跨学科实践活动的设计与案例（2）

前面的系列文章介绍了跨学科实践设计的目的、方法和特点，下面具体介绍几个跨学科案例。为了让更多教师理解，案例涉及的学科范围比较广泛。

一、小夜灯

设计制作小夜灯，该活动要考虑电路的连接、美观以及整体的封装（如图1）。

如果把电池供电改成水果发电，则要考虑什么水果和金属的配合效果好（如图2）。

这一活动涉及物理、化学、艺术、技术、工程、生物、数学等，是一个STEM活动项目。

关于这一项目，可以考虑的问题包括但不限于：水果发电的原理是什么？不同水果的效果如何？不同金属的效果如何？电压不够如何处理？过程中涉及什么能量转换？过程中产生了什么物质？如何收集、证明新物质是什么？如何写反应方程？整个装置如何封装？如何增加艺术性？如何拓展应用？

这一活动也涉及高阶思维，如：批判思维——水果能否发电要通过实践证实，这是基于事实处理问题的模式；创造思维——艺术本身充满了创造性，艺术与技术结合更有创意，工程本身就是创造不存在的物品；工程思维——装置要结实、耐用，制作过程也是一种技术工程实践，要系统地进行思考设计；计算思维——装置的榫卯结构、各部件的连接关系，都需要进行计算，是计算思维的体现。

二、露似珍珠月似弓

白居易在《暮江吟》中写道：

一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红。

可怜九月初三夜，露似珍珠月似弓。

根据这首诗（有的写作“真珠”），教师可以给学生布置一些跨学科的探究任务，包括但不限于：

对诗词如何理解？“可怜”“珍珠”的含义是什么（语文）？

自己做实验，看看最大能形成多大的水珠（探究）。

解释露珠为什么容易在晚上出现（科学+物理）？

农历初三的月亮在什么时间范围内可以看到（数学+地理）？

农历初三的月亮是什么形状的（科学+地理）？

查找资料，比较农历初三的月相与古代弓的形状，诗词中的描述是否夸张（历史+语文）？

为什么露似珍珠？这与表面张力有关，表面张力是液体表面由于分子引力不均衡而产生的作用力（如图3）。

露珠很小，尺寸一大，就会由于重力作用导致塌陷，所以在地面上难以形成很圆的大水珠。下面是与真实的珍珠、硬币对比的图像，可以看出诗词中把露珠比作珍珠，略有夸张成分（如图4）。

空气中含有水汽，温度低时，多余的水汽就凝结成水滴附着在地面物体上，形成露。农历九月初三附近有寒露和霜降两个节气，晚上水汽容易凝结成露。

关于月亮，有一个基础常识：农历初一时，太阳月亮同升同落，农历十五时，两者一升一落。由此，可以画出农历每天18：00时（太阳落山时），月相大致的样貌（如图5）。

根据太阳、月亮运动的规律可以判断：如果是农历初三（如图6），白居易诗歌中的太阳约在18：00落山，能看到月亮的时间大概率在18：00—19：30。考虑到秋天白昼较短，上述整个时间提前约半小时。时间太早，太阳没有落山，基本看不到月亮；时间太晚，月亮也落山了。对此，有兴趣的学生可以做一个简单装置，来测量月亮、太阳的夹角，看看与上述分析是否吻合。

农历初三真的月似弓吗？通过比较，我们可以看到农历初三时月亮的形状和古代弓箭的形状很接近（不看箭头）。不过，有兴趣的同学可以再看看现代比赛的弓，结构就复杂得多了，有很多附加零件（如图7）。当然，根据跨学科概念“结构与功能”，自然也可以分析出其背后的道理。

本活动除了涉及语文（诗词）、物理（表面张力、凝结）、地理（月相）、历史（弓的形状及演化）和数学（月亮运动的快慢）外，也涉及高阶思维，如：批判思维——分析露珠产生的条件，对露珠和月亮的形状有自己的见解；创造思维——科学与文学结合，根据月相估计诗中场景的大概时间；计算思维——根据月亮的运动规律，计算出某一时刻月亮的位置；工程思维——设计制作“太阳-月亮”角度观察仪，验证理论上的结论。

三、满招损，谦受益

太阳在不同季节所处的黄道位置不同，人们由此确定了二十四节气。不难发现，一些节气有“大”与“小”的区别，如小暑与大暑、小雪与大雪、小寒与大寒。然而，根据这一规律应该有“小满与大满”，结果发现并没有，变为“小满与芒种”了。这里面有什么道理呢？

原来，这里面涉及中华古语“满招损，谦受益”：小满勉强还可以接受，大满是万万不能接受的。这个思想经过孔子宣传，已经成为中国传统文化的组成部分了。

《荀子·宥坐篇》记载：

孔子观于鲁桓公之庙，有欹器焉。孔子问于守庙者曰：“此谓何器？”守庙者曰：“此盖为宥坐之器。”孔子曰：“吾闻宥坐之器者，虚则欹，中则正，满则覆。”孔子顾谓弟子曰：“注水焉。”弟子挹水而注之。中而正，满而覆，虚而欹，孔子喟然而叹曰：“吁！恶有满而不覆者哉！”

其中，“欹”是倾斜的意识，“宥座”是右座。“虚则欹，中则正，满则覆”的意思是：这一装置在空的时候是倾斜的，加一部分水后就直立起来，加满水就会倒下。

欹器是孔子时代的一种独特的装置，现已失传，能否利用多学科、跨学科的知识进行复原（了解原理、设计并制作）？

可以从不同的视角看待这一问题：孔子及其“中庸之道”——历史；“满招损，谦受益”——教育；设计、制作、调试——能力；平衡、稳定、重心——力学。这正符合清华大学“三位一体”的教育理念：价值塑造、能力培养、知识传授。

经过分析，欹器有几种可能的形式。我带领学生选择“座右铭”形式进行复原（如图8，具体分析略）。

欹器的复原，涉及了地理（节气）、语文（古文）、历史（孔子）、物理（受力、平衡）、数学（形状的方程）、技术（设计）、工程（加工）、计算机（根据形状方程计算），是大范围的跨学科活动，从文科到理科，从理论到实践，是真正的跨学科实践活动。

这一活动也涉及高阶思维，如：批判思维——通过模型获得可以重复的证据，直观且有说服力；创造思维——从节气联想到中国文化，把复杂的现象同物体的平衡与稳定关联在一起；计算思维——座右铭式的欹器比较复杂，其设计需要大量计算；工程思维——利用设计和物化做出装置，借助模型印证“满招损，谦受益”。