跨学科项目化学习的设计与实施——以“智能窗帘”为例.pdf

:/.课程资源 年 月 第 期跨学科项目化学习的设计与实施 以“智能窗帘”为例邓婉林 黄致新(华中师范大学物理科学与技术学院 湖北 武汉)作者简介:邓婉林()硕士研究生研究方向:中学物理教学黄致新()博士教授研究方向:物理教育研究.摘 要:作为跨学科学习和项目化学习的合集基于物理学科的跨学科项目化学习是“从生活走向物理从物理走向社会”课程理念的具体体现是实现“情境教学”的重要途径.通过对跨学科项目化学习的内涵、目标以及活动框架的分析提出“智能窗帘”的具体案例为跨学科项目化学习的设计与实施提供参考有助于立德树人根本任务的落实.关键词:跨学科项目化学习核心素养智能窗帘中图分类号:文献标识码:文章编号:()义务教育物理课程标准(年版)中提出了“从生活走向物理从物理走向社会”的义务教育课程理念并将“跨学科实践”作为课程内容的一级主题之一侧重体现物理学与日常生活、工程实践、社会发展等方面的联系.普通高中物理课程标准(年版 年修订)中建议“在教学设计和教学实施过程中重视情境的创设”因为“创设情境进行教学对培养学生的物理学科核心素养具有关键作用”.而跨学科项目化学习作为跨学科学习和项目化学习的合集既是跨学科实践又要求学生围绕真实且复杂的问题展开探索形成整合性的项目成果.学生在这种学习方式中需要通过独立思考、合作学习和实践应用等方式有意识地学习并整合多个学科的知识和技能以获得对研究问题的更全面、深入的理解形成可解决现实问题的研究成果.图 跨学科项目化学习相关论文的发表数量笔者以“跨学科项目化学习”为主题在中国知网数据库中搜索 年期间发表的论文可检索到 篇文献发表年度趋势如图 所示.数据显示近年来与“跨学科项目化学习”相关的论文数量大幅上升越来越多的教育研究者开始探索跨学科学习、项目化学习.但跨学科项目化学习的设计和实施策略仍不明晰.本文基于物理学科的视角对跨学科项目化学习的内涵、目标以及活动框架进行理论探讨并以“智能窗帘”为例说明如何设计和实施跨学科项目化学习.跨学科项目化学习的内涵夏雪梅博士在项目化学习设计一书中指出“跨学科项目化学习基于两个或两个以上学科的核心概念与能力或者基于一套超学科的概念体系的共同作用来促进对世界的深度理解.学生汇聚两个及两个以上的学科概念来解释现象、解决问题、创造作品从而产生新的理解创造出新的意义”.也有研究者认为跨学科项目化学习是以跨学科大概念为统领涉及多个学科知识运用多路径解决问题的学习设计.跨学科研究专家 将跨学科项目化学习定义为“一个可全面描述所涉问题的开放和复杂的研究设计”.则认为跨学科项目化学习要求来自不同学科的参与者在持续交流的情况下解决一个共同的开放性问题.在前人研究的基础上本文将跨学科项目化学习定义为一种能够综合多个学科领域知识和技能的教 年 月 .育模式.该模式以解决真实问题为导向由学生团队长时间协作完成一个真实场景下的项目设计与成果展示.跨学科项目化学习具有如下六个特征:()功能性.跨学科项目化学习以现实世界中的真实问题来驱动学习过程学生不仅在解决问题的过程中学习知识和技能而且应该产出具有一定的功能性和实用性的研究成果.()跨学科性.跨学科项目化学习强调多个学科之间的融合和交叉需要学生掌握不同领域的知识、技能和方法.()综合性.学生需要将来自多个学科的知识和技能融会贯通整合出一个完整的项目方案.()自主性.学生在学习过程中具有一定的自主权和选择权可以根据自己的兴趣和需求选择学习的内容和方式.()实践性.跨学科项目化学习既包括实验室实践也包括项目实践学生需要将所学知识和技能应用到实际情境中解决问题.()合作性.跨学科项目化学习以小组为单位进行学生需要与其他组员协作完成项目任务并共同解决问题形成社交关系.跨学科项目化学习的目标.物理学科核心素养学科核心素养是学科育人价值的集中体现是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力.物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面.基于物理学科的跨学科项目化学习对于培养学生物理学科核心素养有如下目标:()强调物理观念.通过跨学科项目设计学生可以将物理知识与其他学科的知识相结合更好地理解并应用物理学中的概念和原理.()发展科学思维.在跨学科项目中学生需要运用构建物理模型、观察、推理、实验等方法来解决问题和完成任务从而发展其科学思维能力.()促进科学探究.跨学科项目化学习强调探索性学习鼓励学生主动发现和解决问题并从实践中反思获得经验和技能.()提高科学态度与责任.在跨学科项目中学生需要尊重事实、关注证据、保持开放性和批判性思维形成正确的科学态度.同时意识到自己的行为会对多个方面产生影响从而在团队协作中形成一种相互扶持、责任共担的氛围.世纪核心素养 模型为了适应时代需求、满足学生个体成长需要、推进教育变革与创新以及促进国家战略发展北京师范大学中国教育创新研究院与美国 世纪学习联盟()开展合作于 年提出了 世纪核心素养 模型即文化理解与传承素养()、审辩思维()、创新素养()、沟通素养()、合作素养().通过跨学科项目化学习学生应该得到 世纪核心素养的全面培养帮助他们更好地应对未来的挑战和机遇在各个领域获得成功.具体而言根据 世纪核心素养 模型跨学科项目化学习的目标为:()提高学生面对不同文化内涵、共性与差异的认识和理解确保学生能够认同并愿意传承中华民族优秀文化中所蕴含的价值观念、道德伦理、行为习惯等同时培养学生践行优秀文化中所蕴含的价值观念()发展学生的审辩思维要求学生学会分析问题、独立思考、辨别信息来源和质量对项目进行阐释、分析、评估、推理、论证、自我调节并做出判断和决策()培养学生的创造性思维提高学生发掘新思路、提出新想法、设计创新产品和服务并在实践中进行应用的能力()锻炼学生的沟通技能帮助学生掌握良好的口头和书面交流能力有效地与他人或群体交流信息、思想、情感和价值观并对沟通对象抱有同理心()提高学生的协助合作能力要求学生积极主动承担分内职责并本着互尊互利的原则通过与团队不同成员间的平等协商灵活地作出妥协、解决争议实现共同目标.跨学科项目化学习的活动框架基于对跨学科项目化学习内涵和目标的理解本文提出了如图 所示的跨学科项目化学习的活动框架.图 跨学科项目化学习活动框架跨学科项目化学习的设计与实施:/.跨学科项目化学习第一个活动阶段为前期准备在这 周时间内教师需要承担大部分工作.首先教师与学生充分讨论确定跨学科项目的主题明确跨学科项目化学习的范围、目标和要求学生自行组建 人的跨学科项目小组其次教师根据项目主题列出资源需求比如基础知识学习资源制作产品所需的计算机等软件资源和工具、材料等硬件资源最后教师和学生一起制定合理的项目实施计划项目实施过程中可根据实际情况集中调整计划.其中特别需要注意的是跨学科项目化学习的主题即研究问题应满足四项真实性要求:()对学习者个人有意义()与校外的现实世界相关联()学生能够以多种学科模式思考()项目成果能体现学生的学习过程.学习研究为第二个活动阶段由学生小组自行收集、整理与主题相关的信息分配任务进行研究和分析形成问题和假设完成项目路线设计并选择合适的方法和工具进行验证.同时在这 周内教师需要阶段性地提供指导并验收学生成果.学生明确设计路线后跨学科项目化学习进入第三个活动阶段学生需要在 周内完成项目产品制作.在制作过程中学生应不断探索并补充设计细节根据实际情况不断修改完善解决方案.最后一个活动阶段为汇报评价.学生以小组为单位汇报项目成果对学习过程进行评估和总结并针对性地提出改进建议为下一次实施跨学科项目化学习提供经验.需要注意的是跨学科项目化学习的活动框架并非固定不变可根据项目情况和实际需求进行调整和改进.“智能窗帘”案例呈现随着科技的进步和物联网需求的日益增长智能家居已成为当今社会的热门话题.作为智能家居的一个重要组成部分智能窗帘具有自动开关、定时开闭、智能遮光等功能.制作智能窗帘不仅需要掌握物理、计算机科学以及工程学等多个学科领域的知识也需要团队协作、创新和解决问题的能力故“智能窗帘”这一主题符合跨学科项目化学习的内涵.下面介绍“智能窗帘”跨学科项目化学习的活动过程.前期准备“智能窗帘”的最终效果是实现自动化操作通过光电传感器、温度传感器、蓝牙模块、主板以及步进电机等器件自动控制窗帘的开合程度优化室内温度和采光实现节能环保、智能化自动化的效果.比如当传感器检测到光照强度过大、温度过高或蓝牙模块接收到关闭信号时 主板会驱动步进电机工作关闭窗帘.要完成智能窗帘的设计与制作首先学生需要了解物理学的光学原理和热学原理理解光线、反射、折射等相关知识以及热辐射、热传导等基本原理.此外还需要了解材料的光学和热学性质例如透明度、导热性等从而理解室内温度调节的基本原理明白如何利用窗帘进行室内温度控制其次学生需要掌握计算机编程的基础知识设计和编写控制传感器和步进电机等硬件的代码实现智能窗帘的自动控制再次学生需要了解机械工程方面的基础知识包括窗帘的结构特点以及窗帘轨道的原理进而掌握设计和制作机械装置的技巧最后学生还需要了解一些电子电路原理和基础电子知识特别是关于电源和传感器的知识.“智能窗帘”跨学科项目化学习有助于培养学生的物理学科核心素养和 世纪核心素养见表 和表.资源需求和项目计划分别见表 和表.其中资源需求可根据小组的设计方案进行调整项目计划也可以根据学校和班级的具体情况做出改进.表 物理学科核心素养物理观念学生掌握光线传播、电路等概念和规律并通过实际操作更加深入地理解与应用科学思维学生自行分析、解决如何感知光、热、控制信号如何控制窗帘开关等问题科学探究学生经历假设、设计与制作、不断试错和调节智能窗帘以及成果汇报过程科学态度与责任智能窗帘可实现节能环保学生在制作过程中培养保护环境的责任感表 世纪核心素养文化理解与传承素养了解不同领域的文化特点和人类历史的传承根据需求个性化设计出智能窗帘审辩思维全面思考和分析自动控制、遥控等问题并提出合理的解决方案创新素养根据经验和需求调节电气设备的参数自主且自由地制作智能窗帘沟通素养和小组成员交流用良好的表达技巧完成项目制作与汇报合作素养在合作和交互的过程中完成项目表 “智能窗帘”资源需求学习资源物理、计算机科学以及工程学等领域基础知识学习硬件资源传感器、步进电机、主板、电源等软件资源编程软件 、电路设计软件 等 年 月 .表 “智能窗帘”项目计划第 周搜集资料集中学习基础知识第 周小组分工确定智能窗帘的功能第 周制作电子控制器编写程序并进行调试和测试第 周购买器材和材料制作窗帘完成初步测试第 周根据效果进行调整和最终测试第 周完善项目文档和演示准备第 周展示成果完成评估和总结.学习研究对于“智能窗帘”跨学科项目化学习活动学生小组的组成应充分考虑到多学科的需求确保每个学生在小组中都能够充分发挥自己的专业特长.一般而言学生小组可以分为以下若干个角色:()项目经理:负责项目整体的规划、协调与监督确保各个学科环节的顺利衔接()机械设计工程师:负责设计和制作窗帘的运动部件包括运动轨道和滑动组件等()光学设计工程师:负责设计光电传感器等的参数和实际安装位置等()控制系统工程师:负责开发窗帘的自动控制系统包括硬件开发和软件编程等内容()营销人员:负责项目的宣传和营销包括调研、市场分析、宣传汇报等.教师应持续跟进各个小组的项目进度并提供指导确保学生在第 周能够完成基础知识的学习第 到第 周能完成智能窗帘的功能设计并根据功能确定电路连接以及控制策略第 周编写控制程序实现智能窗帘的理论设计.设计制作学生使用购买的硬件设备搭建窗帘测试控制程序是否能实现智能窗帘的功能并不断进行修正和优化完成产品制作.汇报评价学生自主准备汇报材料展示所制作的智能窗帘产品根据表 进行组内互评和组间互评教师也可通过设计与“智能窗帘”相关的纸笔测验或者要求学生上交活动报告来评价学生.学生汇报分享学习经验进行活动总结.表 “智能窗帘”评价标准评价类型评价内容评价标准分值组内互评任务完成情况按时出色地完成小组分配的任务学习成果知识和技能得到提升参与积极性积极参与小组讨论团队协作与小组成员有效沟通合作组间互评汇报情况过程流畅条理清晰不存在内容错误产品功能性实现窗帘的智能化和自动化产品美观性精心设计智能窗帘的外观产品创新性智能窗帘个性化、有创意 结束语跨学科项目化学习的主题涵盖多个学科领域例如科学、数学、社会研究、语言艺术等等各个学科中的知识和技能都被整合应用到同一个项目上.跨学科项目化学习不仅能够让学生掌握知识和技能还可以促进创造性思维、团队协作、沟通技巧等非常重要的 世纪能力的提升.跨学科项目化学习极具挑战性在实施过程中教师需要时刻注意学生的基础知识掌握与整合情况以及对活动意义、价值和设计方案的合理性的理解程度保证项目顺利推进实现学生德智体美劳的全面发展.参考文献:中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(年版).北京:人民教育出版社.中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(年版 年修订).北京:人民教育出版社.夏雪梅.跨学科项目化学习:内涵、设计逻辑与实践原型.课程教材教法():.夏雪梅.项目化学习设计:学习素养视角下的国际与本土实践.北京:教育科学出版社.窦平.指向核心知识与关键能力的数学项目化学习.数学教学通讯():.():.:.():.戴驿欢邓磊.基于物理学科的跨学科实践模式探索 以“龙骨水车跨学科实践”为例.中学物理():.魏锐刘坚白新文等.“世纪核心素养 模型”研究设计.华东师范大学学报(教育科学版)():.:.():.曹可攀黄致新.基于区域性的初中物理作业减负现状、困境及对策研究.中学物理():.刘震.基于项目式学习的高中物理活动的设计与实施 以“手机无线充电装置的设计与制作”为例.中学物理():.潘书朋于建军.基于课程标准的物理学科能力提升策略研究与评价设计 以“物理与化学跨学科实践融合创新实验”为例.中学物理():.(收稿日期:)