设计桥梁：促进高阶思维发展的跨学科项目式学习案例

选题背景

《义务教育课程方案（2022年版）》要求统筹设计综合课程和跨学科主题学习，优化综合实践活动实施方式与路径，推进工程与技术实践，注重培养学生在真实情境中综合运用知识解决问题的能力。

“桥梁”是小学生常见且具工程属性的结构元素，有天然跨学科教学优势。我国造桥技艺历史悠久，处于世界领先水平，是桥梁大国。本案例以“设计桥梁”为真实任务，面向四年级学生开展教学。案例整合科学（重力、拉力等）、数学（测量、计算等）、语文（口语表达等）、美术（审美等）、工程（设计、操作等）、信息技术（查阅资料等）学科知识与经验，通过项目式学习，引导学生思考结构稳定性、材料强度与工程美感的关系。让学生像工程师一样思考，与同伴共同设计并搭建至少40厘米长的桥梁模型，同时要满足承重、安全、美观等标准，解决“如何让桥梁既坚固又节省材料”的问题。教学践行新课程理念，培养学生工程设计思维和跨学科解决问题的能力。

教学目标

（一）知识目标。一是学生能够识别三种常见的桥梁类型（梁式桥、拱桥、悬索桥），并简要描述它们的结构特点和适用场景。二是学生能够结合所学的数学和科学知识绘制简单的桥梁设计草图，并知晓基本的桥梁设计方法。三是学生能够理解桥梁受力的基本原理，通过实际测试观察桥梁结构的变化情况，并依据这些知识对桥梁模型进行优化改进。

（二）能力目标。一是学生能够在项目开展过程中主动提出如“怎样让桥梁更稳固”等问题，并与小组成员一起讨论解决方法，学会合作并分享自己的见解。二是学生能够在搭建桥梁模型的过程中发现问题，并根据实际测试结果对设计方案进行合理调整，提升问题解决能力。三是学生能够在小组合作中积极参与决策，选择并优化设计方案，通过实验找到最好的解决方法，提高决策能力和动手实践能力。

（三）情感态度目标。一是学生对桥梁设计和建造充满兴趣，乐于尝试不同的设计方案，并将自己的创意融入其中。二是学生在小组合作中能认真倾听他人意见，积极承担分配的任务，培养团队合作精神和责任感。三是学生在建造桥梁时能注意节约材料，理解环保和节约资源的意义，增强社会责任感和可持续发展意识。

教学设计创新

（一）教学理念。本案例总计安排9课时，教学设计突破分科局限，基于真实情境驱动下的真实问题解决，整合科学原理、技术应用与工程实践为完整学习链，发展学生核心素养。

（二）方法与策略。采用实验与工程制作递进设计。先以纸管形状承重等实验具象科学原理，再开展方案设计、模型制作与测试的全流程实践。这种先探究后创造的路径，让学生在实证中领悟、在实践中应用知识，依据数据反馈调整方案，实现从“做中学”到“思中改”的思维进阶，有效培养学生高阶思维能力。

（三）教学评价。学生以多元形式展示项目成果，主动参与自评、互评及高阶思维评价。从批判性思维、问题解决等四维度量化工程思维成长，达成“知识应用—能力建构—素养提升”的教学目标。

教学实施

（一）项目导入

活动1：情境引入。教师展示桥梁图片，引导学生观察并提问“哪种桥最坚固、最省材料”？随后播放桥梁倒塌短片，引发学生思考桥梁倒塌因素，顺势引出项目任务：设计一座长40厘米以上既坚固又节省材料的桥梁模型。学生讨论不同桥型特点，从结构、材料、跨度等方面推测影响桥梁稳固性的因素，初步理解桥梁设计背后的科学与工程问题，明确任务。

活动2：实地考察。教师带领学生走出教室观察周边桥梁，讲解桥墩、桥面等结构元素，并利用VR技术营造沉浸式体验，助其直观理解桥梁内部结构与受力原理。学生实地拍照记录桥型，提问并分析结构，在VR环境中自主探索不同桥梁构造，深化对设计挑战与工程逻辑的理解。

（二）实验探究

活动1：纸管形状对承重的影响。教师出示圆柱桥墩图片，提问引导学生猜想“为何桥墩多为圆柱形”，随后讲解实验步骤，提示关注变量、记录数据并观察纸管倒塌原因。学生动手用纸质材料制作三棱柱、四棱柱和圆柱纸管，测试承重力，将结果记录在“纸管实验记录表”中，并讨论纸管结构与承重的关系，思考“圆柱最稳”的原因。

活动2：平桥与拱桥承重对比。教师提供同材质卡片，让学生用其搭建平桥与拱桥（如图1与图2），并提出“相同材料下哪种结构能承载更多硬币”的问题，指导学生开展实验。学生测试两种桥型承重能力，并在“平桥与拱桥承重对比实验记录表”中记录数据，分析拱桥更稳定的原因，增强对结构力学的直观认知。

（三）工程解决

活动1：设计桥梁方案。教师引导学生观察材料，说明项目限制（桥长超40厘米、材料有限等），鼓励学生绘制多种方案并标注结构与材料清单。学生讨论问题、试触材料、构思桥型，每人绘制两种草图并标注。小组内分享设计方案，由组长带领选定最佳设计。

活动2：制作桥梁模型。教师协助学生分配材料，强调安全与协作，过程中巡视指导并鼓励学生尝试结构创新。学生按图纸分工制作模型，遇到问题沟通讨论、优化设计，更换材料组合增强模型稳定性。

活动3：测试与修改。教师指导学生逐一测试模型承重，鼓励学生记录数据、提出改进建议，调整结构后再次测试。学生将弹珠放置桥面中央观察桥梁稳定性，记录承重极限，测试后小组讨论，依据数据改良设计并改进模型。

（四）成果展示

教师组织成果展示，提供桥梁模型评价量表，评价内容包括方案设计（20分）、过程分工（10分）、功能特点（50分）、外观形象（10分）、演讲答辩（10分）5个部分。学生汇报时，鼓励用PPT、视频、实物模型等展示。学生各组展示模型，讲解设计思路、挑战及优化过程，小组自评互评提出肯定与建议，共同见证工程思维成果。

（五）反思总结

活动1：回顾反思。教师引导学生回顾项目流程，思考“若重新设计桥梁如何改进”“桥梁设计带来哪些新认识”等问题。学生撰写反思报告，从工程设计、实验探究、合作体验等方面总结所得。

活动2：高阶思维自评与互评。教师指导学生根据“高阶思维评价量表”打分交流。高阶思维评价包括“批判性思维”“问题解决”“决策力”“创造力”四个方面。其中，“批判性思维”具体包括能指出桥梁结构存在的问题、能对不同桥型进行比较并说出各自优缺点等。“问题解决”包括能发现桥梁设计或建造中的问题、能够根据测试结果优化结构并记录修改过程等。“决策力”包括能在多个方案中作出选择并说明理由、能在小组内参与讨论决策等。“创造力”包括能在桥梁模型中加入美观或实用的创意设计、能结合现实桥梁或生活经验生成新想法等。学生按表现进行自评，并与组员互评。

（作者郑良栋单位系福州外语外贸学院；作者曹永、郭鑫单位系山东省淄博高新技术产业开发区第一小学）

《人民教育》2025年第15—16期