递进型:物理与工程跨学科项目化学习实践——以制作“港珠澳大桥”桥梁模型项目为例

蔡 雨 马 玲 马晓波 罗小成

(1. 宁夏大学物理学院,宁夏 银川 750021; 2. 内江师范学院物理与电子信息工程学院,四川 内江 641000)

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》地方和学校实施本课程的建议栏目中指出“为促进学生物理学科核心素养的发展,课程学习中要倡导基于项目的学习或整合学习等方法,促进学生基于真实情境下学科和跨学科问题解决能力的发展,促进学生素养的发展”.[1]新课标强调学生跨学科问题解决能力的培养,提倡以项目式学习促进学生跨学科问题解决能力的提升.同时,国内外已有大量研究表明项目化学习在跨学科实践中具有极大的优势.[2-4]

“跨学科项目化学习”是跨学科学习和项目化学习的合集,综合了两者的关键特征,不管是在跨学科学习领域还是在项目化学习领域,跨学科项目化学习都是最具挑战性的.[5]它拥有跨学科学习和项目化学习的优势,且更具综合性、真实性和实践性.目前关于跨学科项目化学习的研究,主要体现在跨学科项目化学习的课程教学实施策略研究、[3]各学科间跨学科项目化学习的实践和教学设计研究、[4]跨学科项目化学习的理论研究[5]以及跨学科项目化学习驱动性问题设计的研究[6]等.综合已有跨学科项目化学习研究,我们发现部分研究存在跨学科项目化学习和学科项目化学习理论混淆以及已有研究在物理与工程跨学科项目化学习领域研究不足等问题.故本文将阐述跨学科项目化学习的内涵与特征,构建物理与工程跨学科项目化学习的实践路径,并以“制作港珠澳大桥青州航道桥桥梁模型”(以下简称桥梁模型)项目为例进行教学设计来呈现实践路径的具体操作流程,以期为物理与工程跨学科项目化学习实践提供教学参考价值.

1 递进型跨学科项目化学习

跨学科项目化学习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.[5]跨学科项目化学习强调学科间不可割裂的关系,不是我们普遍提及的“多学科”或学科项目化学习.“多学科”,强调各学科知识间并列学习,学科间存在明显的界限;学科项目化学习更多时候是以一门学科为主,可能会涉及到其他学科的知识,但其他学科经常是作为辅助.跨学科项目化学习不是为“跨学科”而“跨”,而是因为解决该问题需要整合应用两门及以上学科的知识和方法,才“跨”.不同于传统以“知识为中心”的教学,其更强调以“学生综合能力发展”为中心.而核心素养在国际上也被称为“21世纪能力”,劳拉·格林斯坦(Laura Greenstein)等提出的21世纪能力矩阵,由3个维度构成,即思维能力、行动能力、生活能力.[7]这3个维度包含了核心素养的重要培养内容,说明跨学科项目化学习在发展学生核心素养方面具有先天优势.

夏雪梅博士提出关于跨学科项目化学习的3种实践原型,即组合、递进、冲突.[5]递进型跨学科项目化学习指对跨学科问题的拆解不是按照一般意义上的学科项目化学习,而是依照选定跨学科问题的问题解决逻辑来拆解,在拆解跨学科问题过程中,会形成多个子问题,解决每个子问题可能会整合应用到各子学科的知识和方法,但在不同的问题解决阶段仍会以某一学科为主,其他学科起辅助作用.此次研究项目“桥梁模型”主要涉及的子学科包括:物理、工程、数学、美术等,我们在拆解这个复杂的真实跨学科问题后,发现所设计的驱动性子问题呈现出一定的逻辑性,且解决问题不同阶段会以某一学科为主,因此界定研究项目的实践原型为递进型.

2 路径设计

结合已有研究成果、[3-5,8]美国《新一代科学教育标准》中科学与工程实践步骤、[9]递进型跨学科项目化学习特点以及物理和工程学科特点等,设计如图1所示物理与工程跨学科项目化学习路径.

图1 递进型:物理与工程跨学科项目化学习路径

路径具有以下特征:① 选定的跨学科问题一定是具有综合性、复杂性特征的真实问题,且解决该问题需要将两门及以上学科的知识和方法进行整合,综合应用;② 能依据问题逻辑性将跨学科问题拆解为环环紧扣的驱动性子问题,依据解决子问题所需的核心知识可明确学生学习目标,核心知识建议选自于各学科课程标准、教材内容以及学情分析;③ 需要对项目进行深入探索,学生分小组讨论确定项目验收标准,教师收取学生共性建议,由此设定项目验收标准;④ 需依据学习目标和验收标准进行项目流程的设计以及明确学生学习任务,学生学习任务应以发展学生核心素养为目标,注重学生综合能力的提升,跨学科项目化学习的流程一定要清晰化、具体化、实际化,才能凸显出跨学科项目化学习的优势;⑤ 跨学科问题会比较复杂且具有一定的难度,建议学生团队协作完成,也利于培养学生小组分工合作的能力,让学生敢于在他人面前发表自己的见解和想法;⑥ 项目评价采用多元评价的形式.

3 “桥梁模型”项目的教学设计

3.1 选定跨学科问题

选定“制作港珠澳大桥青州航道桥桥梁模型”为研究项目的跨学科问题.教师可以通过创设物理情境、趣味实验、生活实际等方式引出跨学科问题,激发学生主动去进行头脑风暴.教师播放世界上最长跨海大桥“港珠澳大桥”的介绍视频,然后提出问题:我们有可能还原“港珠澳大桥”桥梁模型吗?由此激发学生去思考如何制作桥梁模型,并明确项目的目标是完成“港珠澳大桥”桥梁模型的制作.以“港珠澳大桥”工程项目为情境导入,可激发学生的民族自豪感.且“港珠澳大桥”桥梁具有良好的外观和制作桥梁模型项目的趣味性,可以促使学生对项目产生浓厚的兴趣.

3.2 设计驱动性问题

对项目物理学原理和工程技术知识的深入探究是确保学生主动汇聚两门学科概念来制作桥梁模型的关键所在.我们在调查桥梁与隧道工程专业学生的必修课程后,选取《桥梁工程》、[10-11]有关港珠澳大桥青州航道桥设计的文章中相关且适宜的内容作为学生学习支架之一.学习支架特指学生在完成“挑战性的学习任务”时,在经过努力仍然不能自己解决问题时教师所提供的支持.[12]同时结合物理、数学、美术最新版课程标准以及教材内容,制订如图2所示桥梁模型项目的驱动性子问题、核心知识以及学习目标.驱动性子问题的设定需依据项目实际、学生认知发展阶段和学生思维水平过渡的循序渐进原则.

图2 桥梁模型项目的驱动性子问题、核心知识以及学习目标

图2学习目标中提及桥梁工程的专有名词和知识学生可以通过查阅教师提供的学习支架进行理解学习.例如,高跨比,指的是索塔高度H与斜拉桥主跨跨径l2的比值,如图3所示;主梁全宽与主梁高度比,指的是桥梁主梁全宽B与主梁高度h的比值,如图4所示;梁高与主跨比,指的是主梁高度h与主跨跨径l2的比值.

图3 索塔高度与主跨径

图4 主梁全宽与主梁高度

3.3 项目探索

围绕跨海大桥实际建设中需考虑的关键问题:防台风、防震、防撞和防护以及学生小组讨论结果,确定出符合项目实际的验收标准,如表1所示.设定项目验收标准有利于学生对项目的认识更加清晰、具体,起到督促学生完成项目的作用.同时学生在此过程中,能体会到工程技术严格的标准要求,培养学生严谨的科学探究意识.

表1 “制作港珠澳大桥桥梁模型”项目的验收标准

3.4 项目设计

依据上述学习目标和桥梁模型项目的验收标准设计项目实施环节,并规划学生学习任务,明确学生学习任务完成过程中会发展的核心素养,如表2所示.

表2 “制作港珠澳大桥桥梁模型”项目的环节设计

3.5 项目实施

项目实施课时需要根据学生的学习情况和学校教学实际来拟定,建议实施时长为5课时,第1课时,环节①②;第2课时,环节③④;第3课时,环节⑤⑥;第4课时,环节⑦;第5课时,环节⑧⑨.项目实施场所包括:学习交流室、计算机房以及实验室.项目实施对象可以为高一已学习“相互作用——力”和“动量守恒定律”章节知识的学生或高二学生.

3.5.1 走进“港珠澳大桥”

资源型学习支架:文献资料(教材、桥梁文章)、互联网设备、项目化工作单以及桥梁模型制作工具和材料等.港珠澳大桥青州航道桥为双塔三跨式斜拉桥,桥梁主要结构和制成主要结构的关键材料如图2内容.教师为学生提供合适的学习支架,引导学生使用现代技术设备查阅资料,学会辨别信息,锻炼批判性思维能力,同时培养学生信息素养.

3.5.2 桥梁物理模型建构和工程设计

学生查阅文献资料,了解到:港珠澳大桥青州航道桥为混凝土斜拉桥,悬索在空间内布置方式为竖直双索面,在索面内布置形式为扇形;主梁布置方式为连续体系,以及索塔横桥向结构形式为横向“H”形.按照前述“方式和结构形式”绘制桥梁的简易桥梁模型图,如图5所示.

图5 港珠澳大桥青州航道桥物理模型图

学生查阅港珠澳大桥青州航道桥高跨比标准范围和主梁高度与主跨径、主梁全宽与高度比、主梁全宽与主跨径比的适宜范围,具体内容见表1.以此为依据确定材料的长度、宽度、高度、直径等.根据材料的数字特性以及绘制的模型草图,学生在计算机房模仿教师绘制简易CAD图像,如图6所示,大致操作流程为:设置图幅→设置单位及精度→建立图层→导入线型→设置对象样式→绘图→尺寸标注及文字说明.学生在完成任务过程中,以工程设计师的视角去分析、解决问题,严格把控模型设计标准,培养学生科学思维和模型建构能力,体会工程师工程设计的过程.

图6 桥梁模型简易CAD切面图

3.5.3 构造解释和解决方案

学生依据绘制的模型图和CAD图,寻找合适的材料来制作桥梁模型.桥梁模型材料:长方体木块、铁钉、圆柱体木块、绳索.港珠澳大桥桥梁主要结构间实际结合或安装方式如图2内容.而学生需要进行头脑风暴,结合生活经验,思考怎么利用现有的工具完成材料间的组装.以下组装方式只是一种教学参考,桥梁模型的制作是一种创造性活动,实际教学过程中学生会产生各种有洞见的想法,教师应尽可能帮助学生实现想法,以此促进学生创造性解决问题能力的发展.最终确定在桥梁模型制作过程中,悬索和索塔直接穿孔连接,悬索和主梁打结的方式连接,效果如图7所示;主梁间采用嵌合以及钉入铁钉的方式连接,效果如图8所示.

图7 悬索和索塔间连接方式

图8 主梁间连接方式

护栏的竖直和横向木块以钉入铁钉的方式连接,效果如图9所示.索塔和桥墩间同样采用嵌合以及钉入铁钉的方式连接,效果如图10所示.横梁与索塔间采用钉入铁钉的方式连接,效果如图11所示.为提高主梁横向和斜拉桥结构的抗风稳定性,规定桥梁高跨比标准和主梁高度与主跨径、主梁全宽与高度比、主梁全宽与主跨径比的适宜范围.

图9 护栏竖直和横向木块连接方式

图10 索塔和桥墩间连接方式

图11 横梁与索塔间接方式

3.5.4 桥梁模型制作

依据桥梁模型草图、CAD图像以及各结构连接方式等,确定材料的数字特性,如图7～11所示.桥梁模型索塔高度与主跨径比值约为0.19,主梁高度与主跨径的比值约为0.01,主梁宽与主梁高的比值约为8.33,主梁宽与主跨径比值约为0.11,悬索倾角在21～30°范围内,均符合项目验收标准.按照各项标准,完成桥梁模型制作,实物图如图12所示.

图12 桥梁模型实物图

3.5.5 寻找证据论证

图1中,驱动性子问题8～11设计的目的是使学生深入理解桥梁模型中用到的物理学原理,让学生经历从物理学原理的定量探究过程到论证“为何这样设计桥梁结构”的过程,提升学生科学论证能力.例如子问题8:哪根悬索的拉力最大,为什么这根悬索的拉力最大?学生使用弹簧测力计完成每根悬索拉力的测量,发现跨度最小的悬索拉力最大,然后思考为何这根悬索的拉力最大,这个问题势必会推动学生对悬索作用于索塔的力进行受力分析,再依据合力大小与分力夹角的关系推导得到该悬索拉力最大,因而在理论推导与实验探究中生成结论,感受科学家科学探究的一般步骤.

子问题10:将压力传感器置于桥墩下,减小主梁的重量,观察压力传感器变化的示数是否等于主梁所减小的重力?该问题是为引导学生主动去探究悬索作用于索塔的合力是否是沿着索塔竖直向下并作用于桥墩.具体操作步骤:将压力传感器置于桥墩下,并进行归零操作,然后在主梁上方放置一个500 g重物,如图13所示,待压力传感器示数稳定后,记录此时压力传感器的示数;再将重物取下,仍然待压力传感器示数稳定后,记录此时压力传感器的示数;比较两次压力传感器示数的差值与重物重力大小的关系,可以发现两者在误差范围内数值大小相近,由此说明悬索合力竖直向下作用于桥墩.

图13 压力传感器和重物放置位置

子问题11:选择什么材料作为防撞材料?结合真实情境:当通航船只意外撞击桥墩时,桥墩外围包裹的充水胶囊会吸收部分由于撞击产生的能量.由于撞击过程是在短时间内发生的剧烈碰撞,内力远远大于外力,所以整个过程满足动量定理,其表达式为

(1)

其中,I为冲量,F为船只撞击充水胶囊的平均冲力,m为船只质量,t2、t1为碰撞时间,v1为船只碰撞前的速度,v2为船只碰撞后的速度.

由于船只碰撞后末速度为0,即v2=0,则

F(t2-t1)=-mv1.

(2)

得到

(3)

再根据牛顿第二定律,得到

(4)

从式(3)可以看出,平均冲力等于动量的改变量和作用时间的比值,想要减小平均冲力的大小,即减小碰撞对船只和桥墩带来的损害,就需要增大作用时间,或使力的作用趋于稳定.作用时间越长,平均冲力就越小,再结合牛顿第二定律,知道通过绘制a-t图像,同样可以判断哪种防撞材料的防撞效果最好.学生完成理论的推导学习后,将依据教师提供的学习支架设计实验方案.教师为学生提供生活中常见的防撞材料以供参考,例如,水果发泡网套、物流气泡膜、橡胶等,以及加速度传感器,数据采集器、朗威实验系统等数据采集设备.当固定在小车上的加速度传感器与小车一起加速运动时,数据采集器就可以将数据通过计算机软件处理后直接得出加速度的值,具体按照下列步骤实施.

① 采用朗威实验系统的加速度传感器,使数据采集器连接加速度传感器和实验系统,将加速度传感器插入USB连接器;

② 使用橡皮筋将加速度传感器固定在小车上;

③ 将小车放置在轨道上,距离桥墩前一段距离,在朗威实验系统中先点击“调零”按钮,再点击“开始”按钮,待数据采集器工作稳定后,以同样的力(采用同一根弹簧,压缩相同的长度)推动小车,使小车以一定的初速度去撞击防撞材料,如图14和15所示,小车撞击“物流气泡膜”和“水果发泡网套”的实验图景;

图14 小车撞击“物流气泡膜”的实验图景

图15 小车撞击“水果发泡网套”的实验图景

④ 在计算机上可以得到加速度变化曲线,根据a-t图像,比较平均冲力作用时间,选择最优的防撞材料,再将选择好的防撞材料安装到桥墩上.

分别采集小车撞击“未加防撞材料”“加物流气泡膜”和“加水果发泡网套”情况下的a-t图像,如图16所示,每组实验分别完成3次及以上.然后统计3组实验中平均冲力作用时间Δt,即加速度峰值减小至0的时间间隔,如表3所示,可以明显地看出,加防撞材料后的防撞效果优于未加防撞材料时,而“物流气泡膜”的防撞效果优于“水果发泡网套”.

表3 3组实验平均冲力作用时间数据统计表

图16 (a)(b)(c)分别为“未加防撞材料”“加物流气泡膜”“加水果发泡网套”时的a-t图像

4 跨学科项目化学习教学效果评价

依据学生学习过程中表现以及项目的最终成果,进行跨学科项目化学习综合评价.表1项目验收标准中明确指出完成各项任务的分值,包括桥梁稳定性测试、桥梁成本、桥梁模型的标准化程度、跨学科项目化学习工作单、项目成果汇报展示以及试题测试等,来获得学生学习效果反馈.同时,采用心流体验(Flow Experience)量表[13]完成学生项目学习后直观感受的测量,了解学生项目参与的体验感,反馈项目实施效果.所制订的习题应紧密围绕此次项目学习主题,例如图17所示,结合桥梁模型考查学生是否理解桥梁中的物理学原理.

图17 桥梁模型项目测试题

5 启示

物理与工程跨学科项目化学习,不仅强调培养学生综合能力,落实发展学生核心素养.同时注重激发学生对工程技术的兴趣,推动学生在进入高等学校后能青睐于工程技术专业,为国家培养更多工程技术人才.跨学科项目化学习对学生和教师来说都具有挑战性,但这个挑战性不是学习内容变难或变复杂,而是因其不同于传统教育方式,以新颖的教学和学习方式实施教学带来的挑战.对教师专业素养要求更高,学生课堂中心体现更加明显,课堂教学更加灵活,需要教师拥有更加丰富的知识和教学经验.除此以外,开展跨学科项目化学习可以促使多门学科教师间合作交流,由于跨学科项目化学习周期较长,同时需要教师及时把握学生课堂动向,也为降低项目实施的难度和提升项目实施效果,可选取多学科教师合作的方式实施项目.

从“具身认知”的角度出发,学习情境的创设会对个体在认知过程中的身心参与意愿产生巨大的影响,进而对个体认知的形成产生影响.[14]而学习情境创设中应既包括物化元素也包括文化元素.在开展跨学科项目化学习实践时,教师提供给学生不能仅是学习支架等支撑工具,还应该考虑到学生所处教学环境对学生认知产生的影响.创设学生视角的“真实情境”以及对教学环境进行调整和布置,可帮助学生在项目学习过程中产生“身临其境”的感觉.例如此次桥梁模型项目,可以设置情境:如果你是一名桥梁设计师,某天你们团队接到任务需要去修建一座跨海大桥,你的小组分配到完成“桥梁模型”制作的任务,由于时间紧急,你们需要在十五天时间内完成桥梁模型的制作.同时,适当布置项目实施场所,例如:摆放我国著名桥梁的照片、模型以及相关书籍等.项目实施过程中,学生以桥梁设计师的视角分析真实存在的工程技术问题,主动整合物理与工程学科知识和方法.在定量探究桥梁模型中所含的物理学原理环节,学生以实际问题为导向动手操作分析问题,形成更加深刻的理解,打破学生已有的迷思概念.