陳冀軒
(佛山市南海區(qū)大瀝鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué),廣東 佛山 528231)
隨著國(guó)家對(duì)教育方式的要求逐漸提高,多學(xué)科之間整合形式的課程成為新的研究方向[1-2]. 物理是一門(mén)基于生活、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的學(xué)科,在學(xué)生學(xué)習(xí)課本理論知識(shí)的同時(shí),也需要有機(jī)會(huì)對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行一定的實(shí)踐,只有加深對(duì)知識(shí)的理解與認(rèn)識(shí),才能熟練掌握知識(shí). 因此推行物理學(xué)科與綜合實(shí)踐活動(dòng)的整合[3],可以構(gòu)建全新的自主知識(shí)掌握模式,拓展物理課堂,讓物理不再成為“架空”的學(xué)科. 同時(shí)提高學(xué)生從生活現(xiàn)象中獲取物理知識(shí)的能力,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.
以人教版初中物理教材為例,力學(xué)是較為獨(dú)立的部分,由于力學(xué)知識(shí)體系的龐大以及難度較高,八年級(jí)的下學(xué)期都會(huì)用于力學(xué)部分知識(shí)的學(xué)習(xí). 同時(shí),力學(xué)與日常生活密切相關(guān),即使學(xué)生沒(méi)有系統(tǒng)學(xué)習(xí)力學(xué),也會(huì)對(duì)力學(xué)知識(shí)存在基于生活的認(rèn)識(shí),這也為后續(xù)的綜合實(shí)踐課堂的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ).
物理一般是八年級(jí)新增的學(xué)科. 對(duì)于九年級(jí)的學(xué)生,由于升學(xué)考試的壓力,無(wú)法開(kāi)展整合課程,因此只能從八年級(jí)學(xué)生入手.
1)從學(xué)生學(xué)習(xí)壓力上分析,八年級(jí)學(xué)生整體學(xué)習(xí)壓力偏小,有較多的課余時(shí)間,這也為整合課程的開(kāi)展奠定了時(shí)間基礎(chǔ);同時(shí),八年級(jí)教師的教學(xué)任務(wù)也較輕,可以更好地完成整合課程的備課工作.
2)八年級(jí)的學(xué)生剛接觸物理,學(xué)習(xí)興趣較為濃厚,學(xué)習(xí)熱情高.
綜上所述,整合課程最佳的對(duì)象為八年級(jí)的學(xué)生,實(shí)施時(shí)間可選擇八年級(jí)上學(xué)期或者下學(xué)期.
1)選定課程目標(biāo);
2)確定授課內(nèi)容及課程的主題;
3)劃分好課時(shí)的數(shù)量以及每個(gè)課時(shí)的內(nèi)容;
4)計(jì)劃課程內(nèi)的實(shí)踐內(nèi)容;
5)準(zhǔn)備好實(shí)踐操作的工具和場(chǎng)地.
1)內(nèi)容與初中物理的幾個(gè)板塊知識(shí)接軌,不能脫離初中物理的研究范圍;
2)具有一定難度,需要學(xué)生進(jìn)行探究后才能得出結(jié)論;
3)內(nèi)容上不一定是學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)的內(nèi)容,但是學(xué)生可以從生活中獲得靈感,或者靠獨(dú)立思考來(lái)完成;
4)課程內(nèi)容最好與未來(lái)的學(xué)習(xí)內(nèi)容接軌,例如與初三或高中的物理內(nèi)容存在交叉與重合.
本次選擇了“橋梁設(shè)計(jì)師”課題開(kāi)展物理與綜合實(shí)踐的整合活動(dòng).
在“橋梁設(shè)計(jì)師”系列課程中,物理教師與綜合實(shí)踐教師配合,在不影響課程進(jìn)度的情況下,通過(guò)7個(gè)課時(shí)的綜合實(shí)踐課堂時(shí)間,完成了所有的課時(shí)進(jìn)度. “橋梁設(shè)計(jì)師”系列課程的課時(shí)安排如下(1課時(shí)約為45 min):
1)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)并研究設(shè)計(jì)方案,2課時(shí);
2)練習(xí)制作橋梁,2課時(shí);
3)正式制作橋梁,2課時(shí);
4)成果檢驗(yàn)與討論,1課時(shí).
整合課程的核心是讓學(xué)生通過(guò)課程以外的方法和途徑來(lái)獲得知識(shí). 對(duì)于物理和綜合實(shí)踐結(jié)合的整合課程,自然需要通過(guò)綜合實(shí)踐的途徑,讓學(xué)生學(xué)習(xí)到物理知識(shí).
在“橋梁設(shè)計(jì)師”系列課程的設(shè)計(jì)上,教師先不講授橋梁設(shè)計(jì)的基本知識(shí),讓學(xué)生從生活中尋找相關(guān)的例子,嘗試分析物理原理,并應(yīng)用在橋梁設(shè)計(jì)中,真正做到“從生活中來(lái),到生活中去”的物理學(xué)習(xí)基本方法. 這樣做可以讓學(xué)生明白物理在生活中的地位和作用,學(xué)生通過(guò)“觀察—發(fā)現(xiàn)—思考—分析—論證—應(yīng)用”的流程來(lái)獲得知識(shí),比教師單純通過(guò)課堂上進(jìn)行理論教學(xué)的效果好.
在“橋梁設(shè)計(jì)師”系列課程中,學(xué)生小組把研究得出的結(jié)論應(yīng)用到橋梁制作,不僅是設(shè)計(jì)上應(yīng)用,還要制作出橋梁模型,并且通過(guò)承重實(shí)驗(yàn)來(lái)探究效果. 所以在進(jìn)行物理和綜合實(shí)踐的整合課程時(shí),必須同時(shí)兼顧知識(shí)應(yīng)用,體現(xiàn)物理的研究方法,才能達(dá)到最佳效果.
4.1.1 第1~2課時(shí):學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)并研究設(shè)計(jì)
方案
本課時(shí)主要交代課程大綱以及課程目標(biāo):根據(jù)所學(xué)知識(shí)以及生活經(jīng)驗(yàn),用有限的材料、時(shí)間和人手,制作可以承載最大重力的橋梁模型. 同時(shí),給學(xué)生觀看優(yōu)秀的橋梁設(shè)計(jì),讓學(xué)生圍繞優(yōu)秀橋梁進(jìn)行小組討論,分析其優(yōu)秀之處,即大家認(rèn)為的橋梁能承受較大重力的原因. 引導(dǎo)各小組完成優(yōu)秀案例的分析后,各小組開(kāi)展討論,共同完成融合了優(yōu)秀設(shè)計(jì)案例的優(yōu)點(diǎn)以及小組內(nèi)全部成員智慧結(jié)晶的橋梁設(shè)計(jì)的初步方案.
在第2課時(shí)結(jié)束時(shí),布置小組任務(wù),讓小組利用課后時(shí)間,完成橋梁的設(shè)計(jì),并畫(huà)出經(jīng)過(guò)分析和思考后的橋梁設(shè)計(jì)圖. 輔導(dǎo)教師對(duì)各小組的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行驗(yàn)收,檢查各小組的完成進(jìn)度,但該階段不宜介入小組的設(shè)計(jì).
4.1.2 第3~4課時(shí):練習(xí)制作橋梁
各個(gè)小組根據(jù)設(shè)計(jì)稿,開(kāi)始制作橋梁. 本課時(shí)的作用是讓學(xué)生提前認(rèn)識(shí)和熟悉器材與材料,同時(shí)通過(guò)動(dòng)手制作橋梁,認(rèn)識(shí)到原有設(shè)計(jì)中的不合理之處,在第1次嘗試制作時(shí)發(fā)現(xiàn)不足,并進(jìn)行修改. 經(jīng)過(guò)一輪制作后,各小組對(duì)于組內(nèi)分工和如何提升制作效率會(huì)有更深刻的認(rèn)識(shí). 本課時(shí)輔導(dǎo)教師不宜介入過(guò)多,盡可能給學(xué)生留有思考空間,輔導(dǎo)教師只需要負(fù)責(zé)提供器材和材料、維持課堂紀(jì)律即可.
4.1.3 第5~6課時(shí):正式制作橋梁
本階段需要2個(gè)課時(shí)的時(shí)間,最好選取2節(jié)課連堂的時(shí)間完成,這是為了保證學(xué)生思路的連貫性. 本階段的內(nèi)容是制作實(shí)際作品. 小組之間不再相互交流,只能使用提供的限定數(shù)量的材料、工具. 各小組在同一起點(diǎn)開(kāi)始制作,同時(shí)結(jié)束,保證比賽的公平性.
4.1.4 第7課時(shí):成果檢驗(yàn)與討論
本階段為最終的成果檢驗(yàn)階段. 各小組需要介紹自己小組橋梁的特點(diǎn)和靈感來(lái)源. 各小組在課程前與輔導(dǎo)教師交流,提前提供設(shè)計(jì)靈感、設(shè)計(jì)亮點(diǎn),完成展示時(shí)的PPT頁(yè)面制作,提升展示效果. 在測(cè)試階段,各小組需要在測(cè)試臺(tái)上對(duì)橋梁進(jìn)行壓力測(cè)試,在屏幕上實(shí)時(shí)展示測(cè)試數(shù)據(jù). 假如某個(gè)小組設(shè)計(jì)的橋梁可以在某個(gè)壓力值下保持10 s,那么計(jì)入最終成績(jī). 再次提升壓力,每次壓力提升5 kg,如果橋梁依然能承受10 s,則更新成績(jī),否則以上次成績(jī)?yōu)闇?zhǔn).
測(cè)試階段結(jié)束后,開(kāi)始經(jīng)驗(yàn)分享. 各小組分享制作橋梁的收獲、感想,最后輔導(dǎo)教師總結(jié).
6個(gè)小組設(shè)計(jì)的橋梁如圖1所示. 橋梁承壓測(cè)試成績(jī)?nèi)绫?所示.
圖1 全部橋梁
表1 橋梁承壓測(cè)試成績(jī)表
4.2.1 小組1的橋梁設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)與靈感
小組1的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)是采用了大量的三角形結(jié)構(gòu),并且把橋梁設(shè)計(jì)成為又高又窄的形式,如圖2所示. 小組1的學(xué)生認(rèn)為,大量使用三角形結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)橋梁的穩(wěn)定性,在生活中需要承受大量壓力的情況,都會(huì)使用三角形結(jié)構(gòu),例如自行車(chē)的車(chē)架、籃球架,現(xiàn)實(shí)中的橋梁也會(huì)使用大量的三角形結(jié)構(gòu),所以這一設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于生活.
圖2 小組1的橋梁設(shè)計(jì)圖
使用高窄形狀的橋梁設(shè)計(jì),組長(zhǎng)的分析思路為:如果把橋梁看做整體,可以把橋梁看做1根木棍來(lái)分析,木棍越短越難掰斷,能夠承受的壓力也越大.
可惜小組1的測(cè)試成績(jī)并不好,可能是制作時(shí)間不足導(dǎo)致橋梁沒(méi)有撐過(guò)第一輪的5 kg測(cè)試.
4.2.2 小組2的橋梁設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)與靈感
小組2使用了矮扁的橋梁設(shè)計(jì),同時(shí)在橋梁承重處,使用了大量的木料制作了復(fù)雜的圖案,如圖3所示. 小組2的成員表示,這是為了增加橋梁的承重面積.
圖3 小組2的橋梁設(shè)計(jì)圖
小組2的學(xué)生在看了八年級(jí)下冊(cè)的物理課本后發(fā)現(xiàn),想要減小橋梁的形變程度,就必須增大橋梁的承重面積. 例如在挖掘機(jī)上安裝履帶,通過(guò)增大接觸面積來(lái)減少地面的形變,防止挖掘機(jī)陷入泥地中. 所以在保證正常承重的情況下,通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)雜的圖案來(lái)增加受力面積. 而設(shè)計(jì)成矮扁的橋梁形狀是為了節(jié)省材料(省下來(lái)的材料全部用在承重部分的制作上).
小組2的橋梁承受的重力在全部小組中名列第3,證明增加接觸面積可以增強(qiáng)橋梁的承重能力的設(shè)計(jì)方向是正確的.
4.2.3 小組3的橋梁設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)與靈感
小組3同樣采用了矮扁的橋梁設(shè)計(jì)方案,如圖4所示,但是理由與小組2不同:小組3認(rèn)為,矮扁的橋梁最大的好處,是讓橋梁更加穩(wěn)定,不宜翻倒. 為了驗(yàn)證猜想,他們甚至做了實(shí)驗(yàn):用相同大小的推力去推同學(xué),這位同學(xué)分別直立和蹲馬步,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蹲馬步更不容易被推倒. 正是這一生活經(jīng)驗(yàn),讓他們堅(jiān)定地選擇了矮扁設(shè)計(jì)方案.
圖4 小組3的橋梁設(shè)計(jì)圖
小組3并沒(méi)有采用大量復(fù)雜圖案來(lái)增加接觸面積,而是把剩余木材用在加固橋梁,增加三角形結(jié)構(gòu),提高橋梁的強(qiáng)度.
值得一提的是,小組3的制作水平,在全部小組中是最高的,用時(shí)也最短. 在最終的測(cè)試中,小組3的橋梁竟然承載了40 kg的重物,成為了當(dāng)之無(wú)愧的第1名.
4.2.4 小組4~6的橋梁設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)與靈感
小組4~6的橋梁整體結(jié)構(gòu)采用拱形.
小組4整體使用拱形設(shè)計(jì),為了增強(qiáng)承重能力,橋梁中間添加了許多三角形結(jié)構(gòu),如圖5所示. 小組4表示,拱形橋梁是為了節(jié)省木材,增加更多的三角形結(jié)構(gòu).
圖5 小組4的橋梁設(shè)計(jì)圖
小組5表示拱形橋梁是為了分散壓力,如圖6所示. 為此小組5的同學(xué)還準(zhǔn)備了實(shí)驗(yàn):如果用握住雞蛋的方法來(lái)破壞雞蛋殼,所用的力比直接磕碎要大得多. 生活中也存在通過(guò)拱形結(jié)構(gòu)分散壓力的例子,例如壓力容器都是圓柱形,潛水艇也做成圓柱形.
圖6 小組5的橋梁設(shè)計(jì)圖
小組6集合了其他組的優(yōu)點(diǎn),既有拱形結(jié)構(gòu),也有三角形和大接觸面積,甚至還在拱形結(jié)構(gòu)下增加了另外的1層三角形結(jié)構(gòu)(圖7),專門(mén)用于承受壓力,不過(guò)作為代價(jià),他們的三角形結(jié)構(gòu)較少. 在最終的測(cè)試階段,小組6由于缺少制作經(jīng)驗(yàn),制作的橋梁強(qiáng)度不夠,橋梁承重35 kg,成績(jī)僅次于小組3.
圖7 小組6的橋梁設(shè)計(jì)圖
4.3.1 團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性
為了增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,在橋梁設(shè)計(jì)之前,提前進(jìn)行1次設(shè)計(jì)的練習(xí). 在練習(xí)過(guò)程中,不少組由于參與的人數(shù)不夠多,效率低下,導(dǎo)致不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù). 經(jīng)過(guò)了第1次練習(xí)后,小組組長(zhǎng)對(duì)設(shè)計(jì)的過(guò)程有了基本的認(rèn)識(shí). 不少小組在最終制作之前在組內(nèi)分工,甚至小組3對(duì)制作流程中的各個(gè)步驟都進(jìn)行了詳細(xì)的分工,給每個(gè)成員都分配了任務(wù).
通過(guò)整合課程,學(xué)生們也認(rèn)識(shí)和體會(huì)到,所有工程不可能靠幾個(gè)人完成,小到橋梁的模型,大到真實(shí)的橋梁工程,都是需要團(tuán)隊(duì)合作來(lái)完成. 同時(shí)這也是對(duì)組長(zhǎng)能力的鍛煉,團(tuán)隊(duì)的成員需要凝聚力,需要組長(zhǎng)的調(diào)度與分配.
4.3.2 理想和現(xiàn)實(shí)的區(qū)別
小組2的同學(xué)表示:全體成員在課程前低估了任務(wù)的難度,開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí),成員構(gòu)思出了形態(tài)各異的橋梁,但是在真正開(kāi)始制作時(shí),由于缺乏專業(yè)知識(shí),這些異想天開(kāi)的設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn),最后只能從比較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)做起.
小組4的同學(xué)表示:在開(kāi)始設(shè)計(jì)只考慮了理想情況下的方案,沒(méi)有考慮方案該如何制作才能發(fā)揮理想的性能. 在制作時(shí),木棍之間無(wú)法完全貼合,不少同學(xué)直接把膠水涂上去,既沒(méi)考慮木棍之間是否貼合,也沒(méi)考慮膠水凝固需要時(shí)間.
小組4的組長(zhǎng)在分享時(shí)也表示:涂抹膠水后,可以使用燕尾夾對(duì)黏合處進(jìn)行夾持,放置一段時(shí)間后再打開(kāi)燕尾夾,等待膠水干透. 夾持的時(shí)間由氣溫而定.
小組6的組長(zhǎng)指出:在制作橋梁時(shí),需要注意木棍之間的連接穩(wěn)定性. 柱狀的木棍之間在拼接時(shí)存在大量的空隙,因此最佳的制作方法是對(duì)木棍的連接處進(jìn)行修整,讓木棍具有一定的傾角,更加貼合.
輔導(dǎo)教師寄語(yǔ):橋梁工程涉及諸多學(xué)科,要想完成橋梁建設(shè),離不開(kāi)各專業(yè)人士的合作.
開(kāi)展物理學(xué)科與綜合實(shí)踐活動(dòng)的整合課程,在教師的協(xié)助下學(xué)生掌握并應(yīng)用物理知識(shí),學(xué)生獲得應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題的成就感,該活動(dòng)貫徹了STS理念. 物理在整合課程的應(yīng)用還需要更多的研究,例如課時(shí)分配等問(wèn)題,希望在師生的努力下,整合課程可以成為結(jié)構(gòu)完善、課標(biāo)明確、教材和課題豐富的常駐課程.