引言

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。

比如在“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一个简单的技术问题，甚至就是几个部分的组装。但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，涉及稳定与变化。

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，有意识地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。

教学实例分析

“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年级学生。活动中给出的工程任务要求如表1所示。

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。从结构材料方面分析，只提供了原始的加工材料奥松板和雪糕棒，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。

图1　“制作电动小车”的系统结构

因此，此任务与制作普通的电动小车相比，系统更加抽象、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。那么如何才能有效突破呢？通过实践与思考，笔者发现从跨学科概念中的“系统与模型”着手，将完成工程任务分为“分析任务”“分析材料”和“设计制作模型”3个步骤，以帮助学生更好地完成工程任务，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，但是这些经验大多停留在车辆品牌、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、车轮数量和直径、齿轮箱动力输出方式对车辆的载重和速度有哪些影响等系统组成部分之间的相互关联，很少有学生深入研究过，即学生对车辆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　重型装甲小车模型系统

这一步的教学遵循了如下的原则。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内容剥离、去除。最终将重型装甲小车这一复杂系统简化为“结构系统”与“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了“系统与模型”的跨学科概念。

分析材料——运用数学模型解决问题

通过第1步对系统的分析，其实已经帮助学生梳理出2个最基本的研究问题，即如何在限定的材料范围中合理设计出小车各个组成部分，以及如何利用减速齿轮箱让小车能具备较大的动力。在这2个研究问题的基础上，教师要引导学生通过观察、思考、计算和设计，分析材料，使之能达成合理的利用。

结构系统——如何在限定的材料范围中合理的设计出小车各个组成部分

如表1所示，任务中需要学生合理利用材料（包括2块奥松板和20根雪糕棒）制作出车模的结构系统。一般情况的做法是用1块奥松板做车身，另外1块奥松板做车轮。这时学生可能会不假思索地先在1块奥松板上划出4个圆圈，即4个车轮。但这样做出的车轮能达到最佳的效果吗？材料是有限的，如果出错了怎么办？因此，结构系统中最需要解决的问题是如何确定车轮的大小。