遞進(jìn)型:物理與工程跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)實(shí)踐
——以制作“港珠澳大橋”橋梁模型項(xiàng)目為例

蔡 雨 馬 玲 馬曉波 羅小成

(1. 寧夏大學(xué)物理學(xué)院,寧夏 銀川 750021; 2. 內(nèi)江師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院,四川 內(nèi)江 641000)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》地方和學(xué)校實(shí)施本課程的建議欄目中指出“為促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展,課程學(xué)習(xí)中要倡導(dǎo)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)或整合學(xué)習(xí)等方法,促進(jìn)學(xué)生基于真實(shí)情境下學(xué)科和跨學(xué)科問題解決能力的發(fā)展,促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)的發(fā)展”.[1]新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)學(xué)生跨學(xué)科問題解決能力的培養(yǎng),提倡以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科問題解決能力的提升.同時(shí),國(guó)內(nèi)外已有大量研究表明項(xiàng)目化學(xué)習(xí)在跨學(xué)科實(shí)踐中具有極大的優(yōu)勢(shì).[2-4]

“跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)”是跨學(xué)科學(xué)習(xí)和項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的合集,綜合了兩者的關(guān)鍵特征,不管是在跨學(xué)科學(xué)習(xí)領(lǐng)域還是在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)領(lǐng)域,跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)都是最具挑戰(zhàn)性的.[5]它擁有跨學(xué)科學(xué)習(xí)和項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì),且更具綜合性、真實(shí)性和實(shí)踐性.目前關(guān)于跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的研究,主要體現(xiàn)在跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的課程教學(xué)實(shí)施策略研究、[3]各學(xué)科間跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的實(shí)踐和教學(xué)設(shè)計(jì)研究、[4]跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的理論研究[5]以及跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)性問題設(shè)計(jì)的研究[6]等.綜合已有跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)研究,我們發(fā)現(xiàn)部分研究存在跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)和學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)理論混淆以及已有研究在物理與工程跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)領(lǐng)域研究不足等問題.故本文將闡述跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的內(nèi)涵與特征,構(gòu)建物理與工程跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的實(shí)踐路徑,并以“制作港珠澳大橋青州航道橋橋梁模型”(以下簡(jiǎn)稱橋梁模型)項(xiàng)目為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)來呈現(xiàn)實(shí)踐路徑的具體操作流程,以期為物理與工程跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)實(shí)踐提供教學(xué)參考價(jià)值.

1 遞進(jìn)型跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)

跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)指為了解決一個(gè)真實(shí)而復(fù)雜的問題,學(xué)生學(xué)習(xí)并創(chuàng)造性地整合不同學(xué)科的核心知識(shí)和能力,以形成整合性的項(xiàng)目成果和新理解.[5]跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)科間不可割裂的關(guān)系,不是我們普遍提及的“多學(xué)科”或?qū)W科項(xiàng)目化學(xué)習(xí).“多學(xué)科”,強(qiáng)調(diào)各學(xué)科知識(shí)間并列學(xué)習(xí),學(xué)科間存在明顯的界限;學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)更多時(shí)候是以一門學(xué)科為主,可能會(huì)涉及到其他學(xué)科的知識(shí),但其他學(xué)科經(jīng)常是作為輔助.跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)不是為“跨學(xué)科”而“跨”,而是因?yàn)榻鉀Q該問題需要整合應(yīng)用兩門及以上學(xué)科的知識(shí)和方法,才“跨”.不同于傳統(tǒng)以“知識(shí)為中心”的教學(xué),其更強(qiáng)調(diào)以“學(xué)生綜合能力發(fā)展”為中心.而核心素養(yǎng)在國(guó)際上也被稱為“21世紀(jì)能力”,勞拉·格林斯坦(Laura Greenstein)等提出的21世紀(jì)能力矩陣,由3個(gè)維度構(gòu)成,即思維能力、行動(dòng)能力、生活能力.[7]這3個(gè)維度包含了核心素養(yǎng)的重要培養(yǎng)內(nèi)容,說明跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)在發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)方面具有先天優(yōu)勢(shì).

夏雪梅博士提出關(guān)于跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的3種實(shí)踐原型,即組合、遞進(jìn)、沖突.[5]遞進(jìn)型跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)指對(duì)跨學(xué)科問題的拆解不是按照一般意義上的學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí),而是依照選定跨學(xué)科問題的問題解決邏輯來拆解,在拆解跨學(xué)科問題過程中,會(huì)形成多個(gè)子問題,解決每個(gè)子問題可能會(huì)整合應(yīng)用到各子學(xué)科的知識(shí)和方法,但在不同的問題解決階段仍會(huì)以某一學(xué)科為主,其他學(xué)科起輔助作用.此次研究項(xiàng)目“橋梁模型”主要涉及的子學(xué)科包括:物理、工程、數(shù)學(xué)、美術(shù)等,我們?cè)诓鸾膺@個(gè)復(fù)雜的真實(shí)跨學(xué)科問題后,發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)性子問題呈現(xiàn)出一定的邏輯性,且解決問題不同階段會(huì)以某一學(xué)科為主,因此界定研究項(xiàng)目的實(shí)踐原型為遞進(jìn)型.

2 路徑設(shè)計(jì)

結(jié)合已有研究成果、[3-5,8]美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中科學(xué)與工程實(shí)踐步驟、[9]遞進(jìn)型跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)特點(diǎn)以及物理和工程學(xué)科特點(diǎn)等,設(shè)計(jì)如圖1所示物理與工程跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)路徑.

圖1 遞進(jìn)型:物理與工程跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)路徑

路徑具有以下特征:① 選定的跨學(xué)科問題一定是具有綜合性、復(fù)雜性特征的真實(shí)問題,且解決該問題需要將兩門及以上學(xué)科的知識(shí)和方法進(jìn)行整合,綜合應(yīng)用;② 能依據(jù)問題邏輯性將跨學(xué)科問題拆解為環(huán)環(huán)緊扣的驅(qū)動(dòng)性子問題,依據(jù)解決子問題所需的核心知識(shí)可明確學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo),核心知識(shí)建議選自于各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)、教材內(nèi)容以及學(xué)情分析;③ 需要對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行深入探索,學(xué)生分小組討論確定項(xiàng)目驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),教師收取學(xué)生共性建議,由此設(shè)定項(xiàng)目驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn);④ 需依據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行項(xiàng)目流程的設(shè)計(jì)以及明確學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù),學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)應(yīng)以發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo),注重學(xué)生綜合能力的提升,跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的流程一定要清晰化、具體化、實(shí)際化,才能凸顯出跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì);⑤ 跨學(xué)科問題會(huì)比較復(fù)雜且具有一定的難度,建議學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成,也利于培養(yǎng)學(xué)生小組分工合作的能力,讓學(xué)生敢于在他人面前發(fā)表自己的見解和想法;⑥ 項(xiàng)目評(píng)價(jià)采用多元評(píng)價(jià)的形式.

3 “橋梁模型”項(xiàng)目的教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 選定跨學(xué)科問題

選定“制作港珠澳大橋青州航道橋橋梁模型”為研究項(xiàng)目的跨學(xué)科問題.教師可以通過創(chuàng)設(shè)物理情境、趣味實(shí)驗(yàn)、生活實(shí)際等方式引出跨學(xué)科問題,激發(fā)學(xué)生主動(dòng)去進(jìn)行頭腦風(fēng)暴.教師播放世界上最長(zhǎng)跨海大橋“港珠澳大橋”的介紹視頻,然后提出問題:我們有可能還原“港珠澳大橋”橋梁模型嗎?由此激發(fā)學(xué)生去思考如何制作橋梁模型,并明確項(xiàng)目的目標(biāo)是完成“港珠澳大橋”橋梁模型的制作.以“港珠澳大橋”工程項(xiàng)目為情境導(dǎo)入,可激發(fā)學(xué)生的民族自豪感.且“港珠澳大橋”橋梁具有良好的外觀和制作橋梁模型項(xiàng)目的趣味性,可以促使學(xué)生對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)生濃厚的興趣.

3.2 設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問題

對(duì)項(xiàng)目物理學(xué)原理和工程技術(shù)知識(shí)的深入探究是確保學(xué)生主動(dòng)匯聚兩門學(xué)科概念來制作橋梁模型的關(guān)鍵所在.我們?cè)谡{(diào)查橋梁與隧道工程專業(yè)學(xué)生的必修課程后,選取《橋梁工程》、[10-11]有關(guān)港珠澳大橋青州航道橋設(shè)計(jì)的文章中相關(guān)且適宜的內(nèi)容作為學(xué)生學(xué)習(xí)支架之一.學(xué)習(xí)支架特指學(xué)生在完成“挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)”時(shí),在經(jīng)過努力仍然不能自己解決問題時(shí)教師所提供的支持.[12]同時(shí)結(jié)合物理、數(shù)學(xué)、美術(shù)最新版課程標(biāo)準(zhǔn)以及教材內(nèi)容,制訂如圖2所示橋梁模型項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)性子問題、核心知識(shí)以及學(xué)習(xí)目標(biāo).驅(qū)動(dòng)性子問題的設(shè)定需依據(jù)項(xiàng)目實(shí)際、學(xué)生認(rèn)知發(fā)展階段和學(xué)生思維水平過渡的循序漸進(jìn)原則.

圖2 橋梁模型項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)性子問題、核心知識(shí)以及學(xué)習(xí)目標(biāo)

圖2學(xué)習(xí)目標(biāo)中提及橋梁工程的專有名詞和知識(shí)學(xué)生可以通過查閱教師提供的學(xué)習(xí)支架進(jìn)行理解學(xué)習(xí).例如,高跨比,指的是索塔高度H與斜拉橋主跨跨徑l2的比值,如圖3所示;主梁全寬與主梁高度比,指的是橋梁主梁全寬B與主梁高度h的比值,如圖4所示;梁高與主跨比,指的是主梁高度h與主跨跨徑l2的比值.

圖3 索塔高度與主跨徑

圖4 主梁全寬與主梁高度

3.3 項(xiàng)目探索

圍繞跨海大橋?qū)嶋H建設(shè)中需考慮的關(guān)鍵問題:防臺(tái)風(fēng)、防震、防撞和防護(hù)以及學(xué)生小組討論結(jié)果,確定出符合項(xiàng)目實(shí)際的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),如表1所示.設(shè)定項(xiàng)目驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)有利于學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的認(rèn)識(shí)更加清晰、具體,起到督促學(xué)生完成項(xiàng)目的作用.同時(shí)學(xué)生在此過程中,能體會(huì)到工程技術(shù)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究意識(shí).

表1 “制作港珠澳大橋橋梁模型”項(xiàng)目的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

3.4 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

依據(jù)上述學(xué)習(xí)目標(biāo)和橋梁模型項(xiàng)目的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施環(huán)節(jié),并規(guī)劃學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù),明確學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)完成過程中會(huì)發(fā)展的核心素養(yǎng),如表2所示.

表2 “制作港珠澳大橋橋梁模型”項(xiàng)目的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

3.5 項(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目實(shí)施課時(shí)需要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和學(xué)校教學(xué)實(shí)際來擬定,建議實(shí)施時(shí)長(zhǎng)為5課時(shí),第1課時(shí),環(huán)節(jié)①②;第2課時(shí),環(huán)節(jié)③④;第3課時(shí),環(huán)節(jié)⑤⑥;第4課時(shí),環(huán)節(jié)⑦;第5課時(shí),環(huán)節(jié)⑧⑨.項(xiàng)目實(shí)施場(chǎng)所包括:學(xué)習(xí)交流室、計(jì)算機(jī)房以及實(shí)驗(yàn)室.項(xiàng)目實(shí)施對(duì)象可以為高一已學(xué)習(xí)“相互作用——力”和“動(dòng)量守恒定律”章節(jié)知識(shí)的學(xué)生或高二學(xué)生.

3.5.1 走進(jìn)“港珠澳大橋”

資源型學(xué)習(xí)支架:文獻(xiàn)資料(教材、橋梁文章)、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、項(xiàng)目化工作單以及橋梁模型制作工具和材料等.港珠澳大橋青州航道橋?yàn)殡p塔三跨式斜拉橋,橋梁主要結(jié)構(gòu)和制成主要結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料如圖2內(nèi)容.教師為學(xué)生提供合適的學(xué)習(xí)支架,引導(dǎo)學(xué)生使用現(xiàn)代技術(shù)設(shè)備查閱資料,學(xué)會(huì)辨別信息,鍛煉批判性思維能力,同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng).

3.5.2 橋梁物理模型建構(gòu)和工程設(shè)計(jì)

學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料,了解到:港珠澳大橋青州航道橋?yàn)榛炷列崩瓨?懸索在空間內(nèi)布置方式為豎直雙索面,在索面內(nèi)布置形式為扇形;主梁布置方式為連續(xù)體系,以及索塔橫橋向結(jié)構(gòu)形式為橫向“H”形.按照前述“方式和結(jié)構(gòu)形式”繪制橋梁的簡(jiǎn)易橋梁模型圖,如圖5所示.

圖5 港珠澳大橋青州航道橋物理模型圖

學(xué)生查閱港珠澳大橋青州航道橋高跨比標(biāo)準(zhǔn)范圍和主梁高度與主跨徑、主梁全寬與高度比、主梁全寬與主跨徑比的適宜范圍,具體內(nèi)容見表1.以此為依據(jù)確定材料的長(zhǎng)度、寬度、高度、直徑等.根據(jù)材料的數(shù)字特性以及繪制的模型草圖,學(xué)生在計(jì)算機(jī)房模仿教師繪制簡(jiǎn)易CAD圖像,如圖6所示,大致操作流程為:設(shè)置圖幅→設(shè)置單位及精度→建立圖層→導(dǎo)入線型→設(shè)置對(duì)象樣式→繪圖→尺寸標(biāo)注及文字說明.學(xué)生在完成任務(wù)過程中,以工程設(shè)計(jì)師的視角去分析、解決問題,嚴(yán)格把控模型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和模型建構(gòu)能力,體會(huì)工程師工程設(shè)計(jì)的過程.

圖6 橋梁模型簡(jiǎn)易CAD切面圖

3.5.3 構(gòu)造解釋和解決方案

學(xué)生依據(jù)繪制的模型圖和CAD圖,尋找合適的材料來制作橋梁模型.橋梁模型材料:長(zhǎng)方體木塊、鐵釘、圓柱體木塊、繩索.港珠澳大橋橋梁主要結(jié)構(gòu)間實(shí)際結(jié)合或安裝方式如圖2內(nèi)容.而學(xué)生需要進(jìn)行頭腦風(fēng)暴,結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn),思考怎么利用現(xiàn)有的工具完成材料間的組裝.以下組裝方式只是一種教學(xué)參考,橋梁模型的制作是一種創(chuàng)造性活動(dòng),實(shí)際教學(xué)過程中學(xué)生會(huì)產(chǎn)生各種有洞見的想法,教師應(yīng)盡可能幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)想法,以此促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性解決問題能力的發(fā)展.最終確定在橋梁模型制作過程中,懸索和索塔直接穿孔連接,懸索和主梁打結(jié)的方式連接,效果如圖7所示;主梁間采用嵌合以及釘入鐵釘?shù)姆绞竭B接,效果如圖8所示.

圖7 懸索和索塔間連接方式

圖8 主梁間連接方式

護(hù)欄的豎直和橫向木塊以釘入鐵釘?shù)姆绞竭B接,效果如圖9所示.索塔和橋墩間同樣采用嵌合以及釘入鐵釘?shù)姆绞竭B接,效果如圖10所示.橫梁與索塔間采用釘入鐵釘?shù)姆绞竭B接,效果如圖11所示.為提高主梁橫向和斜拉橋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性,規(guī)定橋梁高跨比標(biāo)準(zhǔn)和主梁高度與主跨徑、主梁全寬與高度比、主梁全寬與主跨徑比的適宜范圍.

圖9 護(hù)欄豎直和橫向木塊連接方式

圖10 索塔和橋墩間連接方式

圖11 橫梁與索塔間接方式

3.5.4 橋梁模型制作

依據(jù)橋梁模型草圖、CAD圖像以及各結(jié)構(gòu)連接方式等,確定材料的數(shù)字特性,如圖7～11所示.橋梁模型索塔高度與主跨徑比值約為0.19,主梁高度與主跨徑的比值約為0.01,主梁寬與主梁高的比值約為8.33,主梁寬與主跨徑比值約為0.11,懸索傾角在21～30°范圍內(nèi),均符合項(xiàng)目驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn).按照各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),完成橋梁模型制作,實(shí)物圖如圖12所示.

圖12 橋梁模型實(shí)物圖

3.5.5 尋找證據(jù)論證

圖1中,驅(qū)動(dòng)性子問題8～11設(shè)計(jì)的目的是使學(xué)生深入理解橋梁模型中用到的物理學(xué)原理,讓學(xué)生經(jīng)歷從物理學(xué)原理的定量探究過程到論證“為何這樣設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)”的過程,提升學(xué)生科學(xué)論證能力.例如子問題8:哪根懸索的拉力最大,為什么這根懸索的拉力最大?學(xué)生使用彈簧測(cè)力計(jì)完成每根懸索拉力的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)跨度最小的懸索拉力最大,然后思考為何這根懸索的拉力最大,這個(gè)問題勢(shì)必會(huì)推動(dòng)學(xué)生對(duì)懸索作用于索塔的力進(jìn)行受力分析,再依據(jù)合力大小與分力夾角的關(guān)系推導(dǎo)得到該懸索拉力最大,因而在理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)探究中生成結(jié)論,感受科學(xué)家科學(xué)探究的一般步驟.

子問題10:將壓力傳感器置于橋墩下,減小主梁的重量,觀察壓力傳感器變化的示數(shù)是否等于主梁所減小的重力?該問題是為引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)去探究懸索作用于索塔的合力是否是沿著索塔豎直向下并作用于橋墩.具體操作步驟:將壓力傳感器置于橋墩下,并進(jìn)行歸零操作,然后在主梁上方放置一個(gè)500 g重物,如圖13所示,待壓力傳感器示數(shù)穩(wěn)定后,記錄此時(shí)壓力傳感器的示數(shù);再將重物取下,仍然待壓力傳感器示數(shù)穩(wěn)定后,記錄此時(shí)壓力傳感器的示數(shù);比較兩次壓力傳感器示數(shù)的差值與重物重力大小的關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)兩者在誤差范圍內(nèi)數(shù)值大小相近,由此說明懸索合力豎直向下作用于橋墩.

圖13 壓力傳感器和重物放置位置

子問題11:選擇什么材料作為防撞材料?結(jié)合真實(shí)情境:當(dāng)通航船只意外撞擊橋墩時(shí),橋墩外圍包裹的充水膠囊會(huì)吸收部分由于撞擊產(chǎn)生的能量.由于撞擊過程是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的劇烈碰撞,內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外力,所以整個(gè)過程滿足動(dòng)量定理,其表達(dá)式為

(1)

其中,I為沖量,F為船只撞擊充水膠囊的平均沖力,m為船只質(zhì)量,t2、t1為碰撞時(shí)間,v1為船只碰撞前的速度,v2為船只碰撞后的速度.

由于船只碰撞后末速度為0,即v2=0,則

F(t2-t1)=-mv1.

(2)

得到

(3)

再根據(jù)牛頓第二定律,得到

(4)

從式(3)可以看出,平均沖力等于動(dòng)量的改變量和作用時(shí)間的比值,想要減小平均沖力的大小,即減小碰撞對(duì)船只和橋墩帶來的損害,就需要增大作用時(shí)間,或使力的作用趨于穩(wěn)定.作用時(shí)間越長(zhǎng),平均沖力就越小,再結(jié)合牛頓第二定律,知道通過繪制a-t圖像,同樣可以判斷哪種防撞材料的防撞效果最好.學(xué)生完成理論的推導(dǎo)學(xué)習(xí)后,將依據(jù)教師提供的學(xué)習(xí)支架設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.教師為學(xué)生提供生活中常見的防撞材料以供參考,例如,水果發(fā)泡網(wǎng)套、物流氣泡膜、橡膠等,以及加速度傳感器,數(shù)據(jù)采集器、朗威實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等數(shù)據(jù)采集設(shè)備.當(dāng)固定在小車上的加速度傳感器與小車一起加速運(yùn)動(dòng)時(shí),數(shù)據(jù)采集器就可以將數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)軟件處理后直接得出加速度的值,具體按照下列步驟實(shí)施.

① 采用朗威實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的加速度傳感器,使數(shù)據(jù)采集器連接加速度傳感器和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),將加速度傳感器插入U(xiǎn)SB連接器;

② 使用橡皮筋將加速度傳感器固定在小車上;

③ 將小車放置在軌道上,距離橋墩前一段距離,在朗威實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中先點(diǎn)擊“調(diào)零”按鈕,再點(diǎn)擊“開始”按鈕,待數(shù)據(jù)采集器工作穩(wěn)定后,以同樣的力(采用同一根彈簧,壓縮相同的長(zhǎng)度)推動(dòng)小車,使小車以一定的初速度去撞擊防撞材料,如圖14和15所示,小車撞擊“物流氣泡膜”和“水果發(fā)泡網(wǎng)套”的實(shí)驗(yàn)圖景;

圖14 小車撞擊“物流氣泡膜”的實(shí)驗(yàn)圖景

圖15 小車撞擊“水果發(fā)泡網(wǎng)套”的實(shí)驗(yàn)圖景

④ 在計(jì)算機(jī)上可以得到加速度變化曲線,根據(jù)a-t圖像,比較平均沖力作用時(shí)間,選擇最優(yōu)的防撞材料,再將選擇好的防撞材料安裝到橋墩上.

分別采集小車撞擊“未加防撞材料”“加物流氣泡膜”和“加水果發(fā)泡網(wǎng)套”情況下的a-t圖像,如圖16所示,每組實(shí)驗(yàn)分別完成3次及以上.然后統(tǒng)計(jì)3組實(shí)驗(yàn)中平均沖力作用時(shí)間Δt,即加速度峰值減小至0的時(shí)間間隔,如表3所示,可以明顯地看出,加防撞材料后的防撞效果優(yōu)于未加防撞材料時(shí),而“物流氣泡膜”的防撞效果優(yōu)于“水果發(fā)泡網(wǎng)套”.

表3 3組實(shí)驗(yàn)平均沖力作用時(shí)間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖16 (a)(b)(c)分別為“未加防撞材料”“加物流氣泡膜”“加水果發(fā)泡網(wǎng)套”時(shí)的a-t圖像

4 跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)教學(xué)效果評(píng)價(jià)

依據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)以及項(xiàng)目的最終成果,進(jìn)行跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)綜合評(píng)價(jià).表1項(xiàng)目驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中明確指出完成各項(xiàng)任務(wù)的分值,包括橋梁穩(wěn)定性測(cè)試、橋梁成本、橋梁模型的標(biāo)準(zhǔn)化程度、跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)工作單、項(xiàng)目成果匯報(bào)展示以及試題測(cè)試等,來獲得學(xué)生學(xué)習(xí)效果反饋.同時(shí),采用心流體驗(yàn)(Flow Experience)量表[13]完成學(xué)生項(xiàng)目學(xué)習(xí)后直觀感受的測(cè)量,了解學(xué)生項(xiàng)目參與的體驗(yàn)感,反饋項(xiàng)目實(shí)施效果.所制訂的習(xí)題應(yīng)緊密圍繞此次項(xiàng)目學(xué)習(xí)主題,例如圖17所示,結(jié)合橋梁模型考查學(xué)生是否理解橋梁中的物理學(xué)原理.

圖17 橋梁模型項(xiàng)目測(cè)試題

5 啟示

物理與工程跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí),不僅強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生綜合能力,落實(shí)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng).同時(shí)注重激發(fā)學(xué)生對(duì)工程技術(shù)的興趣,推動(dòng)學(xué)生在進(jìn)入高等學(xué)校后能青睞于工程技術(shù)專業(yè),為國(guó)家培養(yǎng)更多工程技術(shù)人才.跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生和教師來說都具有挑戰(zhàn)性,但這個(gè)挑戰(zhàn)性不是學(xué)習(xí)內(nèi)容變難或變復(fù)雜,而是因其不同于傳統(tǒng)教育方式,以新穎的教學(xué)和學(xué)習(xí)方式實(shí)施教學(xué)帶來的挑戰(zhàn).對(duì)教師專業(yè)素養(yǎng)要求更高,學(xué)生課堂中心體現(xiàn)更加明顯,課堂教學(xué)更加靈活,需要教師擁有更加豐富的知識(shí)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn).除此以外,開展跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)可以促使多門學(xué)科教師間合作交流,由于跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)周期較長(zhǎng),同時(shí)需要教師及時(shí)把握學(xué)生課堂動(dòng)向,也為降低項(xiàng)目實(shí)施的難度和提升項(xiàng)目實(shí)施效果,可選取多學(xué)科教師合作的方式實(shí)施項(xiàng)目.

從“具身認(rèn)知”的角度出發(fā),學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)會(huì)對(duì)個(gè)體在認(rèn)知過程中的身心參與意愿產(chǎn)生巨大的影響,進(jìn)而對(duì)個(gè)體認(rèn)知的形成產(chǎn)生影響.[14]而學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)中應(yīng)既包括物化元素也包括文化元素.在開展跨學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)實(shí)踐時(shí),教師提供給學(xué)生不能僅是學(xué)習(xí)支架等支撐工具,還應(yīng)該考慮到學(xué)生所處教學(xué)環(huán)境對(duì)學(xué)生認(rèn)知產(chǎn)生的影響.創(chuàng)設(shè)學(xué)生視角的“真實(shí)情境”以及對(duì)教學(xué)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整和布置,可幫助學(xué)生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生“身臨其境”的感覺.例如此次橋梁模型項(xiàng)目,可以設(shè)置情境:如果你是一名橋梁設(shè)計(jì)師,某天你們團(tuán)隊(duì)接到任務(wù)需要去修建一座跨海大橋,你的小組分配到完成“橋梁模型”制作的任務(wù),由于時(shí)間緊急,你們需要在十五天時(shí)間內(nèi)完成橋梁模型的制作.同時(shí),適當(dāng)布置項(xiàng)目實(shí)施場(chǎng)所,例如:擺放我國(guó)著名橋梁的照片、模型以及相關(guān)書籍等.項(xiàng)目實(shí)施過程中,學(xué)生以橋梁設(shè)計(jì)師的視角分析真實(shí)存在的工程技術(shù)問題,主動(dòng)整合物理與工程學(xué)科知識(shí)和方法.在定量探究橋梁模型中所含的物理學(xué)原理環(huán)節(jié),學(xué)生以實(shí)際問題為導(dǎo)向動(dòng)手操作分析問題,形成更加深刻的理解,打破學(xué)生已有的迷思概念.