成果,提升学生的语言表达能力.对照表现性评价量表,如表1.小组介绍油量表的功能,分享制作过程中出现的问题及其解决策略,提出还可进一步改进的地方,其他小组对油量表成品进行评议,为课后升级油量表的制作提供强有力的支撑.

表1 自制油量表表现性评价

学生观察到部分小组零刻度线和满刻度线间的跨度大,油量表精确度高.此外还发现所有小组的油量表的刻度分布都是不均匀的.围绕问题学生展开互动交流,探寻现象背后的原因.学生提出猜想:可能是滑动变阻器的最大阻值很大导致的,也可能是定值电阻的阻值大小不同引起的.当油浮子在最低端时,油量表显示为0,此时不管接入电路的定值电阻是5 Ω还是10 Ω,对应的电流表示数都很小.当油量满时,滑动变阻器的阻值为0.由欧姆定律可以估算,电源电压为3 V,当R0=5 Ω时,I=0.6 A;当R0=10 Ω时,I=0.3 A.所以选择5 Ω的定值电阻刻度线跨度更大,油量表精确度更高.针对油量表刻度不均匀问题,结合数学中函数的相关知识,得到表达式I=U/(R0+RP),I与RP是反比函数关系,进而证明了油量表的刻度不均匀.学生在展示过程中不断认识、发展、完善自我,整合科学思维方法、多学科知识,从定性和定量两个方面进行科学推理、科学论证,发现问题背后的原因,形成有效的问题解决策略.

2.4 评价反思拓展,具身体验工匠精神

教师提出新的问题,用电流表改装油量表,无法实现刻度均匀,能否改进电路设计方案实现刻度均匀?学生表示可以用电压表来自制油量表,根据串联电路中电压的特点,电阻越大,其两端的电压越大,可将电压表并联在滑动变阻器两端.教师提示由学生改进的电路设计可知,U=IRP,仅当U与RP是正比关系时刻度才是均匀的.要使滑动变阻器滑片移动时,电路中的电流仍然保持不变.电路应该如何设计?学生再次分小组合作,尝试重新绘制电路,来满足设计要求,如图12.在该电路中,移动滑片时电路中电流大小不变,电压表示数大小与其并联的电阻大小成正比关系.学生利用器材重新连接电路,标注油量表刻度线,但发现刻度依然不均匀,引起学生的思维冲突,促进学生的深度思考.

图12

油浮子变阻器阻值大小与油面高度的关系图像,如图13.学生找到问题的根源,发现油浮子变阻器阻值大小与油面高度并不是一次函数关系.

图13

教师实物展示生活中的汽车油箱的截面图,其上下横截面积的大小不同,如图14.为了减小其他零件的影响,许多油箱上下都是不规则的,从而油量的多少与油面高度之间也不是线性关系.学生意识到一个产品的设计、制作、完善、升级和投入使用需要经历复杂的过程,引导学生大胆质疑,培养学生思维的深刻性和批判性,提升学生的创新能力.

3 跨学科项目化学习的教学思考

3.1 培养学生发散性思维

项目化学习问题驱动时,教师提出没有油量表,燃油摩托车如何才能知道油箱中究竟剩余多少油呢?何时需要加油?学生发散性思维被打开,有学生提出可以随车带一个干净的小竹棍,经常把小竹棍插入油箱看看油的深度来判断油的多少,随后被学生否决.有学生说可以凭经验,每次骑车之前摇摇车,听一下汽油的响声,感觉少了就要加油.还有学生提出,每次加油后将计程表归零,记下能跑了多少公里.学生的创新想法值得鼓励.

3.2 促进学生的深度学习

在课堂教学有限的时间内,学生基本完成了自制油量表的设计、制作、检测和优化等.通过科学推理,学生认为用电压表改装油量表可以实现刻度均匀,但实际结果与理论分析存在明显差异,引发新的探究性问题.活动的重点不是让学生制作出多么精美的油量表,而是引导学生在真实情境中发现问题,创造性地解决问题,又在解决问题中发现新的问题,这种对问题持续地探索就是学习的本质,提升学生终身学习的能力.

3.3 加强理论和实践相结合

经过项目化学习的过程,让师生了解到课堂上学不到的知识.很多三轮摩托车都没有油量表,但是可以通过油箱开关来掌握剩余油量.油箱加满油或油多时,把油箱开关扳到主油箱位置,等油少主油箱不出油时,再把油箱开关扳到副油箱位置,这时油箱里还有2升左右的汽油,还能跑几十公里,及时加油就行了.加油后再把油箱开关扳到主油箱位置,否则如果一直用副油箱,会直到把油都用光了才知道.设计者用这种简易的方法来省掉了油量表.此外,油箱的形状设计是根据机械零件的结构及空间布局安排综合考虑的结果,与我们想象中的式样大不相同,这种工程思维给师生带来很多启示.

3.4 达成作品的升级迭代

学生利用油浮子装置自制油量表,经历了项目研究的全程,最终制作完成油量表成品,有效地提升学生的工程思维,培养学生理论与实验相结合的问题解决策略.跨学科项目化学习将实践活动由课内延伸至课外,学生带着问题走出课堂,利用表现性评价驱动学生课后继续小组合作,通过查阅资料等方式,不断攻破技术难点,完善油量表的设计方案,让作品不断迭代升级.