初中階段物理與綜合實踐活動的整合課程研究
——以“橋梁設(shè)計師”系列課程為例

陳冀軒

(佛山市南海區(qū)大瀝鎮(zhèn)初級中學，廣東 佛山 528231)

隨著國家對教育方式的要求逐漸提高,多學科之間整合形式的課程成為新的研究方向[1-2]. 物理是一門基于生活、實驗和實踐的學科，在學生學習課本理論知識的同時，也需要有機會對所學知識進行一定的實踐，只有加深對知識的理解與認識，才能熟練掌握知識. 因此推行物理學科與綜合實踐活動的整合[3]，可以構(gòu)建全新的自主知識掌握模式，拓展物理課堂，讓物理不再成為“架空”的學科. 同時提高學生從生活現(xiàn)象中獲取物理知識的能力，激發(fā)學生學習物理的興趣.

1 實施背景與條件分析

1.1 初中物理的知識架構(gòu)

以人教版初中物理教材為例，力學是較為獨立的部分，由于力學知識體系的龐大以及難度較高，八年級的下學期都會用于力學部分知識的學習. 同時，力學與日常生活密切相關(guān)，即使學生沒有系統(tǒng)學習力學，也會對力學知識存在基于生活的認識，這也為后續(xù)的綜合實踐課堂的開展奠定了基礎(chǔ).

1.2 學生的特點

物理一般是八年級新增的學科. 對于九年級的學生，由于升學考試的壓力，無法開展整合課程，因此只能從八年級學生入手.

1)從學生學習壓力上分析，八年級學生整體學習壓力偏小，有較多的課余時間，這也為整合課程的開展奠定了時間基礎(chǔ)；同時，八年級教師的教學任務(wù)也較輕，可以更好地完成整合課程的備課工作.

2)八年級的學生剛接觸物理，學習興趣較為濃厚，學習熱情高.

綜上所述，整合課程最佳的對象為八年級的學生，實施時間可選擇八年級上學期或者下學期.

2 整合課程的準備工作

2.1 準備工作

1)選定課程目標；

2)確定授課內(nèi)容及課程的主題；

3)劃分好課時的數(shù)量以及每個課時的內(nèi)容；

4)計劃課程內(nèi)的實踐內(nèi)容；

5)準備好實踐操作的工具和場地.

2.2 課程內(nèi)容的選擇

1)內(nèi)容與初中物理的幾個板塊知識接軌，不能脫離初中物理的研究范圍；

2)具有一定難度，需要學生進行探究后才能得出結(jié)論；

3)內(nèi)容上不一定是學生已經(jīng)學過的內(nèi)容，但是學生可以從生活中獲得靈感，或者靠獨立思考來完成；

4)課程內(nèi)容最好與未來的學習內(nèi)容接軌，例如與初三或高中的物理內(nèi)容存在交叉與重合.

本次選擇了“橋梁設(shè)計師”課題開展物理與綜合實踐的整合活動.

2.3 整合課程的時間與課時安排

在“橋梁設(shè)計師”系列課程中，物理教師與綜合實踐教師配合，在不影響課程進度的情況下，通過7個課時的綜合實踐課堂時間，完成了所有的課時進度. “橋梁設(shè)計師”系列課程的課時安排如下(1課時約為45 min):

1)學習基礎(chǔ)知識并研究設(shè)計方案，2課時；

2)練習制作橋梁，2課時；

3)正式制作橋梁，2課時；

4)成果檢驗與討論，1課時.

3 課程核心分析

整合課程的核心是讓學生通過課程以外的方法和途徑來獲得知識. 對于物理和綜合實踐結(jié)合的整合課程，自然需要通過綜合實踐的途徑，讓學生學習到物理知識.

3.1 物理學是基于生活的學科

在“橋梁設(shè)計師”系列課程的設(shè)計上，教師先不講授橋梁設(shè)計的基本知識，讓學生從生活中尋找相關(guān)的例子，嘗試分析物理原理，并應(yīng)用在橋梁設(shè)計中，真正做到“從生活中來，到生活中去”的物理學習基本方法. 這樣做可以讓學生明白物理在生活中的地位和作用，學生通過“觀察—發(fā)現(xiàn)—思考—分析—論證—應(yīng)用”的流程來獲得知識，比教師單純通過課堂上進行理論教學的效果好.

3.2 物理學是基于動手的學科

在“橋梁設(shè)計師”系列課程中，學生小組把研究得出的結(jié)論應(yīng)用到橋梁制作，不僅是設(shè)計上應(yīng)用，還要制作出橋梁模型，并且通過承重實驗來探究效果. 所以在進行物理和綜合實踐的整合課程時，必須同時兼顧知識應(yīng)用，體現(xiàn)物理的研究方法，才能達到最佳效果.

4 “橋梁設(shè)計師”課程詳情記錄

4.1 每課時的內(nèi)容安排

4.1.1 第1～2課時：學習基礎(chǔ)知識并研究設(shè)計

方案

本課時主要交代課程大綱以及課程目標：根據(jù)所學知識以及生活經(jīng)驗，用有限的材料、時間和人手，制作可以承載最大重力的橋梁模型. 同時，給學生觀看優(yōu)秀的橋梁設(shè)計，讓學生圍繞優(yōu)秀橋梁進行小組討論，分析其優(yōu)秀之處，即大家認為的橋梁能承受較大重力的原因. 引導各小組完成優(yōu)秀案例的分析后，各小組開展討論，共同完成融合了優(yōu)秀設(shè)計案例的優(yōu)點以及小組內(nèi)全部成員智慧結(jié)晶的橋梁設(shè)計的初步方案.

在第2課時結(jié)束時，布置小組任務(wù)，讓小組利用課后時間，完成橋梁的設(shè)計，并畫出經(jīng)過分析和思考后的橋梁設(shè)計圖. 輔導教師對各小組的設(shè)計圖進行驗收，檢查各小組的完成進度，但該階段不宜介入小組的設(shè)計.

4.1.2 第3～4課時：練習制作橋梁

各個小組根據(jù)設(shè)計稿，開始制作橋梁. 本課時的作用是讓學生提前認識和熟悉器材與材料，同時通過動手制作橋梁，認識到原有設(shè)計中的不合理之處，在第1次嘗試制作時發(fā)現(xiàn)不足，并進行修改. 經(jīng)過一輪制作后，各小組對于組內(nèi)分工和如何提升制作效率會有更深刻的認識. 本課時輔導教師不宜介入過多，盡可能給學生留有思考空間，輔導教師只需要負責提供器材和材料、維持課堂紀律即可.

4.1.3 第5～6課時：正式制作橋梁

本階段需要2個課時的時間，最好選取2節(jié)課連堂的時間完成，這是為了保證學生思路的連貫性. 本階段的內(nèi)容是制作實際作品. 小組之間不再相互交流，只能使用提供的限定數(shù)量的材料、工具. 各小組在同一起點開始制作，同時結(jié)束，保證比賽的公平性.

4.1.4 第7課時：成果檢驗與討論

本階段為最終的成果檢驗階段. 各小組需要介紹自己小組橋梁的特點和靈感來源. 各小組在課程前與輔導教師交流，提前提供設(shè)計靈感、設(shè)計亮點，完成展示時的PPT頁面制作，提升展示效果. 在測試階段，各小組需要在測試臺上對橋梁進行壓力測試，在屏幕上實時展示測試數(shù)據(jù). 假如某個小組設(shè)計的橋梁可以在某個壓力值下保持10 s，那么計入最終成績. 再次提升壓力，每次壓力提升5 kg，如果橋梁依然能承受10 s，則更新成績，否則以上次成績?yōu)闇?

測試階段結(jié)束后，開始經(jīng)驗分享. 各小組分享制作橋梁的收獲、感想，最后輔導教師總結(jié).

4.2 各小組制作的橋梁成果展示

6個小組設(shè)計的橋梁如圖1所示. 橋梁承壓測試成績?nèi)绫?所示.

圖1 全部橋梁

表1 橋梁承壓測試成績表

4.2.1 小組1的橋梁設(shè)計細節(jié)與靈感

小組1的設(shè)計亮點是采用了大量的三角形結(jié)構(gòu)，并且把橋梁設(shè)計成為又高又窄的形式，如圖2所示. 小組1的學生認為，大量使用三角形結(jié)構(gòu)可以增強橋梁的穩(wěn)定性，在生活中需要承受大量壓力的情況，都會使用三角形結(jié)構(gòu)，例如自行車的車架、籃球架，現(xiàn)實中的橋梁也會使用大量的三角形結(jié)構(gòu)，所以這一設(shè)計靈感來源于生活.

圖2 小組1的橋梁設(shè)計圖

使用高窄形狀的橋梁設(shè)計，組長的分析思路為：如果把橋梁看做整體，可以把橋梁看做1根木棍來分析，木棍越短越難掰斷，能夠承受的壓力也越大.

可惜小組1的測試成績并不好，可能是制作時間不足導致橋梁沒有撐過第一輪的5 kg測試.

4.2.2 小組2的橋梁設(shè)計細節(jié)與靈感

小組2使用了矮扁的橋梁設(shè)計，同時在橋梁承重處，使用了大量的木料制作了復雜的圖案，如圖3所示. 小組2的成員表示，這是為了增加橋梁的承重面積.

圖3 小組2的橋梁設(shè)計圖

小組2的學生在看了八年級下冊的物理課本后發(fā)現(xiàn)，想要減小橋梁的形變程度，就必須增大橋梁的承重面積. 例如在挖掘機上安裝履帶，通過增大接觸面積來減少地面的形變，防止挖掘機陷入泥地中. 所以在保證正常承重的情況下，通過設(shè)計復雜的圖案來增加受力面積. 而設(shè)計成矮扁的橋梁形狀是為了節(jié)省材料(省下來的材料全部用在承重部分的制作上).

小組2的橋梁承受的重力在全部小組中名列第3，證明增加接觸面積可以增強橋梁的承重能力的設(shè)計方向是正確的.

4.2.3 小組3的橋梁設(shè)計細節(jié)與靈感

小組3同樣采用了矮扁的橋梁設(shè)計方案，如圖4所示，但是理由與小組2不同：小組3認為，矮扁的橋梁最大的好處，是讓橋梁更加穩(wěn)定，不宜翻倒. 為了驗證猜想，他們甚至做了實驗：用相同大小的推力去推同學，這位同學分別直立和蹲馬步，實驗發(fā)現(xiàn)蹲馬步更不容易被推倒. 正是這一生活經(jīng)驗，讓他們堅定地選擇了矮扁設(shè)計方案.

圖4 小組3的橋梁設(shè)計圖

小組3并沒有采用大量復雜圖案來增加接觸面積，而是把剩余木材用在加固橋梁，增加三角形結(jié)構(gòu)，提高橋梁的強度.

值得一提的是，小組3的制作水平，在全部小組中是最高的，用時也最短. 在最終的測試中，小組3的橋梁竟然承載了40 kg的重物，成為了當之無愧的第1名.

4.2.4 小組4～6的橋梁設(shè)計細節(jié)與靈感

小組4～6的橋梁整體結(jié)構(gòu)采用拱形.

小組4整體使用拱形設(shè)計，為了增強承重能力，橋梁中間添加了許多三角形結(jié)構(gòu)，如圖5所示. 小組4表示，拱形橋梁是為了節(jié)省木材，增加更多的三角形結(jié)構(gòu).

圖5 小組4的橋梁設(shè)計圖

小組5表示拱形橋梁是為了分散壓力，如圖6所示. 為此小組5的同學還準備了實驗：如果用握住雞蛋的方法來破壞雞蛋殼，所用的力比直接磕碎要大得多. 生活中也存在通過拱形結(jié)構(gòu)分散壓力的例子，例如壓力容器都是圓柱形，潛水艇也做成圓柱形.

圖6 小組5的橋梁設(shè)計圖

小組6集合了其他組的優(yōu)點，既有拱形結(jié)構(gòu)，也有三角形和大接觸面積，甚至還在拱形結(jié)構(gòu)下增加了另外的1層三角形結(jié)構(gòu)(圖7)，專門用于承受壓力，不過作為代價，他們的三角形結(jié)構(gòu)較少. 在最終的測試階段，小組6由于缺少制作經(jīng)驗，制作的橋梁強度不夠，橋梁承重35 kg，成績僅次于小組3.

圖7 小組6的橋梁設(shè)計圖

4.3 各個小組的感想、認識與收獲

4.3.1 團隊協(xié)作的重要性

為了增強團隊協(xié)作能力，在橋梁設(shè)計之前，提前進行1次設(shè)計的練習. 在練習過程中，不少組由于參與的人數(shù)不夠多，效率低下，導致不能在規(guī)定的時間內(nèi)完成任務(wù). 經(jīng)過了第1次練習后，小組組長對設(shè)計的過程有了基本的認識. 不少小組在最終制作之前在組內(nèi)分工，甚至小組3對制作流程中的各個步驟都進行了詳細的分工，給每個成員都分配了任務(wù).

通過整合課程，學生們也認識和體會到，所有工程不可能靠幾個人完成，小到橋梁的模型，大到真實的橋梁工程，都是需要團隊合作來完成. 同時這也是對組長能力的鍛煉，團隊的成員需要凝聚力，需要組長的調(diào)度與分配.

4.3.2 理想和現(xiàn)實的區(qū)別

小組2的同學表示：全體成員在課程前低估了任務(wù)的難度，開始設(shè)計時，成員構(gòu)思出了形態(tài)各異的橋梁，但是在真正開始制作時，由于缺乏專業(yè)知識，這些異想天開的設(shè)計無法實現(xiàn)，最后只能從比較簡單的設(shè)計做起.

小組4的同學表示：在開始設(shè)計只考慮了理想情況下的方案，沒有考慮方案該如何制作才能發(fā)揮理想的性能. 在制作時，木棍之間無法完全貼合，不少同學直接把膠水涂上去，既沒考慮木棍之間是否貼合，也沒考慮膠水凝固需要時間.

小組4的組長在分享時也表示：涂抹膠水后，可以使用燕尾夾對黏合處進行夾持，放置一段時間后再打開燕尾夾，等待膠水干透. 夾持的時間由氣溫而定.

小組6的組長指出：在制作橋梁時，需要注意木棍之間的連接穩(wěn)定性. 柱狀的木棍之間在拼接時存在大量的空隙，因此最佳的制作方法是對木棍的連接處進行修整，讓木棍具有一定的傾角，更加貼合.

輔導教師寄語：橋梁工程涉及諸多學科，要想完成橋梁建設(shè)，離不開各專業(yè)人士的合作.

5 結(jié)束語

開展物理學科與綜合實踐活動的整合課程，在教師的協(xié)助下學生掌握并應(yīng)用物理知識，學生獲得應(yīng)用知識解決問題的成就感，該活動貫徹了STS理念. 物理在整合課程的應(yīng)用還需要更多的研究，例如課時分配等問題，希望在師生的努力下，整合課程可以成為結(jié)構(gòu)完善、課標明確、教材和課題豐富的常駐課程.