項(xiàng)目化學(xué)習(xí)課程《各種各樣的橋》

倪哲宇

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)對(duì)我們的教育提出了更高的要求，作為教育者中的一員，我們已經(jīng)做好準(zhǔn)備迎接教育課堂的挑戰(zhàn)。在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，我們注重學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和中華文化的有機(jī)滲透，把一些優(yōu)秀的教育理念、教學(xué)方法和本土文化特色融入項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，設(shè)計(jì)符合我們的本土化項(xiàng)目學(xué)習(xí)，利用好每一個(gè)階段性評(píng)價(jià)以關(guān)注每一位學(xué)生的點(diǎn)滴成長(zhǎng)，為傳統(tǒng)課堂的轉(zhuǎn)變和教學(xué)策略的變革提供實(shí)踐研究的經(jīng)驗(yàn)。培養(yǎng)學(xué)生能力，適應(yīng)飛速發(fā)展的社會(huì)需要，這也是我們實(shí)施研究項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的終極目標(biāo)。本文筆者談?wù)勅绾螌?guó)外經(jīng)典項(xiàng)目化學(xué)習(xí)案例用于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)課程《各種各樣的橋》的設(shè)計(jì)中。

英國(guó)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)課程《倫敦橋》

倫敦橋是英國(guó)的地標(biāo)建筑，整個(gè)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的主題內(nèi)容圍繞倫敦橋展開(kāi)，引出世界上大量名橋的信息。教師事先準(zhǔn)備了大量的資料，學(xué)生通過(guò)信息資料搜集了解每一種不同的橋的特點(diǎn)，對(duì)橋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究、分析、歸類(lèi)，探究不同結(jié)構(gòu)對(duì)橋承重力的影響。項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的終極挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)一座大橋，并通過(guò)3D打印分別完成大橋部件的制作和組合，最后通過(guò)承壓杠鈴片的多少測(cè)試大橋的承重力。

1.現(xiàn)代信息技術(shù)在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中的運(yùn)用

從《倫敦橋》的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中我們看到大量現(xiàn)代技術(shù)的使用，整個(gè)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)運(yùn)用了非常先進(jìn)的教學(xué)輔助設(shè)施，從項(xiàng)目開(kāi)始到完成終極挑戰(zhàn)，學(xué)生的研究過(guò)程主要通過(guò)iPad上的模擬軟件完成。教師事先搜集符合研究要求的素材庫(kù)，而學(xué)生利用搜索引擎查找自己感興趣的橋梁，搜集相關(guān)信息和資料，了解橋的承重結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并歸納出不同橋梁的不同特點(diǎn)，在網(wǎng)上與橋梁設(shè)計(jì)師遠(yuǎn)程對(duì)話，聽(tīng)設(shè)計(jì)師講解有關(guān)此座橋梁的設(shè)計(jì)理念……項(xiàng)目充分運(yùn)用了教學(xué)輔助設(shè)施，起到非常重要的推進(jìn)作用?！秱惗貥颉返男〗M挑戰(zhàn)以全班學(xué)生為一個(gè)整體，設(shè)計(jì)一座能承受更多重量的橋梁。在分析橋梁不同的結(jié)構(gòu)后，學(xué)生分工合作，開(kāi)始在3D模擬軟件上設(shè)計(jì)橋梁的零部件。完成零部件后，一座3D打印的橋梁呈現(xiàn)在了師生面前。隨著杠鈴片的增加，橋梁的一次次坍塌，學(xué)生不斷修改大橋結(jié)構(gòu)，最終建造出了一座能承受更多重量的橋梁。

2.本土項(xiàng)目化學(xué)習(xí)實(shí)施的分析

《倫敦橋》課程是一個(gè)將現(xiàn)代信息技術(shù)完整融合在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中的成功案例。在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中運(yùn)用3D打印，首先對(duì)于抽象思維比較薄弱的小學(xué)生來(lái)說(shuō)，可以幫助他們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中將自己的想法和理念在虛擬的世界中進(jìn)行模擬和反復(fù)調(diào)試;其次，它可以幫助小組在制作物理模型時(shí)突破傳統(tǒng)材料和工具的使用局限，只需把自己的想法在電腦上進(jìn)行拉伸等簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)變形操作，開(kāi)拓了無(wú)限的設(shè)計(jì)空間。

如果在我們的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中引入現(xiàn)代信息技術(shù)，可以借鑒《倫敦橋》課程的研究過(guò)程，將信息技術(shù)與解決實(shí)際問(wèn)題的方法結(jié)合起來(lái)。當(dāng)然，在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中運(yùn)用信息技術(shù)并不單單局限于使用3D打印，我們可以根據(jù)各個(gè)學(xué)校的教學(xué)特點(diǎn)和課程設(shè)置引入不同的現(xiàn)代信息科技技術(shù)。在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，可以幫助學(xué)生更科學(xué)地收集，分析數(shù)據(jù)，擴(kuò)大思維空間，在現(xiàn)實(shí)世界中模擬，在虛擬世界中證明，讓小組在設(shè)計(jì)如何運(yùn)用解決問(wèn)題的方法的同時(shí)，突破各種局限，碰撞出更多更有創(chuàng)意的思維火花。

美國(guó)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)課程《橋梁工程師》

《橋梁工程師》是美國(guó)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的一個(gè)經(jīng)典案例。項(xiàng)目伊始就進(jìn)入信息收集階段，在了解有關(guān)橋梁的關(guān)鍵詞匯后，學(xué)生開(kāi)始進(jìn)入職業(yè)體驗(yàn)的過(guò)程，他們需要對(duì)橋梁工程師進(jìn)行全面系統(tǒng)的調(diào)查，了解他們的工作以及他們?cè)O(shè)計(jì)的橋梁主體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，嘗試模擬制作一座跨度為5米的橋梁。

1.等比例物理模型在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中的運(yùn)用

整個(gè)項(xiàng)目中小組在浸潤(rùn)式情境中體驗(yàn)橋梁在我們生活中的重要作用，小組通過(guò)強(qiáng)大的搜索功能了解有關(guān)橋的信息，并嘗試?yán)迷O(shè)計(jì)制作等比例物理模型來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。整個(gè)項(xiàng)目的終極挑戰(zhàn)是完成一座可便攜的景觀橋梁，這個(gè)成果設(shè)計(jì)可謂精彩之極，讓人腦洞大開(kāi)，是學(xué)生創(chuàng)造力的充分體現(xiàn)。通過(guò)頭腦風(fēng)暴，學(xué)生的創(chuàng)意可謂千奇百怪，有的模仿折紙，有的橋梁被設(shè)計(jì)成可以卷起來(lái)的樣子，有的嘗試充氣的橋梁……當(dāng)然，只要能達(dá)到便攜的目的，終極挑戰(zhàn)就算成功了。

在STEM工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要求學(xué)生在等比例的情況下設(shè)計(jì)制作一座跨度為5米的橋梁，完成這個(gè)階段挑戰(zhàn)需要一定的時(shí)間，學(xué)生在家長(zhǎng)和教師的指導(dǎo)下進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)、模型制作。顯然，這需要一個(gè)比較長(zhǎng)的制作過(guò)程去不斷地測(cè)試與調(diào)整。等比例物理模型是對(duì)學(xué)生綜合技能運(yùn)用的巨大挑戰(zhàn)，它為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一個(gè)真實(shí)情境，在設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，學(xué)生能體驗(yàn)到等比例物理模型不同于其他虛擬模型的特點(diǎn)，即只有在實(shí)際操作才會(huì)遇到問(wèn)題。因此設(shè)計(jì)制作等比例物理模型可以讓學(xué)生在浸潤(rùn)式環(huán)境中真切體驗(yàn)到運(yùn)用技能解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程。

2.本土項(xiàng)目化學(xué)習(xí)實(shí)施的分析

運(yùn)用設(shè)計(jì)制作等比例物理模型需要具備一些硬件條件，如具備一定的實(shí)施空間，擅長(zhǎng)一些大件材料和工具的使用……與《橋梁工程師》課程中等比例物理模型的設(shè)計(jì)制作相比，目前我們?yōu)榱四軓V泛開(kāi)展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，多采用一些類(lèi)似吸管、牙簽、玻璃膠帶等相對(duì)比較容易操作的材料和工具，以保證所有學(xué)生都能參與實(shí)踐研究，完成物理模型的搭建。

當(dāng)然，在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中運(yùn)用設(shè)計(jì)制作等比例物理模型作為解決實(shí)際問(wèn)題的方式時(shí)，《橋梁工程師》課程的研究過(guò)程有很多可以借鑒的地方。首先，我們可以在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中選擇一些利用相對(duì)體積較小的物理模型解決實(shí)際問(wèn)題的主題內(nèi)容;其次，我們也可以通過(guò)虛擬情境的設(shè)計(jì)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)浸潤(rùn)式的情境體驗(yàn)，這樣的情境設(shè)計(jì)，相信能大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和想象力。

由此可見(jiàn)，在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中運(yùn)用等比例物理模型作為解決實(shí)際問(wèn)題的一種方式，我們需要選擇合適的主題內(nèi)容，讓設(shè)計(jì)制作的物理模型能真實(shí)地使用到日常生活中。當(dāng)然我們還可以將虛擬身份代入真實(shí)情境，比如讓小組成員化身為小動(dòng)物，運(yùn)用反向思維換位思考，運(yùn)用一些耳熟能詳?shù)耐捁适伦鳛榍榫充秩尽谡麄€(gè)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中從一開(kāi)始就為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)良好的體驗(yàn)環(huán)境，讓終極挑戰(zhàn)中的物理模型順理成章地運(yùn)用在虛擬環(huán)境中。

設(shè)計(jì)有特色的本土項(xiàng)目化學(xué)習(xí)課程《各種各樣的橋》

通過(guò)對(duì)《倫敦橋》和《橋梁工程師》的分析可以發(fā)現(xiàn)，每個(gè)國(guó)家開(kāi)展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)都會(huì)緊密結(jié)合當(dāng)?shù)貙W(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和教學(xué)資源。因此，在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，我們汲取其他國(guó)家先進(jìn)的教學(xué)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以加強(qiáng)本土項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的研究過(guò)程和研究方式，提高項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)符合本土化項(xiàng)目化學(xué)習(xí)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力是非常重要，也是非常迫切的。首先我們可以嘗試選擇一些具有中華傳統(tǒng)文化特色的內(nèi)容作為項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的引子，使項(xiàng)目化學(xué)習(xí)從學(xué)生身邊的例子入手，給予學(xué)生真切的情境體驗(yàn);其次我們也要借鑒國(guó)外先進(jìn)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在了解傳統(tǒng)文化特色的基礎(chǔ)上，嘗試使用一些先進(jìn)的信息科學(xué)技術(shù)作為解決實(shí)際問(wèn)題的技能，讓我們的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)跟上時(shí)代的步伐;最后要根據(jù)學(xué)生的思維特點(diǎn)設(shè)計(jì)整個(gè)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的主題內(nèi)容，有針對(duì)性地開(kāi)展活動(dòng)，幫助學(xué)生開(kāi)闊眼界、活躍思維，從而形成具有本土特色的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)模式。下面談?wù)勴?xiàng)目化學(xué)習(xí)課程《各種各樣的橋》的設(shè)計(jì)過(guò)程。

1.《各種各樣的橋》一課的構(gòu)架梳理

作為項(xiàng)目化學(xué)習(xí)《橋》的一個(gè)研究范例，《各種各樣的橋》一課以我國(guó)造橋歷史上的代表作——趙州橋?yàn)轫?xiàng)目導(dǎo)入，趙州橋作為我國(guó)造橋歷史上一座世界聞名的石拱橋，橋的結(jié)構(gòu)和橋身的裝飾都體現(xiàn)了我國(guó)勞動(dòng)人民的知識(shí)技能和悠久的文化底蘊(yùn)，結(jié)合四年級(jí)語(yǔ)文課程中《趙州橋》《家鄉(xiāng)的橋》這兩篇課文對(duì)我國(guó)橋梁的描述，整個(gè)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)以趙州橋作為引子，探究不同類(lèi)型的橋的承重與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以及古代橋梁與現(xiàn)代橋梁體現(xiàn)中華傳統(tǒng)文化的不同方法，梳理了人文、技能、思維、成果展示等核心知識(shí)點(diǎn)，架構(gòu)了整個(gè)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)教學(xué)框架（見(jiàn)表1）。

2.聚焦核心問(wèn)題

驅(qū)動(dòng)問(wèn)題：如何運(yùn)用身邊的材料，設(shè)計(jì)一座具有中國(guó)文化特色的景觀橋？

子問(wèn)題：為什么趙州橋是一座世界聞名的石拱橋？橋有哪些不同的結(jié)構(gòu)？趙州橋如何體現(xiàn)中國(guó)的傳統(tǒng)文化？怎樣的橋梁能成為景觀橋梁？景觀橋梁如何體現(xiàn)中國(guó)傳統(tǒng)文化？如何理解三角形是橋梁結(jié)構(gòu)上運(yùn)用最多的多邊形？

3.國(guó)外經(jīng)典項(xiàng)目化學(xué)習(xí)案例設(shè)計(jì)的借鑒

（1）將虛擬身份代入真實(shí)情境

《倫敦橋》和《橋梁工程師》都為學(xué)生設(shè)置了橋梁工程師這樣一個(gè)身份，借鑒這個(gè)方式，我們也為《各種各樣的橋》設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬身份，讓小組成員在真實(shí)的情境中完成項(xiàng)目研究和挑戰(zhàn)。我們的項(xiàng)目描述如下：

如果你是一個(gè)橋梁工程師，你能為你生活的城市設(shè)計(jì)一座具有中國(guó)傳統(tǒng)文化特色的景觀橋嗎？請(qǐng)以工程設(shè)計(jì)師的身份進(jìn)行調(diào)查，向大家介紹你的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明為什么利用這種方法設(shè)計(jì)并制作橋梁;然后以“橋”作為主題開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，調(diào)查統(tǒng)計(jì)，分析數(shù)據(jù)，匯總建議，收集篩選相關(guān)信息，運(yùn)用工程設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)一個(gè)微景觀，向最終評(píng)審闡述你們的設(shè)計(jì)理念和橋梁的結(jié)構(gòu)組成，最終在景觀橋梁招標(biāo)會(huì)中能脫穎而出，完成終極挑戰(zhàn)。

（2）等比例模型設(shè)計(jì)在項(xiàng)目化設(shè)計(jì)中的借鑒與改進(jìn)

工程設(shè)計(jì)思維是一種解決問(wèn)題的方法。首先，我們需要了解人們對(duì)景觀橋梁的需求：作為景觀橋梁，需要多大的承重能力？景觀橋梁的景觀元素體現(xiàn)在哪些地方？

工程設(shè)計(jì)就是要解決人們的實(shí)際需求，而等比例物理模型作為《橋梁工程師》中經(jīng)常運(yùn)用的一種解決問(wèn)題的方法，有著特有的真實(shí)情境體驗(yàn)。在《各種各樣的橋》的設(shè)計(jì)中，我們尚不能為所有小組提供等比例物理模型設(shè)計(jì)制作的硬件支持，因此，我們不能直接將這種制作方式直接運(yùn)用到我們的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中。但是我們可以嘗試改變等比例物理模型的設(shè)計(jì)理念，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的最終展示環(huán)節(jié)中，運(yùn)用反向思維，讓小組在微景觀的框架下設(shè)計(jì)景觀橋梁，這就為小組挑戰(zhàn)設(shè)定了一個(gè)框架，將現(xiàn)實(shí)環(huán)境等比例縮小，為每一個(gè)小組參與終極挑戰(zhàn)的成員提供參與條件。

合作小組根據(jù)微景觀的需求選擇橋梁的類(lèi)型，畫(huà)出草圖，嘗試制作物理模型。當(dāng)然我們的物理模型是采用身邊的材料完成的，如吸管、牙簽、標(biāo)簽紙、A4紙、鐵絲、棉紗線等。這些材料的創(chuàng)新使用方法本身就是一種創(chuàng)造思維的體現(xiàn)：吸管用剪刀剪開(kāi)后就能用來(lái)捆扎;牙簽是連接紙管的零部件;回形針拉直就是鋼筋的雛形;A4紙卷成紙管就是圓柱結(jié)構(gòu)……

當(dāng)然，設(shè)計(jì)制作物理模型的過(guò)程中，我們還可以采用多種傳統(tǒng)的工藝方法，比如磚瓦結(jié)構(gòu)、卯榫結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)紋飾的設(shè)計(jì)等。

因此在評(píng)估《橋》這一項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的終極挑戰(zhàn)中，最終評(píng)審根據(jù)小組展示的微景觀中景觀橋梁的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行評(píng)估。

（3）現(xiàn)代信息技術(shù)在項(xiàng)目化設(shè)計(jì)中的借鑒與改進(jìn)

借鑒《倫敦橋》采用大量的現(xiàn)代先進(jìn)信息技術(shù)作為技術(shù)支持的教學(xué)方法，我們也鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用3D軟件繪制出模擬的橋梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，學(xué)校教育理念和教學(xué)條件有了翻天覆地的變化。很多學(xué)校除了引進(jìn)3D打印技術(shù)外，樂(lè)高、圖形化編程、App小程序等都是常用的課程教學(xué)內(nèi)容，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中可以指導(dǎo)小組采用不同的技術(shù)支持完成終極挑戰(zhàn)，如我們可以在微景觀中用樂(lè)高作為景觀橋梁主體結(jié)構(gòu)或外形設(shè)計(jì)，我們也可以運(yùn)用相關(guān)金屬套材作為景觀橋梁的主要耗材……合適的技術(shù)運(yùn)用能恰到好處地體現(xiàn)出景觀橋梁的特色。

（4）思維訓(xùn)練方式在項(xiàng)目化設(shè)計(jì)中的借鑒與改進(jìn)

創(chuàng)新思維能力是項(xiàng)目化學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的主要目標(biāo)之一。從《倫敦橋》和《橋梁工程師》中我們可以看到，項(xiàng)目設(shè)計(jì)充分運(yùn)用了不同的研究模式對(duì)學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練，比如用思維導(dǎo)圖描述小組完成工程流程設(shè)計(jì)的過(guò)程、用流程圖表達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程、運(yùn)用強(qiáng)大的搜索引擎對(duì)搜集的信息進(jìn)行分析等。因此，我們?cè)陧?xiàng)目化學(xué)習(xí)中要借鑒國(guó)外案例對(duì)學(xué)生思維訓(xùn)練方式的設(shè)計(jì)，在研究項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的過(guò)程中潛移默化地進(jìn)行思維訓(xùn)練和能力培養(yǎng)（如圖1）。

對(duì)學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練可以幫助學(xué)生靈活設(shè)計(jì)并運(yùn)用不同的方法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目研究，因此在《各種各樣的橋》項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，整個(gè)研究過(guò)程我們靈活運(yùn)用多種活動(dòng)形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練。

方式1：創(chuàng)造思維培養(yǎng)——頭腦風(fēng)暴法

以“你認(rèn)為橋梁需要具備哪些基本功能或特點(diǎn)”開(kāi)展一次頭腦風(fēng)暴，記錄小組成員的想法，學(xué)生在短短的兩分鐘時(shí)間里記錄下各小組不同的答案：結(jié)構(gòu)、材料、樣式等，但是在這個(gè)環(huán)節(jié)中我們并不需要給學(xué)生定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我們只需要達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的思維訓(xùn)練目標(biāo)。

方式2：代換思維——等量代換法

外白渡橋在三次變化中采用了代換的方法，用橋墩代替浮橋，用鋼結(jié)構(gòu)代替木結(jié)構(gòu)，使橋梁變得越來(lái)越堅(jiān)固，承重能力也隨之加強(qiáng)。能不能采用代換的方法在制作過(guò)程中創(chuàng)意運(yùn)用不同的材料？通過(guò)曹沖稱(chēng)象和荒野求生等游戲題對(duì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)訓(xùn)練，為后面的工程設(shè)計(jì)制作作好鋪墊。

從目前項(xiàng)目化學(xué)習(xí)在本土實(shí)踐情況來(lái)看，我們需要借鑒國(guó)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)項(xiàng)目主題內(nèi)容進(jìn)行適度選擇與調(diào)整，再根據(jù)教學(xué)大綱梳理學(xué)科與跨學(xué)科的核心知識(shí)，統(tǒng)整一切能利用的資源。同時(shí)要在課堂中開(kāi)展小組合作，培養(yǎng)思維模式，訓(xùn)練學(xué)生的綜合技能。