学科核心素养导向的跨学科项目式学习探究

摘要

跨学科项目式学习整合了跨学科理念与项目式学习模式，旨在以真实问题为驱动，引导学生综合运用多学科知识与技能解决实际问题。在此基础上，以“行走的木牛”为例，引导学生在复现诸葛亮木牛流马的项目实践中，运用开源硬件、激光切割技术及编程控制等手段，融合物理、数学、信息技术与通用技术等多学科知识，构建出软硬件协同的智能机械系统，以期为跨学科项目式教学提供参考范式。

Graphical abstract

关键词

“行走的木牛” / 跨学科项目式学习 / 开源硬件 / 通用技术 / 信息技术 / 学科核心素养 / 探究

随着核心素养导向的课程改革不断深化，跨学科学习与项目式学习已成为学校育人方式变革的重要抓手。跨学科项目式学习（Interdisciplinary Project-Based Learning，iPBL）并非两者的简单叠加，而是深度融合；它强调以真实、复杂的情境问题为驱动，引导学生在实践中创造性整合多学科知识与能力，生成新认知，进而提升解决真实问题的素养^［1］。高中通用技术与信息技术课程的根本宗旨在于培养学生运用技术解决真实问题的能力，这一宗旨植根于两门课程对基于真实情境技术实践的内在追求^［2-3］。这种学科特质与跨学科项目式学习的“精神内核”高度契合，使得跨学科项目式学习成为在技术与工程领域落实学生发展核心素养的关键路径^［4］。

1 跨学科项目式学习的内涵

项目式学习（PBL）由美国神经病学教授Barrows首创，该模式强调学习者的深度参与，视真实问题为学习的起点，主张通过多元化路径确立学生的主体地位，旨在系统培养其问题解决能力^［5］。PBL中的情境多源自学生真实生活，促使学生调用多学科知识解决实际难题，在深化知识理解的同时提升高阶思维能力。在此过程中，问题构成贯穿全程的逻辑主线，教师扮演引导者与促进者角色，学生则承担学习主体的职责^［6］。

跨学科学习与项目式学习具有内在一致性，两者均以真实问题为驱动，打破了传统学科知识的割裂壁垒，致力于在复杂情境中实现创新突破。跨学科项目式学习正是整合两者优势的产物，它既汲取了跨学科学习融合多元知识的养分，又继承了项目式学习聚焦实践的精髓，为素养本位的教学改革提供了新的实施路径^［1］。

2 技术类课程跨学科项目式学习的时代动因

学生发展核心素养作为党的教育方针的具体化，是其适应终身发展与社会进步的关键支撑。培育学生的核心素养，已成为学校教育改革的核心目标。通过回溯2003年教育部颁布的《普通高中技术课程标准（实验）》可知，其中将信息技术与通用技术统称为“技术学科”。然而，历经10余年的社会发展，学习环境与外部条件已发生深刻变革。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》与《普通高中通用技术课程标准（2017年版）》分别明确了学科核心素养，二者均强调培养学生运用技术工具解决真实问题的能力。

跨学科项目式学习恰恰呼应了这一诉求。该模式立足真实生活情境，引导学生在整合多学科知识与技能的过程中探寻问题解决逻辑，与技术学科素养的要求高度契合。然而现实不容乐观：受高考导向影响，技术学科核心素养的落实尚未达到预期；加之新技术迭代迅猛，教材受编写周期限制，内容更新普遍滞后，导致不同版本的教材项目（如台灯制作、小板凳设计等传统劳动项目）普遍滞后于时代发展与生活实际。因此，亟须开发契合时代脉搏、贴近学生生活的优质跨学科项目，创新课堂设计以激发其兴趣，切实推动技术类课程核心素养落地生根。

3 “行走的木牛”项目设计

3.1 项目背景

据《三国志·蜀书·诸葛亮传》记载，三国时期诸葛亮为解决北伐粮草运输之困，曾创制木牛流马。然而，受限于古代文献记载的简略，其核心技术原理至今仍存争议，尚无定论。荷兰动感雕塑艺术家泰奥·扬森（Theo Jansen）发明的“仿生腿”为这一古老机械课题的现代解读提供了工程视角的可能。泰奥·扬森历经数万次迭代，构建出仅含13个关节骨架的仿生结构（图1），其中精妙的连杆比例赋予了其流畅的自走能力。

在此背景下，“行走的木牛”项目应运而生。该项目尝试融合物理、数学与信息技术等多学科知识，借鉴泰奥·扬森仿生腿的结构原理，探究木牛流马的现代化复现路径，以期弥补传统技术教学中实践项目陈旧、脱离生活的短板。

3.2 学习者分析

该项目面向高二学生实施。经过高一学段必修课程的学习与实践，学生已具备一定的分析与归纳能力，能够对多学科知识进行梳理与整合，形成较为系统的认知结构。在知识储备层面，学生掌握了常见结构力学原理与模型的基础知识；在编程技能层面，已熟悉Python语言的基础语法，具备编写简单控制代码的能力。此外，该年龄段学生对现代技术抱有浓厚兴趣，尤其热衷于机器人编程领域，愿意主动探究代码与硬件功能之间的映射逻辑，这为项目的高参与度实施提供了保障。

3.3 内容分析

项目的实施流程划分为3个递进环节：一是仿生结构理论研习，重点剖析杠杆原理在关节运动中的应用，以及几何与三角函数在构件角度与尺寸计算中的映射关系；二是工程实体构建，依托AutoCAD完成数字化建模，利用激光切割机加工4 mm椴木板，并结合传动链条、不锈钢轴、轴承、定向轮、12 V减速电机及65 A锂电池等元器件，完成“木牛”主体的制作与装配；三是智能程序控制，基于树莓派4B平台，运用Python语言及电机驱动模块，实现机体的前进、后退与转向功能。

基于上述技术路径，结合数学、物理、信息技术及通用技术学科的培养目标，笔者对项目进行了结构化分解，将其细化为若干子任务。各子任务的设计严格遵循课程标准，精准对标学业要求与核心素养，并以学科知识与关键能力为坚实支撑（表1），旨在通过阶梯式的实践挑战，全面提升学生的跨学科问题解决能力与工程思维。

4 “行走的木牛”项目实施过程

结合各子任务的复杂度与知识容量，该项目实施周期规划为15课时，整体教学流程划分为5个递进阶段（或“5个主要环节”）。

4.1 情境创设（1课时）

在情境导入环节，教师播放央视纪录片《兵器面面观》中关于木牛流马的相关影像资料，引导学生了解三国时期诸葛亮创制木牛流马的历史背景及其军事后勤价值。同时，展示后世（如民间复原实践等）对木牛流马的复原探索尝试，分析其基于重力或人力驱动的局限性，以此引发认知冲突，激发学生的探究兴趣。在此基础上，教师正式发布核心驱动任务：如何利用现代工程技术与跨学科知识（如仿生结构、自动控制等），复现基于泰奥·扬森仿生腿原理的现代化“行走的木牛”。

4.2 方案设计（3课时）

泰奥·扬森运用物理学原理创造了巨型轻质“仿生兽”（Strandbeest），实现了模拟生物步态的自由行走，这为“腿脚式”木牛流马的设计提供了核心范式。在教学中，教师引入该案例，引导学生利用GeoGebra平台建构数学模型，通过动态模拟13个关节的运动轨迹，深入探究其背后的数学比例与力学原理。在此基础上，学生需完成基于仿生腿结构的“行走的木牛”机械设计方案，确立关键构件的尺寸参数。

4.3 工程实现（7课时）

首先，学生自由组队，教师依据项目任务需求与学生特长进行分工优化。其次，学生需利用AutoCAD软件绘制仿生腿结构图，结合激光切割工艺特性（如板材厚度、公差配合）精确设计零件尺寸及连接方式。设计定稿后，选用4 mm椴木板经激光切割得到各零件，并进行胶接与层压处理——将三层木板叠加黏合，以满足12 mm的结构强度要求。

在装配环节，完成轴承、轴杆、电机及紧固件等机电部件的集成与调试。为确保结构的稳定性，实施“设计—制作—调试”的迭代机制：若在装配中发现干涉或结构缺陷，须立即返回绘图阶段进行修正，直至机构运行平稳。这一过程通过真实的工程试错，引导学生主动发现问题并解决问题，从而实现知识的内化与建构。

4.4 程序控制（3课时）

该项目选用树莓派4B与Python语言构建电机控制系统，以实现“木牛”的前进与后退功能。在编码实践中，学生需逐步搭建完整的控制程序逻辑：首先，导入RPI.GPIO库，确立底层硬件控制接口；继而，依据电机驱动板的接线定义，将对应GPIO引脚配置为输出模式，以发送电平信号。

在代码编写过程中，教师应引导学生超越单纯的语法输入，深入理解每一行代码对应的硬件控制逻辑（如引脚高低电平与电机正反转的映射关系）。唯有明晰代码机理，方能在调试阶段精准定位故障。程序调试是系统功能实现的核心环节，学生需反复验证GPIO信号传输与电机响应的匹配度。通过持续的试错与优化，最终实现电机运转的精确控制，确保“木牛”灵活执行前进、后退与转向指令，完成软硬件系统的集成联调（图2）。

4.5 汇报展示（1课时）

各小组围绕“行走的木牛”主题依次进行成果汇报。展示内容须涵盖项目攻关过程中的关键问题与技术瓶颈、解决方案的迭代路径，以及作品在结构与功能上的创新点与特色。

评价环节采用多元评价体系，师生依据项目目标达成度、结构创新性与运行稳定性、团队协作效能及功能实现情况等指标，对各组作品进行量化评分。随后，教师针对学生在设计全流程中的表现进行总结，重点表彰在跨学科应用与工程实践方面表现优异的小组。

实证结果表明，该评价机制有效激发了学生的工程思维与创新意识，促进了其对多学科知识融合应用的深度理解。

5 跨学科项目式学习助力技术类课程核心素养培育的启示

跨学科项目式学习促使学生将数学、物理、信息技术、通用技术及语文等学科知识统整应用于真实问题解决之中；学科知识由此实现了从静态符号向动态工具的转化，有力促进了学生核心素养的发展。

5.1 现代化物化技术赋能完整的工程实践

技术问题的解决遵循“发现—构思—制作—调试”的闭环逻辑。相较于传统的金工、木工技艺，激光切割、3D打印、AutoCAD及树莓派等现代数字化工具的应用，显著提升了设计构思的物化效率，支持学生经历完整且真实的技术迭代过程，从而深度培育其技术核心素养。

5.2 跨学科项目须保障充裕时空资源

此类项目任务复杂度高，难以在碎片化课时内完成。因此，必须打破课时壁垒，给予学生连续且深入的时间支持。同时，鉴于项目涉及大量零部件与工具，须预留充足的物理空间用于半成品存放与加工操作，确保学习进程的连贯性。

5.3 教师应主动转型为跨学科实践的引导者

在项目实施过程中，教师专业技术能力与课程设计视野得到双向拓展。这种教学模式的革新，不仅优化了课堂的生态结构，推动学习方式由知识灌输向实践探究转变，更有效提升了技术类课程的实践魅力与育人价值。

参考文献

[1] 夏雪梅.跨学科项目式学习：内涵、设计逻辑与实践原型［J］.课程·教材·教法，2022，42（10）：78-84.

[2] 徐金雷，顾建军.普通高中通用技术课程的设计与实施：基于课程标准修订的思考［J］.课程·教材·教法，2020，40（08）：123-129.

[3] 李锋，柳瑞雪，任友群.确立核心素养、培养关键能力：高中信息技术学科课程标准修订的再思考［J］.全球教育展望，2018，47（01）：46-55.

[4] 程龙.重申跨学科学习的学科立场［J］.全球教育展望，2023，52（03）：25-34.

[5] 黄明燕，赵建华.项目学习研究综述：基于与学科教学融合的视角［J］.远程教育杂志，2014，32（02）：90-98.

[6] 赵建华，蒋银健，陈庆涛.创新教育视域下的能力导向教学范式：从PISA测试看学生能力培养［J］.现代远程教育研究，2020，32（02）：64-72. （上接第64页）

[7] 3.2　真实化认知冲突：实现迁移思维的链接

[8] 相较于传统教学所秉持的“讲授—接收”模式，即一种自上而下的“高控制—低思维”结构，教学活动往往始于对目标概念与关键特征的直接授受。在此种模式下，学生习得的往往是割裂、碎片化的知识，难以实现有效的迁移应用。

[9] 反观“有效失败”视角下的项目式学习，则强调“问题—应用”的“低门槛—高认知”结构。它引导学生在真实问题解决中，通过试错与反思引发认知冲突，主动借助新旧知识、经验之间双向、反复的相互作用，建构完整、多维的认知结构。这一过程促成了学生在后续类似情境中实现更为深刻和持久的迁移。

[10] 3.3　协作化小组合作：破解素养落地难题

[11] “有效失败”视角下的项目式学习始于复杂劣构问题的探索，且主张教师适度“留白”、避免过早干预，这一特征倒逼小组成员建立深度的协作依赖。它要求学生学会分解复杂任务、优化人员分工，并实现组内高效的自我组织与管理。例如，在遭遇瓶颈或个别成员出现非学习行为时，其他成员往往会自发进行提醒与纠偏。这种在试错与互助中生成的团队契约，不仅显著增强了学生的协作能力、统筹管理与责任担当意识，更为核心素养在实践层面的落地提供了坚实支撑。

基金资助

2024年度广东省中小学教师培训中心科研课题“基于TPACK的通用技术教师跨学科学习共同体建设实践研究”(GDSP-2024-Q007)