設(shè)計(jì)橋梁：促進(jìn)高階思維發(fā)展的跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)案例

選題背景

《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》要求統(tǒng)籌設(shè)計(jì)綜合課程和跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)，優(yōu)化綜合實(shí)踐活動(dòng)實(shí)施方式與路徑，推進(jìn)工程與技術(shù)實(shí)踐，注重培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。

“橋梁”是小學(xué)生常見且具工程屬性的結(jié)構(gòu)元素，有天然跨學(xué)科教學(xué)優(yōu)勢(shì)。我國造橋技藝歷史悠久，處于世界領(lǐng)先水平，是橋梁大國。本案例以“設(shè)計(jì)橋梁”為真實(shí)任務(wù)，面向四年級(jí)學(xué)生開展教學(xué)。案例整合科學(xué)（重力、拉力等）、數(shù)學(xué)（測(cè)量、計(jì)算等）、語文（口語表達(dá)等）、美術(shù)（審美等）、工程（設(shè)計(jì)、操作等）、信息技術(shù)（查閱資料等）學(xué)科知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生思考結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、材料強(qiáng)度與工程美感的關(guān)系。讓學(xué)生像工程師一樣思考，與同伴共同設(shè)計(jì)并搭建至少40厘米長的橋梁模型，同時(shí)要滿足承重、安全、美觀等標(biāo)準(zhǔn)，解決“如何讓橋梁既堅(jiān)固又節(jié)省材料”的問題。教學(xué)踐行新課程理念，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)思維和跨學(xué)科解決問題的能力。

教學(xué)目標(biāo)

（一）知識(shí)目標(biāo)。一是學(xué)生能夠識(shí)別三種常見的橋梁類型（梁式橋、拱橋、懸索橋），并簡要描述它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。二是學(xué)生能夠結(jié)合所學(xué)的數(shù)學(xué)和科學(xué)知識(shí)繪制簡單的橋梁設(shè)計(jì)草圖，并知曉基本的橋梁設(shè)計(jì)方法。三是學(xué)生能夠理解橋梁受力的基本原理，通過實(shí)際測(cè)試觀察橋梁結(jié)構(gòu)的變化情況，并依據(jù)這些知識(shí)對(duì)橋梁模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

（二）能力目標(biāo)。一是學(xué)生能夠在項(xiàng)目開展過程中主動(dòng)提出如“怎樣讓橋梁更穩(wěn)固”等問題，并與小組成員一起討論解決方法，學(xué)會(huì)合作并分享自己的見解。二是學(xué)生能夠在搭建橋梁模型的過程中發(fā)現(xiàn)問題，并根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理調(diào)整，提升問題解決能力。三是學(xué)生能夠在小組合作中積極參與決策，選擇并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)驗(yàn)找到最好的解決方法，提高決策能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。

（三）情感態(tài)度目標(biāo)。一是學(xué)生對(duì)橋梁設(shè)計(jì)和建造充滿興趣，樂于嘗試不同的設(shè)計(jì)方案，并將自己的創(chuàng)意融入其中。二是學(xué)生在小組合作中能認(rèn)真傾聽他人意見，積極承擔(dān)分配的任務(wù)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神和責(zé)任感。三是學(xué)生在建造橋梁時(shí)能注意節(jié)約材料，理解環(huán)保和節(jié)約資源的意義，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)。

教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新

（一）教學(xué)理念。本案例總計(jì)安排9課時(shí)，教學(xué)設(shè)計(jì)突破分科局限，基于真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)下的真實(shí)問題解決，整合科學(xué)原理、技術(shù)應(yīng)用與工程實(shí)踐為完整學(xué)習(xí)鏈，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

（二）方法與策略。采用實(shí)驗(yàn)與工程制作遞進(jìn)設(shè)計(jì)。先以紙管形狀承重等實(shí)驗(yàn)具象科學(xué)原理，再開展方案設(shè)計(jì)、模型制作與測(cè)試的全流程實(shí)踐。這種先探究后創(chuàng)造的路徑，讓學(xué)生在實(shí)證中領(lǐng)悟、在實(shí)踐中應(yīng)用知識(shí)，依據(jù)數(shù)據(jù)反饋調(diào)整方案，實(shí)現(xiàn)從“做中學(xué)”到“思中改”的思維進(jìn)階，有效培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力。

（三）教學(xué)評(píng)價(jià)。學(xué)生以多元形式展示項(xiàng)目成果，主動(dòng)參與自評(píng)、互評(píng)及高階思維評(píng)價(jià)。從批判性思維、問題解決等四維度量化工程思維成長，達(dá)成“知識(shí)應(yīng)用—能力建構(gòu)—素養(yǎng)提升”的教學(xué)目標(biāo)。

教學(xué)實(shí)施

（一）項(xiàng)目導(dǎo)入

活動(dòng)1：情境引入。教師展示橋梁圖片，引導(dǎo)學(xué)生觀察并提問“哪種橋最堅(jiān)固、最省材料”？隨后播放橋梁倒塌短片，引發(fā)學(xué)生思考橋梁倒塌因素，順勢(shì)引出項(xiàng)目任務(wù)：設(shè)計(jì)一座長40厘米以上既堅(jiān)固又節(jié)省材料的橋梁模型。學(xué)生討論不同橋型特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)、材料、跨度等方面推測(cè)影響橋梁穩(wěn)固性的因素，初步理解橋梁設(shè)計(jì)背后的科學(xué)與工程問題，明確任務(wù)。

活動(dòng)2：實(shí)地考察。教師帶領(lǐng)學(xué)生走出教室觀察周邊橋梁，講解橋墩、橋面等結(jié)構(gòu)元素，并利用VR技術(shù)營造沉浸式體驗(yàn)，助其直觀理解橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)與受力原理。學(xué)生實(shí)地拍照記錄橋型，提問并分析結(jié)構(gòu)，在VR環(huán)境中自主探索不同橋梁構(gòu)造，深化對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與工程邏輯的理解。

（二）實(shí)驗(yàn)探究

活動(dòng)1：紙管形狀對(duì)承重的影響。教師出示圓柱橋墩?qǐng)D片，提問引導(dǎo)學(xué)生猜想“為何橋墩多為圓柱形”，隨后講解實(shí)驗(yàn)步驟，提示關(guān)注變量、記錄數(shù)據(jù)并觀察紙管倒塌原因。學(xué)生動(dòng)手用紙質(zhì)材料制作三棱柱、四棱柱和圓柱紙管，測(cè)試承重力，將結(jié)果記錄在“紙管實(shí)驗(yàn)記錄表”中，并討論紙管結(jié)構(gòu)與承重的關(guān)系，思考“圓柱最穩(wěn)”的原因。

活動(dòng)2：平橋與拱橋承重對(duì)比。教師提供同材質(zhì)卡片，讓學(xué)生用其搭建平橋與拱橋（如圖1與圖2），并提出“相同材料下哪種結(jié)構(gòu)能承載更多硬幣”的問題，指導(dǎo)學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)。學(xué)生測(cè)試兩種橋型承重能力，并在“平橋與拱橋承重對(duì)比實(shí)驗(yàn)記錄表”中記錄數(shù)據(jù)，分析拱橋更穩(wěn)定的原因，增強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)的直觀認(rèn)知。

（三）工程解決

活動(dòng)1：設(shè)計(jì)橋梁方案。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察材料，說明項(xiàng)目限制（橋長超40厘米、材料有限等），鼓勵(lì)學(xué)生繪制多種方案并標(biāo)注結(jié)構(gòu)與材料清單。學(xué)生討論問題、試觸材料、構(gòu)思橋型，每人繪制兩種草圖并標(biāo)注。小組內(nèi)分享設(shè)計(jì)方案，由組長帶領(lǐng)選定最佳設(shè)計(jì)。

活動(dòng)2：制作橋梁模型。教師協(xié)助學(xué)生分配材料，強(qiáng)調(diào)安全與協(xié)作，過程中巡視指導(dǎo)并鼓勵(lì)學(xué)生嘗試結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。學(xué)生按圖紙分工制作模型，遇到問題溝通討論、優(yōu)化設(shè)計(jì)，更換材料組合增強(qiáng)模型穩(wěn)定性。

活動(dòng)3：測(cè)試與修改。教師指導(dǎo)學(xué)生逐一測(cè)試模型承重，鼓勵(lì)學(xué)生記錄數(shù)據(jù)、提出改進(jìn)建議，調(diào)整結(jié)構(gòu)后再次測(cè)試。學(xué)生將彈珠放置橋面中央觀察橋梁穩(wěn)定性，記錄承重極限，測(cè)試后小組討論，依據(jù)數(shù)據(jù)改良設(shè)計(jì)并改進(jìn)模型。

（四）成果展示

教師組織成果展示，提供橋梁模型評(píng)價(jià)量表，評(píng)價(jià)內(nèi)容包括方案設(shè)計(jì)（20分）、過程分工（10分）、功能特點(diǎn)（50分）、外觀形象（10分）、演講答辯（10分）5個(gè)部分。學(xué)生匯報(bào)時(shí)，鼓勵(lì)用PPT、視頻、實(shí)物模型等展示。學(xué)生各組展示模型，講解設(shè)計(jì)思路、挑戰(zhàn)及優(yōu)化過程，小組自評(píng)互評(píng)提出肯定與建議，共同見證工程思維成果。

（五）反思總結(jié)

活動(dòng)1：回顧反思。教師引導(dǎo)學(xué)生回顧項(xiàng)目流程，思考“若重新設(shè)計(jì)橋梁如何改進(jìn)”“橋梁設(shè)計(jì)帶來哪些新認(rèn)識(shí)”等問題。學(xué)生撰寫反思報(bào)告，從工程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究、合作體驗(yàn)等方面總結(jié)所得。

活動(dòng)2：高階思維自評(píng)與互評(píng)。教師指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)“高階思維評(píng)價(jià)量表”打分交流。高階思維評(píng)價(jià)包括“批判性思維”“問題解決”“決策力”“創(chuàng)造力”四個(gè)方面。其中，“批判性思維”具體包括能指出橋梁結(jié)構(gòu)存在的問題、能對(duì)不同橋型進(jìn)行比較并說出各自優(yōu)缺點(diǎn)等?！皢栴}解決”包括能發(fā)現(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)或建造中的問題、能夠根據(jù)測(cè)試結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)并記錄修改過程等。“決策力”包括能在多個(gè)方案中作出選擇并說明理由、能在小組內(nèi)參與討論決策等。“創(chuàng)造力”包括能在橋梁模型中加入美觀或?qū)嵱玫膭?chuàng)意設(shè)計(jì)、能結(jié)合現(xiàn)實(shí)橋梁或生活經(jīng)驗(yàn)生成新想法等。學(xué)生按表現(xiàn)進(jìn)行自評(píng)，并與組員互評(píng)。

（作者鄭良棟單位系福州外語外貿(mào)學(xué)院；作者曹永、郭鑫單位系山東省淄博高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)第一小學(xué)）

《人民教育》2025年第15—16期