跨學科項目化學習的設計與教學實施
——以“自制油量表”為例

李 剛

(蘇州市教育科學研究院,江蘇 蘇州 215004)

《義務教育課程方案(2022年版)》在“課程實施”中要求“積極開展主題化、項目式學習等綜合性教學活動,促進學生舉一反三、融會貫通,加強知識間的內(nèi)在聯(lián)系,促進知識結構化”.在“課程內(nèi)容”中還新增了一級主題“跨學科實踐”,力圖通過學科間的相互作用而生成綜合育人合力,加強學生的實踐性體驗,培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、建構知識、運用知識的能力.開展跨學科項目化學習,就是在一定時段內(nèi)參與完成某一任務,完成任務的過程,就是調動原有知識儲備、獲取新知、積累經(jīng)驗的過程.這樣的學習情境和項目設計,也一定能充分發(fā)揮學生的學習主動性和積極性,使質疑、思辨、評價、反思等能力在學科實踐中得到真實有效的培養(yǎng).

筆者以“自制油量表”為任務開展跨學科項目化學習,引導學生運用浮力、杠桿、變阻器、歐姆定律、一次函數(shù)等物理和數(shù)學的相關知識進行模型構建,以項目主題及真實性問題鏈,階段性地呈現(xiàn)驅動型問題的認知路徑和結構解析,讓學生在持續(xù)性的實踐活動中激發(fā)創(chuàng)造性思維,培養(yǎng)學生復雜問題情境下的洞察力,提升學生自主學習的能力.

1 跨學科項目化學習的設計

1.1 跨學科項目化學習的內(nèi)涵及特征

跨學科項目化學習[1]是指:“為了解決一個真實而復雜的問題,學生學習并創(chuàng)造性地整合不同學科的核心知識和能力,以形成整合性的項目成果和新理解.”首先,跨學科項目化學習是學生圍繞真實的問題,應用相關學科的核心內(nèi)容開展探究活動,形成對問題的創(chuàng)造性理解并解決問題,像專家一樣實現(xiàn)對已有知識體系的解構與重構,構建反映專家思維的概念地圖.

其次,跨學科項目化學習注重學科間的知識與方法的整合應用,而不僅僅是將多個學科的知識簡單疊加與組合.例如在解決運動學中火車過隧道的相關物理量的計算,雖然會用到語文知識提取有用信息、數(shù)學知識加以推導計算,甚至還會用到美術知識畫出運動示意圖.但該過程只是用到了學生已有的語文、數(shù)學和美術等相關技能,并沒有對這些學科進行深入的學習和研究,最終產(chǎn)生的成果主要也是體現(xiàn)物理學科知識,所以不屬于跨學科項目化學習.

第三,跨學科項目化學習注重學生的持續(xù)探究.一方面是學生學習過程的全程參與,學生經(jīng)歷項目的設計、實施、評估、反思和修訂等過程,以不同模塊的體驗提升學生的批判思維、工程思維和實踐素養(yǎng)等;另一方面是探究的歷程由課內(nèi)延伸至課外,通過在課堂的深度參與,幫助學生建立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題和拓展應用等學習機制,進而學生掌握問題解決的一般化方法,遷移應用于生活中實際問題的解決,提升學生的核心素養(yǎng).

第四,跨學科項目化學習注重物化成果的公開展示,其學習主題大體分為3種類型:[2]以主題引領的探究活動,如從防治噪聲污染出發(fā),研究“比較材料的隔聲性能”的方法,最終可形成不同材料隔聲性能的研究報告;以實際應用的設計類活動,如密度計的制作、簡單電路的設計、設計和制作一個機械模型等,制成相關的模型或作品;以社會考察為主的體驗性活動,如從節(jié)能的觀點出發(fā),進行“家庭用電的調查研究”,針對考察內(nèi)容提出相關建議和解決方法,形成小論文或調查報告.跨學科項目化學習的物化成果體現(xiàn)目標導向問題導向的學習設計,以成果要求引領學生進行學習活動,不斷優(yōu)化升級物化成果的品質.

1.2 跨學科項目化學習的實踐模式構建

根據(jù)蘇州市教科院初中物理育人模式構建項目組倡導的“四輪驅動·評價導航”活動育人專車模型,跨學科項目化學習是基于真實情境和問題的跨學科學習方式,是培養(yǎng)學生綜合素養(yǎng)的重要途徑,也是有效組織開展跨學科實踐活動的重要抓手,如圖1.

圖1 跨學科項目化學習模型

學生經(jīng)歷項目導入、項目設計、項目實施、項目展示、項目評價的全過程,讓學習真實發(fā)生.創(chuàng)設真實的問題情境,激發(fā)學生興趣;注重突出問題導向,學生在項目實施過程中,會在項目設計、實施、反思、修正4個環(huán)節(jié)中循環(huán)反復,思維逐步引向深刻,促進深度學習;通過邏輯分析論證,學會知識的融合與遷移,感悟科學本質,提高綜合運用所學的多學科知識來解決實際問題的能力.

2 跨學科項目化學習的教學實施

2.1 創(chuàng)設真實情境,培養(yǎng)模型建構意識

教師呈現(xiàn)真實的問題情境:小明家新買了一輛燃油三輪摩托車,細心的小明觀察了儀表盤,發(fā)現(xiàn)它和家里汽車的儀表盤不一樣,只有速度表和轉速表,而缺少了能顯示油箱內(nèi)油量多少的油量表,如圖2.小明通過上網(wǎng)查閱資料得知,摩托車在行駛過程中,油箱內(nèi)的油量得不到實時監(jiān)測,可能遇到突然沒油的情況,此時如果不及時加油,油泵會“裸露”于燃油表面,無法及時散熱導致?lián)p壞.

圖2

通過這一真實情境引出驅動任務:自制一只能實時監(jiān)測油箱內(nèi)油量的油量表.首先提出問題:油量的變化如何轉化為儀表示數(shù)的變化?利用所學的歐姆定律相關知識,學生以電阻的大小變化為突破口,選用電壓表或電流表的示數(shù)直觀反映油量的變化,初步具備建構油量表的模型意識.學生設計了電路圖,經(jīng)過討論發(fā)現(xiàn)增加一個定值電阻可以保護電路,提升電路的安全性,如圖3.

圖3

教師實物展示油箱中油浮子,介紹其基本結構和組成部分如圖4.引導學生將油浮子變阻器結構圖與所學的電路設計相結合,應用滑動變阻器、杠桿、浮力和歐姆定律等相關知識,進一步完善油量表的電路設計,如圖5.

圖4

再次展示學生設計的電路圖,如圖6和圖7.經(jīng)過比較,反思方案設計的合理性,圖6中當油量增大時,電流表的示數(shù)也變大,符合生活中產(chǎn)品使用的一般思維邏輯.在分析遴選過程中,培養(yǎng)學生的批判性思維.在具體的實踐活動中加深學生對知識的理解,發(fā)展合作能力、實踐能力和創(chuàng)新能力.

圖6

圖7

2.2 實踐優(yōu)化制作,提升分析論證能力

基于方案的設計和優(yōu)化,學生使用提供的器材完成油量表電路連接,包括干電池2節(jié)、5 Ω和10 Ω定值電阻各1個、開關、油浮子變阻器、導線等.明確活動的任務要求,將油浮子安裝在油泵模型上,并在電流表上標出3條刻度線,分別為油量為零、油量一半和油量加滿.考慮任務設置具有一定的挑戰(zhàn)性,微視頻指導油浮子的安裝,再組織學生小組討論如何確定油量表的零刻度線.在交流過程中,學生達成共識.圖6中當浮子在最低端時,電流表指針對應的刻度線為零刻度線;當浮子在最高點時,電流表指針對應的刻度線為油量滿刻度線.從而為學生的動手操作奠定基礎,合作完成自制油量表.

跨學科項目化學習要求學生親身經(jīng)歷活動過程,關注證據(jù)意識的培養(yǎng),經(jīng)由分析論證提升作品的科學性,體現(xiàn)了跨學科項目化學習在化知識為素養(yǎng)方面的重要價值.教師指導各小組完成器材組裝,展示3種典型的安裝方式,每種方式中注意油浮子的位置.圖8中當油量表顯示為0時,油箱內(nèi)還有油;圖9中當油量表顯示為0時,油箱內(nèi)剛好沒有油;圖10中當油箱內(nèi)沒有油時,但油量表會顯示還有油.經(jīng)過分析學生一致認同圖9的安裝方式.

圖8

圖9

圖10

教師根據(jù)實際油量表的設計特點,提出開放性問題.生活中當油量表顯示為0時,你希望油箱內(nèi)剛好沒有油,車馬上停下來;還是油箱內(nèi)還有部分油,可以讓車行駛到附近的加油站.學生通過查閱資料,發(fā)現(xiàn)真實的油量表當示數(shù)為0時,油量內(nèi)浮子距離油箱底約1 cm高度,這部分燃油余量可供車行駛20公里左右.學生感悟到產(chǎn)品的人性化設計,對所設計的方案再次修正.

教師提供適量水代替油,再用一個裝有龍頭的容器模擬油箱,如圖11.以此來檢測學生自制的油量表的性能.針對測試的現(xiàn)象,學生分析原因,加以修正完善,繼續(xù)小組合作完成自制任務.學生循證優(yōu)化作品的制作,以跨學科項目化學習激發(fā)學生強大的學習內(nèi)驅力,體驗學習過程的趣味性和成就感.

圖11

2.3 公開展示成果,發(fā)展高階思維能力

學生小組為單位公開展示自制油量表的項目成果,提升學生的語言表達能力.對照表現(xiàn)性評價量表,如表1.小組介紹油量表的功能,分享制作過程中出現(xiàn)的問題及其解決策略,提出還可進一步改進的地方,其他小組對油量表成品進行評議,為課后升級油量表的制作提供強有力的支撐.

表1 自制油量表表現(xiàn)性評價

學生觀察到部分小組零刻度線和滿刻度線間的跨度大,油量表精確度高.此外還發(fā)現(xiàn)所有小組的油量表的刻度分布都是不均勻的.圍繞問題學生展開互動交流,探尋現(xiàn)象背后的原因.學生提出猜想:可能是滑動變阻器的最大阻值很大導致的,也可能是定值電阻的阻值大小不同引起的.當油浮子在最低端時,油量表顯示為0,此時不管接入電路的定值電阻是5 Ω還是10 Ω,對應的電流表示數(shù)都很小.當油量滿時,滑動變阻器的阻值為0.由歐姆定律可以估算,電源電壓為3 V,當R0=5 Ω時,I=0.6 A;當R0=10 Ω時,I=0.3 A.所以選擇5 Ω的定值電阻刻度線跨度更大,油量表精確度更高.針對油量表刻度不均勻問題,結合數(shù)學中函數(shù)的相關知識,得到表達式I=U/(R0+RP),I與RP是反比函數(shù)關系,進而證明了油量表的刻度不均勻.學生在展示過程中不斷認識、發(fā)展、完善自我,整合科學思維方法、多學科知識,從定性和定量兩個方面進行科學推理、科學論證,發(fā)現(xiàn)問題背后的原因,形成有效的問題解決策略.

2.4 評價反思拓展,具身體驗工匠精神

教師提出新的問題,用電流表改裝油量表,無法實現(xiàn)刻度均勻,能否改進電路設計方案實現(xiàn)刻度均勻?學生表示可以用電壓表來自制油量表,根據(jù)串聯(lián)電路中電壓的特點,電阻越大,其兩端的電壓越大,可將電壓表并聯(lián)在滑動變阻器兩端.教師提示由學生改進的電路設計可知,U=IRP,僅當U與RP是正比關系時刻度才是均勻的.要使滑動變阻器滑片移動時,電路中的電流仍然保持不變.電路應該如何設計?學生再次分小組合作,嘗試重新繪制電路,來滿足設計要求,如圖12.在該電路中,移動滑片時電路中電流大小不變,電壓表示數(shù)大小與其并聯(lián)的電阻大小成正比關系.學生利用器材重新連接電路,標注油量表刻度線,但發(fā)現(xiàn)刻度依然不均勻,引起學生的思維沖突,促進學生的深度思考.

圖12

油浮子變阻器阻值大小與油面高度的關系圖像,如圖13.學生找到問題的根源,發(fā)現(xiàn)油浮子變阻器阻值大小與油面高度并不是一次函數(shù)關系.

圖13

教師實物展示生活中的汽車油箱的截面圖,其上下橫截面積的大小不同,如圖14.為了減小其他零件的影響,許多油箱上下都是不規(guī)則的,從而油量的多少與油面高度之間也不是線性關系.學生意識到一個產(chǎn)品的設計、制作、完善、升級和投入使用需要經(jīng)歷復雜的過程,引導學生大膽質疑,培養(yǎng)學生思維的深刻性和批判性,提升學生的創(chuàng)新能力.

3 跨學科項目化學習的教學思考

3.1 培養(yǎng)學生發(fā)散性思維

項目化學習問題驅動時,教師提出沒有油量表,燃油摩托車如何才能知道油箱中究竟剩余多少油呢?何時需要加油?學生發(fā)散性思維被打開,有學生提出可以隨車帶一個干凈的小竹棍,經(jīng)常把小竹棍插入油箱看看油的深度來判斷油的多少,隨后被學生否決.有學生說可以憑經(jīng)驗,每次騎車之前搖搖車,聽一下汽油的響聲,感覺少了就要加油.還有學生提出,每次加油后將計程表歸零,記下能跑了多少公里.學生的創(chuàng)新想法值得鼓勵.

3.2 促進學生的深度學習

在課堂教學有限的時間內(nèi),學生基本完成了自制油量表的設計、制作、檢測和優(yōu)化等.通過科學推理,學生認為用電壓表改裝油量表可以實現(xiàn)刻度均勻,但實際結果與理論分析存在明顯差異,引發(fā)新的探究性問題.活動的重點不是讓學生制作出多么精美的油量表,而是引導學生在真實情境中發(fā)現(xiàn)問題,創(chuàng)造性地解決問題,又在解決問題中發(fā)現(xiàn)新的問題,這種對問題持續(xù)地探索就是學習的本質,提升學生終身學習的能力.

3.3 加強理論和實踐相結合

經(jīng)過項目化學習的過程,讓師生了解到課堂上學不到的知識.很多三輪摩托車都沒有油量表,但是可以通過油箱開關來掌握剩余油量.油箱加滿油或油多時,把油箱開關扳到主油箱位置,等油少主油箱不出油時,再把油箱開關扳到副油箱位置,這時油箱里還有2升左右的汽油,還能跑幾十公里,及時加油就行了.加油后再把油箱開關扳到主油箱位置,否則如果一直用副油箱,會直到把油都用光了才知道.設計者用這種簡易的方法來省掉了油量表.此外,油箱的形狀設計是根據(jù)機械零件的結構及空間布局安排綜合考慮的結果,與我們想象中的式樣大不相同,這種工程思維給師生帶來很多啟示.

3.4 達成作品的升級迭代

學生利用油浮子裝置自制油量表,經(jīng)歷了項目研究的全程,最終制作完成油量表成品,有效地提升學生的工程思維,培養(yǎng)學生理論與實驗相結合的問題解決策略.跨學科項目化學習將實踐活動由課內(nèi)延伸至課外,學生帶著問題走出課堂,利用表現(xiàn)性評價驅動學生課后繼續(xù)小組合作,通過查閱資料等方式,不斷攻破技術難點,完善油量表的設計方案,讓作品不斷迭代升級.