基于項目學(xué)習(xí)的物理與工程跨學(xué)科教學(xué)實踐

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出，為了體現(xiàn)物理學(xué)與日常生活、工程實踐、社會發(fā)展等方面的聯(lián)系，將跨學(xué)科實踐作為義務(wù)教育物理課程內(nèi)容的五個一級主題之一。物理是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，通過跨學(xué)科實踐，能夠幫助學(xué)生更直觀地理解物理概念和原理，增強(qiáng)學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的興趣和動力。而項目學(xué)習(xí)是一種任務(wù)導(dǎo)向的在做中學(xué)的學(xué)習(xí)模式，適合跨學(xué)科式學(xué)習(xí)。在項目學(xué)習(xí)過程中，教師將學(xué)習(xí)目標(biāo)與任務(wù)相結(jié)合，指導(dǎo)學(xué)生在生活情境中發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，以小組為單位調(diào)查研究信息，再進(jìn)行討論、設(shè)計、改進(jìn)、實踐。下面，筆者以“設(shè)計潛水艇模型”教學(xué)為例，談?wù)劵陧椖繉W(xué)習(xí)的物理與工程跨學(xué)科教學(xué)實踐。

一、教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，驅(qū)動學(xué)習(xí)

教師展示“奮斗者”號潛水艇在海面航行并實現(xiàn)萬米深潛的視頻，提問：“同學(xué)們想不想設(shè)計一艘潛水艇？”

【設(shè)計意圖】調(diào)動學(xué)生積極性，引導(dǎo)學(xué)生萌發(fā)做潛水艇設(shè)計者的想法，明確本節(jié)課的第一個任務(wù)是完成設(shè)計潛水艇的項目。

2.分解項目，明確目標(biāo)

師：這是一個復(fù)雜的工程，一般工程師在設(shè)計前會把項目分解。請小組討論，要完成潛水艇的設(shè)計，需要解決哪些具體問題？

學(xué)生閱讀海底水壓以及潛水艇承擔(dān)軍事任務(wù)的相關(guān)資料，互相討論并明確：（1）潛水艇外殼選材；（2）如何使?jié)撍г谒嫫。唬?）如何使?jié)撍г谒猩细?、下沉、懸?！?/p>

【設(shè)計意圖】科學(xué)探究前先明確需要解決的問題，這樣能讓后續(xù)的研究和實踐更有條理性。拆分項目有助于學(xué)生加深對任務(wù)的理解，了解一艘合格的潛水艇應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)，如能抵擋海底的水壓，能自由地在水中實現(xiàn)浮沉，能在水面漂浮航行等，讓學(xué)生對本次項目的難點有一定的了解。

3.攻克疑問，得出結(jié)論

對于潛水艇的選材，學(xué)生通過閱讀資料，考慮到海底的水壓以及海水的腐蝕性，認(rèn)為需要選擇強(qiáng)度大、耐腐蝕的材料，如鋼鐵、鈦合金等。接著解決核心問題：如何實現(xiàn)浮沉？

師：鋼鐵和鈦合金材料的密度大于水，為什么用其做成的潛水艇可以在海面上漂浮呢？請大家用桌上的金屬片試試，能不能讓它漂浮在水面上。

生1：薄鋁片直接投入水中會下沉，但把薄鋁片做成一個空心的金屬球就可以實現(xiàn)漂浮。潛水艇應(yīng)該也是做成空腔來實現(xiàn)漂浮的。

師：漂浮的潛水艇又是如何沉入水中并自由地浮沉呢？請小組討論，展開想象，集思廣益，然后把討論后的設(shè)計思路畫出來。

小組1：我們小組設(shè)計的潛水艇是由鈦合金做成的，底部攜帶密度很大的金屬，比如銅做成的重物，裝上重物以后，重力變大，當(dāng)重力大于浮力時下沉；當(dāng)要上浮時就把重物卸下，讓重力變小。

小組2：我們小組的潛水艇帶有一個體積可變的氣倉，要下沉?xí)r，抽氣使氣倉體積變小從而使浮力變??；要上浮時，就往氣倉打氣，增大氣倉體積從而使浮力變大。

小組3：我們的設(shè)計是在鋼鐵制成的潛水艇上下前后都安裝螺旋槳。因為螺旋槳轉(zhuǎn)動時對水有向下的推力，而力的作用是相互的，水對螺旋槳有向上的力，當(dāng)這個力和浮力大于重力時，潛水艇上浮。

小組4：我們想在潛水艇里設(shè)計儲水倉，當(dāng)要下沉?xí)r，潛水艇吸入海水，增大重力；當(dāng)要上浮時，排出海水，減小重力。

師：可見物體的浮沉是由物體的重力和浮力共同決定的。請大家對下沉的潛水艇和上浮的潛水艇進(jìn)行受力分析。

師生通過受力分析，得出結(jié)論：當(dāng)物體浸沒在液體中，受到的重力大于浮力時，下沉；受到的重力小于浮力時，上浮。

實驗驗證：各小組選擇合適的器材，驗證方案的可行性，觀察并記錄實驗現(xiàn)象。

【設(shè)計意圖】學(xué)生根據(jù)對項目的理解和分析自行設(shè)計潛水艇，在小組長的組織下展開討論，解決上浮和下沉的難題，同時教師在課堂中巡回指導(dǎo)，適時關(guān)注學(xué)生遇到的障礙和錯誤，使學(xué)生及時突破瓶頸，修正問題。這一環(huán)節(jié)，學(xué)生在理論分析中得出物體的浮沉條件，避免實驗操作的盲目性和隨意性，為本節(jié)課的活動提供了理論依據(jù)。

4.自評互評，反饋改進(jìn)

師：請大家在實驗操作的基礎(chǔ)上，再結(jié)合潛水艇資料，進(jìn)行討論，分析自己組和其他小組方案的優(yōu)缺點，提出改進(jìn)措施。

小組1：我們的優(yōu)點是操作簡便，但卸下的銅塊留在海底不環(huán)保，而打撈銅塊再利用也必然要耗費一定的人力物力。

小組2：小組3的設(shè)計可以自由地在水面或者水下改變前進(jìn)方向，這是我們組沒有想到的，但是我們覺得水下深潛時水壓很大，水的阻力也很大，轉(zhuǎn)動螺旋槳肯定不是輕而易舉的，特別是要上浮時，除了要克服水的阻力，還有整個潛水艇受到的重力，肯定需要很大的動力，要消耗很多能量。而我們組和第四小組的設(shè)計在實現(xiàn)上浮時會容易得多。

小組4：我們是通過改變自身重力實現(xiàn)浮沉的，而小組2是通過改變浮力實現(xiàn)浮沉。我們認(rèn)為我們組的設(shè)計應(yīng)該更好一些，容易形變的材料，像橡皮膜之類的一般強(qiáng)度不夠，而潛水艇是要實現(xiàn)水下作戰(zhàn)的，明顯小組2的設(shè)計無法抵抗敵軍的襲擊。但是我們組的設(shè)計也有缺陷，無法實現(xiàn)除了豎直方向以外的行進(jìn)，如果能夠借鑒小組3螺旋槳的設(shè)計加以改進(jìn)會更好。

學(xué)生通過閱讀資料，進(jìn)一步了解潛水艇的結(jié)構(gòu)和軍事作用。教師在評價的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生再次自主優(yōu)化潛水艇模型。

師：潛水艇在執(zhí)行軍事偵察任務(wù)或者在海水里進(jìn)行維修保養(yǎng)時，需要避免外界環(huán)境對自身的損害，此時需要潛入水下，并盡可能地保持靜止，以確保任務(wù)的順利完成。我們把物體浸沒在液體中并且處于平衡的狀態(tài)稱為懸浮。請同學(xué)們思考，潛水艇可能會通過什么方法在海水中懸??？

教師展示懸浮的油滴和小番茄，提示學(xué)生分析油滴的受力情況。

生2：可能是通過螺旋槳調(diào)節(jié)水施加的升力，使?jié)撍艿降牧ζ胶鈦韺崿F(xiàn)的。

生3：應(yīng)該是改變水倉中儲存的水量，使浮力剛好等于重力。

教師肯定學(xué)生的想法并展示潛水艇在水中懸浮的圖片。

【設(shè)計意圖】小組自主設(shè)計并匯報方案，再由生生交流或師生交流實現(xiàn)方案的優(yōu)化，學(xué)生從被評價者轉(zhuǎn)為評價者，從不同的視角審視本次所經(jīng)歷的項目化學(xué)習(xí)。學(xué)生在評價其他小組方案的過程中也能進(jìn)一步完善自己的設(shè)計方案，加深對浮沉知識的理解，學(xué)會從多個角度分析問題。

5.工程實踐，能力進(jìn)階

教師提供廢棄材料：礦泉水瓶、氣球、橡膠管、針筒、熱熔膠槍、鉤碼。先讓學(xué)生討論所提供材料的用途，然后設(shè)計潛水艇模型，同時巡視，提醒學(xué)生模型必須符合驗收標(biāo)準(zhǔn)。

【設(shè)計意圖】通過制作潛水艇模型，學(xué)生將抽象的概念和原理轉(zhuǎn)化為具體的、可觀察的形式。在制作過程中，學(xué)生需要仔細(xì)研究相關(guān)物理原理和規(guī)律，并思考如何將它們應(yīng)用到模型中。這種深入的思考和實踐可以加深學(xué)生對物理知識的理解，提高他們的分析能力和解決問題的能力，同時激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力。

二、教學(xué)反思

潛水艇模型設(shè)計是一個典型的項目化教學(xué)案例。在潛水艇模型設(shè)計項目中，學(xué)生需要從實際出發(fā)，探究浮力、重力、物質(zhì)物理屬性等相關(guān)物理知識，同時需要考慮潛水艇的結(jié)構(gòu)、功能和性能等實際應(yīng)用需求，通過跨學(xué)科實踐探索和思維創(chuàng)新，設(shè)計出符合要求的潛水艇模型。本節(jié)課體現(xiàn)了項目化教學(xué)的目標(biāo)導(dǎo)向性，注重學(xué)生主動學(xué)習(xí)、探究和實踐，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在實踐中獲取知識和技能，培養(yǎng)了學(xué)生解決實際問題的能力。學(xué)生在設(shè)計過程中亮點頻出，想出多種方法實現(xiàn)潛水艇的浮沉且能主動參與小組學(xué)習(xí)，可見本次實踐激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，培養(yǎng)了學(xué)生的合作意識。當(dāng)然，本節(jié)課也存在一些不足，如學(xué)生組建小組時教師過于放手，沒有對小組成員按照學(xué)習(xí)能力進(jìn)行合理調(diào)配，使得后續(xù)的活動進(jìn)展遇到了一些障礙；項目設(shè)計時應(yīng)細(xì)化評價標(biāo)準(zhǔn)，并讓學(xué)生在課前就知曉評價表的內(nèi)容或參與評價表的制作，這樣更有利于引導(dǎo)學(xué)生積極加入課堂，充分發(fā)揮評價的功能等。課后訪談得知，大部分學(xué)生通過本次項目活動都能體會到物理知識與工程實踐的緊密聯(lián)系，能認(rèn)識到物理知識對社會發(fā)展的重要性。當(dāng)學(xué)生親手制作出一個能夠展示物理原理和規(guī)律的模型時，他們會感到非常有成就感，同時，在制作過程中，他們還可以發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，設(shè)計出獨特且富有創(chuàng)意的模型，這也有助于激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)的興趣和熱愛，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和實踐能力。

（作者單位：江蘇省蘇州市吳江區(qū)笠澤實驗中學(xué)）