指向工程思维培养的跨学科实践活动的设计

肖 晨

(苏州工业园区星洋学校,江苏 苏州 215101)

《义务教育物理课程标准(2022年版)》新增“跨学科实践”一级主题,倡导在发挥各学科独特育人功能的基础上,充分发挥跨学科综合育人功能,开展跨学科主题教育教学活动,将相关学科的教育内容有机整合,提高学生综合分析问题、解决问题能力.工程思维是指人们在工程活动及工程研究过程中形成的独特的思维方式.它是以人工造物为着眼点,着力于构建应然而未然的理想化人工系统的一种思维方式,涵盖或兼容了科学思维与技术思维的内容,是面向并解决更为复杂的工程问题的一种高阶思维.[1]

本文以“自制水动力小车”为例,具体阐述指向工程思维培养的跨学科实践活动的过程设计与教学实施,提升学生动手实践的操作能力,培养学生的问题解决能力和实践创新能力.

1 指向工程思维的跨学科实践活动的设计思路

物理是实验性学科,在项目任务驱动下的学习既符合初中学生的年龄特征,又适合物理的学科特点.在活动中的每一次任务的完成,学生能体验成功的欢乐,继而使初学物理的兴趣能持久地保持及发展.[2]指向工程思维培养的初中物理跨学科实践活动往往指向学生学习的本质,成为发展学生跨学科素养最为重要的一种学习模式,如图1所示.

图1

2 指向工程思维培养的跨学科实践活动过程设计

2.1 主题确定,制订水动力小车的学习目标

水动力小车的学习目标可描述为:学生通过参观考察、文献查阅等方式了解我国古代“龙骨水车”,了解水运动具有能量,进而利用水的机械能转化为让小车运动的能量从而制作水动力小车;通过科学探究,学习水动力小车涉及的基本原理;通过设计水动力小车的结构、制作小型水动力小车,体会工程设计与制作的过程;能够运用数学思维解决真实情境中的计算问题,如表1所示.

表1

2.2 工程设计,明确水动力小车的工作原理

通过教师提供水动力小车的工作要求,学生自主绘制水动力小车的模型.学生课堂展示设计思路,设计水动力小车的工程图纸,明确各个组成部分的功能,标注了各个环节要注意的地方.学生展开了激烈的讨论,学生对于设计的水动力小车图纸中的各个结构进行分解,讨论每一个部件的作用,整体把握水动力小车各要素特征.在该过程中,学生交流水动力小车的工作原理,并预设制作过程中可能存在的问题和注意事项.学生认识水动力小车的能量转化过程,进而为将水能转化为小车的机械能提供解决思路,进一步思考使小车行驶得更远的方法,为制作水动力小车奠定基础.

2.3 实践规划,合作制作水动力小车的模型

学生根据设计的水动力小车的图纸结构,规划小组成员的任务.首先,分工合作寻找适宜的实验器材,如生活中方便活动的车轮,比较合适的是光碟;其次,在小车整体支架结构的组装时,学生普遍存在困难,需要考虑将水能转换为小车的机械能,学生通常会将水的重力势能转化为小车的动能,需要用容器将水举高进而具有重力势能.再次,小车各个部分的黏合固定时,需要学生测试黏合剂的性能,并选择合适的黏合剂,使得支架质量小且牢固,又整体质量较小.此外,教师使用“腾讯会议”“希沃云课堂”等网络平台建立线上、线下混合式学习小组,学生通过小组讨论,个性化交流等实现小组合作、资源共享.云端一体化物理课堂突破时空限制,引领学生自我导向的个性化学习.学生通过线上、线下融浸式学习方式发表制作过程中遇到的问题,以图片、视频等多媒体资源等形式动态立体呈现问题,形成生生互动、师生共研、共同探索解决问题的增长型课堂新态势,如图2所示.

图2

2.4 成品优化,迭代完善改进水动力小车

教师引导学生制订水动力小车的评价标准,积极地探讨不断迭代出新的产品.诸如怎样正确使用热熔胶枪?如何保持水车重心稳,怎样提高水的高度,如何让水车跑得更远、跑得更快?怎样去带动它的一个转动的轴,让它轴线可以更长,又不影响使用.基于作品的优化设计,培养学生的技术素养.学生制作的初步产品中,用ABS棒搭建的小车支架,可能在高度大小上会存在一定的弱势.如果用其他的支架,相对其他材料支架所承载的水量会比较少,承载能力有限.还有小车转动轴线长短的设计方式等.依据评价标准,学生不断探索优化水动力小车的设计,使其逐步完善改进、迭代升级.在优化测试过程中培养学生的创新能力和实践素养.

2.5 成品展示,交流反思总结实践成果

在成品展示环节,各个小组学生对自制的水动力小车进行微展示,分享制作过程中存在的问题和解决方法,对小车的优点进行说明,如图3～图5所示.教师组织各小组进行水动力小车测试评比,学生已经学习速度、匀速直线运动等相关内容,根据小车的评价标准,要求学生在小车的容器中加入100 g的水,在同样的路面行驶,比较小车行驶的距离,距离越大小车越符合测试要求.以两个活动设计进行小车的测试,活动1为比距离,在水量相等的情况下,水动力小车运行的距离.学生分析如何最大程度地将水的能量转化成小车的动能;活动1的完成后,学生思考是否还有其他的方式比较水动力小车的性能?得出还可比较水动力小车的行驶速度,学生进入活动2比速度,通过水动力小车运行的距离和运行的时间来计算平均运行速度,利用数字软件直观呈现各个小组的路程-时间图像,进一步转换为速度-时间图像,突出物理知识在解决实际问题过程中的重要作用.学生在分享展示过程中提高语言表达能力,针对不同的评价目标进行活动设计,培养批判性思维能力,辩证地看待水动力小车的优劣程度.

图3

图4

图5

3 基于跨学科的项目化学习的实践策略

3.1 工程设计,运用专家思维解决问题

素养指向解决现实世界的问题.传统课堂存在脱离特定情境的现象,割断了核心素养与事物表征的联系,未能激发和保持学生解决问题的动机,没有让学生经历完整的问题解决过程.学习往往让学生获得一种只适用于学校场景的“惰性知识”,而惰性知识无法迁移到未来真实问题的解决中,并阻碍素养的形成.素养导向体现在课堂转型上,重点就是要从专家结论转向培养以创新为特征的专家思维.学生在制作水动力小车时,教师引导学生以专家思维解决问题,一是基于网络资源查阅资料,如小车材料的选取,三角结构的稳定性等;二是基于实验探究得出结论,什么材料制作车轮的可行性分析,水瓶高度确定的科学论证等.

3.2 工程优化,凸显学以致用的实践范式

虽然内容知识作为知识运用的条件,并不在于强化基于讲授法的知识掌握.甚至唯有经过思维、探究和知识运用,而获得知识才具有使用价值,能够被学习者迁移、有效运用.由此,知识掌握与知识运用间的关系并非先后论,而是以知识运用为循环中心的互动、转化关系.在优化水动力小车环节凸显用以致学的实践范式,通过水动力小车作品的评估、展示及比较,分析提升小车行驶距离的方法;通过水轮的结构变化、止水阀的应用、水轮的大小来改变水动力小车的速度.在知识运用、问题解决方面更新了个人经验,获得了知识.而后在面对下一新的问题情境时,伴随对知识的运用与问题的解决,进而学习经验与学习结果便超越了知识本身,体现为一种知识、技能与态度全面获得提升的综合体.

3.3 工程评价,强调为学习的评价导向

对水动力小车的评价有效体现了从对学习的评价到为学习的评价观念的转变,考量学生能否在一个真实性情境中解决问题,显然评价是学习的重要组成部分.学生经历评价标准的制订(比较水动力小车的速度;比较水动力小车行驶的路程)、评价过程的实施、评价结果的呈现等,融合了学生对已有学习内容的整合应用,聚焦真实性情境技术支撑下学生分析综合能力的培养,借助信息化手段分析小车的运动过程,使得知识成为问题解决的工具、交往协作的媒介,最终目的在于生成自己的思考与理解.