专题导读
2024年6月，《中国科技教育》推出了“跨学科概念视角下的科学教学”专题系列文章，帮助一线教师以跨学科概念的视角深入认识科学教学。后续，小编将通过10期微信稿分享该专题4篇文章的详细内容。
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专题：跨学科概念视角下的科学教学
/ NEWS TODAY
《跨学科概念引领下的科学教学》
《基于跨学科概念“系统与模型”的技术与工程领域教学初探》
《基于跨学科概念的“拆客空间”项目实践研究》
《基于跨学科概念的科学与劳动实践——“乐山农场”跨学科项目实践研究》
前三期微信，我们通过专题文章《跨学科概念引领下的科学教学》，明确了跨学科教学中的三个基本问题：为什么要开展跨学科教学？跨学科概念有哪些？跨学科概念如何引领科学教学？（点击文字可跳转链接）
本期微信，小编将带来专题文章《基于跨学科概念“系统与模型”的技术与工程领域教学初探》，通过教学案例“制作电动小车”详细了解跨学科概念作为教学设计的重要依据、支撑和指导模式与方法。
《基于跨学科概念“系统与模型”的技术
与工程领域教学初探》
制作电动小车
制作电动小车活动的思考
在技术与工程领域的学习和教学中，通常需要学生设计制作具备特定功能的物化作品，以解决真实世界的问题。然而真实世界的问题往往不是独立存在的，而是一个多学科融合的有序整体，具有一定的复杂性。学生在解决这些复杂问题时，必须调用各学科知识和生活经验共同参与研究，才能完成既定目标，解决问题。因此，在技术与工程领域指导学生学习的过程中，尤其需要从跨学科概念的角度指导教学。
比如“制作电动小车”一课中，学生依据已有的生活经验，往往会把电动小车看成是一个简单的技术问题，甚至就是几个部分的组装。当实际制作时，却发现制作电动小车其实是一个复杂的问题，涉及多个学科和所有跨学科概念。如图1所示，小车是由结构、动力、加工3个相互关联的部分形成的系统，也是需要学生实际制作完成的模型；小车的车身、车轮、车轴之间的相互关系，决定了小车的结构与功能；小车运动时由电能转化为动能，是能量转换；小车运动的方向，是稳定与变化。
图1：制作电动小车的系统结构
在解决制作电动小车这个真实问题的过程中，最核心的就是分析电动小车包含的各个组成部分，让学生充分认识到小车是包含多个有关联的部分组成的有序整体，在各部分深入学习的基础上，将小车这一复杂的、不可见的系统，简化为直观的、可视的模型，才能帮助学生对电动小车形成充分的认识，从而实现特定功能，完成工程任务。同时，将复杂的系统经过处理，简化为模型进行研究，也是工程领域科学家、工程师们常用的研究方法。教师在指导学生跨学科学习的过程中，有意识的引导学生将一个复杂的系统简化为模型进行研究，不但能提高学习的效率，还能帮助学生养成建构和运用模型进行系统研究的良好科学素养。
复杂工程任务中的系统与模型
“重型装甲”活动是基于电动小车制作的跨学科实践活动，适用于小学高年级和初中学生。
该工程任务要求学生制作一辆可用于载重的电动小车，并且规定了小车行驶时间限制（如表1所示）。从结构材料方面分析，只提供了原始的加工材料——奥松板、雪糕棒，并未提供统一的车身、车轮、载物箱，需要学生根据材料的尺寸自行设计制作小车的结构零件；从动力材料方面分析，电源电压是统一的，齿轮箱有3种不同的制作方式，分别可以产生不同的输出速度。也就是说，在不考虑加工技术差异的情况下，工程任务的重点是研究齿轮箱的输出方式和小车的结构。
表1：“重型装甲”工程任务要求
工程任务：
利用规定的材料，制作一辆以车轮滚动方式前进的小车，在20秒内将一定数量的钩码（50克）从赛道起点搬运至赛道终点，搬运一次。在规定时间内完成搬运任务的重型装甲车，搬运钩码数量越多越好；在搬运钩码数量一样的情况下，用时越短越好。
材料：
材料名称 | 规格 | 数量 |
齿轮箱 | 3速可调 | 2个 |
奥松板 | 210×150×3mm | 2块 |
雪糕棒 | 110×10×1mm | 20根 |
螺丝螺母 | 3毫米机牙螺丝 | 若干 |
电池盒 | 3节带开关 | 1个 |
5号电池 | 碱性电池 | 3节 |
车轴 | 碱性电池 | 2根 |
软管 | 碱性电池 | 2个 |
测试场地：
因此，此任务与制作普通的电动小车相比，系统成份更加抽象、复杂，需要学生考虑从零件到整体的各个细节。如果学生对小车的结构与系统没有建立形象直观的认识，很难有效完成任务，这显然成为了学生跨学科学习的阻碍。
从跨学科概念中的“系统与模型”着手，将工程任务分为“分析任务”“分析材料”和“设计制作模型”三个步骤，能够帮助学生更好的完成工程任务，理解小车系统。
分析任务——解构系统
现代社会的学生对车辆并不陌生，其中有些热爱车辆模型的学生更具有较多的经验，但是这些经验大部分停留在车辆品牌、外形、速度以及拼搭成品车辆模型等浅层次的了解上，而车辆最基础的结构如何，车身大小和形状、车轮的数量和直径、齿轮箱的动力输出方式对车辆的载重和速度有哪些影响等系统部分之间的相互关联，很少有学生深入研究过，所以学生对小车的已有经验是模糊的。
因此，完成工程任务的第一步就是引导学生分析任务需求，解构车模的系统与功能。其实，重型装甲小车既是一个复杂的系统，也是一个具有一定难度的模型。它不但要具备与普通电动小车一样的结构系统，还需要考虑能负荷一定重量的动力系统（见图2）。从结构系统来看，含有车身、车轮、车轴等组成，但需要学生用限定大小的材料设计出车身的大小、形状，并确定车轮的数量和直径；从动力系统来看，包含简单电路、齿轮减速、控制电机转动方向等，需要学生通过观察和计算，发现齿轮箱的减速原理，从而选择正确的动力输出方式。要完成任务就需要先分别研究结构系统和动力系统，再研究这两个系统的相互关联，将两个系统整合起来。
图2：重型装甲小车模型的系统
这一步的教学遵循了这样的原则。首先调动学生对车模的已有知识经验，分析工程任务中的重点要素，通过“做减法”和“分解”的方式，引导学生将已有知识经验中关于小车的其他成份剥离、去除。最终将重型装甲小车这一复杂系统简化为“结构系统”+“动力系统”，再引导学生分析这两个系统中的基本组成及彼此之间的联系。这样不仅使复杂的问题变得有序，也初步帮助学生建立起“系统与模型”的跨学科概念。
内容来源：《中国科技教育》杂志2024年第6期《基于跨学科概念“系统与模型”的技术与工程领域教学初探》，作者：江凌昊，文字有部分改动。欢迎转载，转载请注明出处。
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