基于项目学习的物理与工程跨学科教学实践

《义务教育物理课程标准（2022年版）》明确指出，为了体现物理学与日常生活、工程实践、社会发展等方面的联系，将跨学科实践作为义务教育物理课程内容的五个一级主题之一。物理是自然科学的基础学科，通过跨学科实践，能够帮助学生更直观地理解物理概念和原理，增强学生对物理学习的兴趣和动力。而项目学习是一种任务导向的在做中学的学习模式，适合跨学科式学习。在项目学习过程中，教师将学习目标与任务相结合，指导学生在生活情境中发现问题，提出问题，以小组为单位调查研究信息，再进行讨论、设计、改进、实践。下面，笔者以“设计潜水艇模型”教学为例，谈谈基于项目学习的物理与工程跨学科教学实践。

一、教学过程

1.创设情境，驱动学习

教师展示“奋斗者”号潜水艇在海面航行并实现万米深潜的视频，提问：“同学们想不想设计一艘潜水艇？”

【设计意图】调动学生积极性，引导学生萌发做潜水艇设计者的想法，明确本节课的第一个任务是完成设计潜水艇的项目。

2.分解项目，明确目标

师：这是一个复杂的工程，一般工程师在设计前会把项目分解。请小组讨论，要完成潜水艇的设计，需要解决哪些具体问题？

学生阅读海底水压以及潜水艇承担军事任务的相关资料，互相讨论并明确：（1）潜水艇外壳选材；（2）如何使潜水艇在水面漂浮；（3）如何使潜水艇在水中上浮、下沉、悬停。

【设计意图】科学探究前先明确需要解决的问题，这样能让后续的研究和实践更有条理性。拆分项目有助于学生加深对任务的理解，了解一艘合格的潜水艇应满足的标准，如能抵挡海底的水压，能自由地在水中实现浮沉，能在水面漂浮航行等，让学生对本次项目的难点有一定的了解。

3.攻克疑问，得出结论

对于潜水艇的选材，学生通过阅读资料，考虑到海底的水压以及海水的腐蚀性，认为需要选择强度大、耐腐蚀的材料，如钢铁、钛合金等。接着解决核心问题：如何实现浮沉？

师：钢铁和钛合金材料的密度大于水，为什么用其做成的潜水艇可以在海面上漂浮呢？请大家用桌上的金属片试试，能不能让它漂浮在水面上。

生1：薄铝片直接投入水中会下沉，但把薄铝片做成一个空心的金属球就可以实现漂浮。潜水艇应该也是做成空腔来实现漂浮的。

师：漂浮的潜水艇又是如何沉入水中并自由地浮沉呢？请小组讨论，展开想象，集思广益，然后把讨论后的设计思路画出来。

小组1：我们小组设计的潜水艇是由钛合金做成的，底部携带密度很大的金属，比如铜做成的重物，装上重物以后，重力变大，当重力大于浮力时下沉；当要上浮时就把重物卸下，让重力变小。

小组2：我们小组的潜水艇带有一个体积可变的气仓，要下沉时，抽气使气仓体积变小从而使浮力变小；要上浮时，就往气仓打气，增大气仓体积从而使浮力变大。

小组3：我们的设计是在钢铁制成的潜水艇上下前后都安装螺旋桨。因为螺旋桨转动时对水有向下的推力，而力的作用是相互的，水对螺旋桨有向上的力，当这个力和浮力大于重力时，潜水艇上浮。

小组4：我们想在潜水艇里设计储水仓，当要下沉时，潜水艇吸入海水，增大重力；当要上浮时，排出海水，减小重力。

师：可见物体的浮沉是由物体的重力和浮力共同决定的。请大家对下沉的潜水艇和上浮的潜水艇进行受力分析。

师生通过受力分析，得出结论：当物体浸没在液体中，受到的重力大于浮力时，下沉；受到的重力小于浮力时，上浮。

实验验证：各小组选择合适的器材，验证方案的可行性，观察并记录实验现象。

【设计意图】学生根据对项目的理解和分析自行设计潜水艇，在小组长的组织下展开讨论，解决上浮和下沉的难题，同时教师在课堂中巡回指导，适时关注学生遇到的障碍和错误，使学生及时突破瓶颈，修正问题。这一环节，学生在理论分析中得出物体的浮沉条件，避免实验操作的盲目性和随意性，为本节课的活动提供了理论依据。

4.自评互评，反馈改进

师：请大家在实验操作的基础上，再结合潜水艇资料，进行讨论，分析自己组和其他小组方案的优缺点，提出改进措施。

小组1：我们的优点是操作简便，但卸下的铜块留在海底不环保，而打捞铜块再利用也必然要耗费一定的人力物力。

小组2：小组3的设计可以自由地在水面或者水下改变前进方向，这是我们组没有想到的，但是我们觉得水下深潜时水压很大，水的阻力也很大，转动螺旋桨肯定不是轻而易举的，特别是要上浮时，除了要克服水的阻力，还有整个潜水艇受到的重力，肯定需要很大的动力，要消耗很多能量。而我们组和第四小组的设计在实现上浮时会容易得多。

小组4：我们是通过改变自身重力实现浮沉的，而小组2是通过改变浮力实现浮沉。我们认为我们组的设计应该更好一些，容易形变的材料，像橡皮膜之类的一般强度不够，而潜水艇是要实现水下作战的，明显小组2的设计无法抵抗敌军的袭击。但是我们组的设计也有缺陷，无法实现除了竖直方向以外的行进，如果能够借鉴小组3螺旋桨的设计加以改进会更好。

学生通过阅读资料，进一步了解潜水艇的结构和军事作用。教师在评价的基础上，要求学生再次自主优化潜水艇模型。

师：潜水艇在执行军事侦察任务或者在海水里进行维修保养时，需要避免外界环境对自身的损害，此时需要潜入水下，并尽可能地保持静止，以确保任务的顺利完成。我们把物体浸没在液体中并且处于平衡的状态称为悬浮。请同学们思考，潜水艇可能会通过什么方法在海水中悬浮？

教师展示悬浮的油滴和小番茄，提示学生分析油滴的受力情况。

生2：可能是通过螺旋桨调节水施加的升力，使潜水艇受到的力平衡来实现的。

生3：应该是改变水仓中储存的水量，使浮力刚好等于重力。

教师肯定学生的想法并展示潜水艇在水中悬浮的图片。

【设计意图】小组自主设计并汇报方案，再由生生交流或师生交流实现方案的优化，学生从被评价者转为评价者，从不同的视角审视本次所经历的项目化学习。学生在评价其他小组方案的过程中也能进一步完善自己的设计方案，加深对浮沉知识的理解，学会从多个角度分析问题。

5.工程实践，能力进阶

教师提供废弃材料：矿泉水瓶、气球、橡胶管、针筒、热熔胶枪、钩码。先让学生讨论所提供材料的用途，然后设计潜水艇模型，同时巡视，提醒学生模型必须符合验收标准。

【设计意图】通过制作潜水艇模型，学生将抽象的概念和原理转化为具体的、可观察的形式。在制作过程中，学生需要仔细研究相关物理原理和规律，并思考如何将它们应用到模型中。这种深入的思考和实践可以加深学生对物理知识的理解，提高他们的分析能力和解决问题的能力，同时激发他们的学习兴趣和创造力。

二、教学反思

潜水艇模型设计是一个典型的项目化教学案例。在潜水艇模型设计项目中，学生需要从实际出发，探究浮力、重力、物质物理属性等相关物理知识，同时需要考虑潜水艇的结构、功能和性能等实际应用需求，通过跨学科实践探索和思维创新，设计出符合要求的潜水艇模型。本节课体现了项目化教学的目标导向性，注重学生主动学习、探究和实践，强调学生在实践中获取知识和技能，培养了学生解决实际问题的能力。学生在设计过程中亮点频出，想出多种方法实现潜水艇的浮沉且能主动参与小组学习，可见本次实践激发了学生的学习兴趣和主动性，培养了学生的合作意识。当然，本节课也存在一些不足，如学生组建小组时教师过于放手，没有对小组成员按照学习能力进行合理调配，使得后续的活动进展遇到了一些障碍；项目设计时应细化评价标准，并让学生在课前就知晓评价表的内容或参与评价表的制作，这样更有利于引导学生积极加入课堂，充分发挥评价的功能等。课后访谈得知，大部分学生通过本次项目活动都能体会到物理知识与工程实践的紧密联系，能认识到物理知识对社会发展的重要性。当学生亲手制作出一个能够展示物理原理和规律的模型时，他们会感到非常有成就感，同时，在制作过程中，他们还可以发挥想象力和创造力，设计出独特且富有创意的模型，这也有助于激发学生对物理学的兴趣和热爱，培养他们的创新思维和实践能力。

（作者单位：江苏省苏州市吴江区笠泽实验中学）