王佳寧，吳蘇徽，孫錦如，王 強(qiáng)

揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州 225009

受“學(xué)科本位”“知識本位”等傳統(tǒng)教學(xué)思想的影響，學(xué)生會慢慢失去主動思考和實踐的能力，從而不能真正做到“學(xué)以致用”，難以發(fā)展其物理綜合素養(yǎng)?；诖?，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》將“跨學(xué)科實踐”作為課程內(nèi)容納入了一級主題，并提出“注重培養(yǎng)學(xué)生在真實情境中綜合運用知識解決問題的能力”［1］，這實際上設(shè)定了跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的目標(biāo)。

跨學(xué)科學(xué)習(xí)具有以下特點和要求［2］：（1）在多學(xué)科交叉中形成綜合知識，兼顧學(xué)習(xí)的寬度和深度；（2）關(guān)注學(xué)科關(guān)聯(lián)，同時堅持學(xué)科立場；（3）面向真實問題的解決，學(xué)習(xí)過程與社會生活相關(guān)聯(lián)；（4）合作學(xué)習(xí)和探究活動；（5）注重跟蹤評價，凸顯成長歷程。要培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科綜合能力，教學(xué)中需要堅持情境的真實性和活動的開放性，學(xué)生則需要經(jīng)歷知識、能力和認(rèn)知的逐步進(jìn)階過程。

本文以蘇科版初中物理氣體壓強(qiáng)章節(jié)中的“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”為例，基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論進(jìn)行跨學(xué)科實踐活動的進(jìn)階化設(shè)計。

1 學(xué)習(xí)進(jìn)階理論

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一個不斷發(fā)展的過程，學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展是會“進(jìn)階”的。通過一個個連接學(xué)習(xí)終點和起點的“階梯”，實現(xiàn)思維和能力上質(zhì)的飛躍［3］。那么，如何在跨學(xué)科實踐中設(shè)置這些“階梯”？這需要基于知識本身的邏輯結(jié)構(gòu)，關(guān)注學(xué)生能力和認(rèn)知發(fā)展過程的協(xié)同關(guān)系，精心設(shè)計一系列有利于學(xué)生綜合能力循序進(jìn)階的“腳踏點”［4］。認(rèn)知發(fā)展主要是指學(xué)習(xí)、思維和情緒等深層次、內(nèi)隱性能力的發(fā)展［5］。

2 進(jìn)階分析

2.1 基于學(xué)情，分析進(jìn)階起點

2.1.1 知識起點

（1）學(xué)生已經(jīng)掌握了壓強(qiáng)的定義，了解了液體內(nèi)部壓強(qiáng)的特點，知道大氣壓強(qiáng)；

（2）之前液體和氣體壓強(qiáng)的定義是在“靜止”前提下提出的，學(xué)生缺乏對流體壓強(qiáng)的感性和理性認(rèn)識。

2.1.2 能力起點

（1）經(jīng)過前期對力和壓強(qiáng)的學(xué)習(xí)，學(xué)生有一定的理論基礎(chǔ)和實驗?zāi)芰?，思維能力得到一定的發(fā)展。

（2）缺乏對流體現(xiàn)象的細(xì)致觀察力、模型建構(gòu)能力和抽象思維能力。

（3）缺乏綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力和工程實踐能力。

（4）缺乏聯(lián)系物理與生活、社會和工程的能力。

2.1.3 認(rèn)知起點

（1）學(xué)生對物理實驗充滿興趣和好奇心，愿意參與活動。

（2）缺乏深入思考問題的恒心和主動探究的意識。

2.2 預(yù)設(shè)進(jìn)階目標(biāo)，搭建進(jìn)階層級

從物理學(xué)與日常生活、物理學(xué)與工程實踐、物理學(xué)與社會發(fā)展三個維度出發(fā)，按照知識、能力和認(rèn)知進(jìn)階的層級目標(biāo)要求，充分應(yīng)用“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”的教學(xué)素材，搭建進(jìn)階層級，設(shè)計跨學(xué)科實踐活動，來逐步提升學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)的綜合能力。進(jìn)階層級設(shè)計如圖1 所示。

圖1 進(jìn)階層級設(shè)計框圖

3 跨學(xué)科實踐活動過程

在活動設(shè)計中，教師需要注重學(xué)生知識、能力和認(rèn)知進(jìn)階的發(fā)展性，注重教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計的系統(tǒng)性。下面，以知識進(jìn)階為主線，描述能力和認(rèn)知進(jìn)階的具體過程。在進(jìn)階過程中，兼顧生活、社會與工程三個維度，最終指向?qū)W生跨學(xué)科學(xué)習(xí)綜合能力的提升。

3.1 進(jìn)階層級1——流體概念的建構(gòu)

這一層級是基礎(chǔ)的和必要的。具有流動性的液體或者氣體稱為流體；流體具有流速，這是顯而易見的。例如，生活經(jīng)驗中的“順流而下”。如何讓學(xué)生定性且正確地感知流體壓強(qiáng)呢？學(xué)生平時的生活經(jīng)驗是：大風(fēng)更容易把房門吹開，是“空氣流速越大，壓力和壓強(qiáng)越大”的直接證據(jù)。這其實是對流體壓強(qiáng)的嚴(yán)重誤解。當(dāng)物體“表面”的流體高速流動時，流體會對物體的表面施加壓強(qiáng)，這才是“流體壓強(qiáng)”，它并非源于流體對障礙物的正面沖擊。

（1）創(chuàng)設(shè)問題情境：汽車在馬路上飛速行駛時，可以看到地面上的落葉飛起來并向汽車靠攏，這是為什么呢？

（2）引導(dǎo)學(xué)生猜想：汽車帶動氣體快速流動，可能導(dǎo)致靠近汽車側(cè)上方的流體壓強(qiáng)和壓力變小，其他地方的壓力使得落葉飛起并向汽車靠攏。讓學(xué)生感受到流體的壓強(qiáng)與流速之間應(yīng)該存在密切的關(guān)系。

3.2 進(jìn)階層級2——流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系

3．2．1 在活動中感受、描述并解釋現(xiàn)象，參與活動并發(fā)展形象思維

（1）創(chuàng)設(shè)問題情境：展示高鐵站黃白色安全線的圖片（圖2），提問設(shè)置安全線的原因。

圖2 高鐵站的安全線

（2）引導(dǎo)學(xué)生猜想：高鐵運動，改變了周圍氣體的流速，可能改變其壓強(qiáng)。

（3）模擬活動：組織學(xué)生進(jìn)行實驗——“吹紙片”（圖3，源自人教版《初中物理》），來模擬高鐵的運動情境。從兩張紙片中間向下吹氣，觀察兩張原本平行放置的紙片的運動情況，發(fā)現(xiàn)兩紙片相互靠近。

圖3 吹紙片實驗示意圖

（4）類比分析：離運動高鐵較近的地方空氣壓力小，而離運動高鐵較遠(yuǎn)的地方壓力大，壓力差可能把人“推向”高鐵，這就是高鐵站設(shè)置安全線的原因。

設(shè)計意圖：選取生活中與“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”相關(guān)的情境，引導(dǎo)學(xué)生猜想；再通過模擬實驗驗證猜想，引導(dǎo)學(xué)生描述并解釋實驗現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維及表達(dá)能力。此設(shè)計可以增強(qiáng)學(xué)生的安全意識，讓其關(guān)注社會生活并在生活中感受物理知識。參看圖1，這一環(huán)節(jié)主要對應(yīng)能力層級1 和認(rèn)知層級1，模擬過程兼顧能力層級2。

3．2．2 在活動中模擬還原真實場景，提升探究意識

（1）創(chuàng)設(shè)問題情境：1912 年“奧林匹克號”輪船與“豪克號”巡洋艦并排疾速行駛，產(chǎn)生了“船吸”現(xiàn)象，并釀成一起重大海難事故。產(chǎn)生“船吸”現(xiàn)象的原因是什么呢？

（2）引導(dǎo)學(xué)生猜想：類比高鐵進(jìn)站情境，猜想“船吸”現(xiàn)象可能源于“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”。

（3）模擬場景探究：組織學(xué)生利用簡單器具（盆、瓶蓋、吸管和水）模擬實驗驗證猜想（圖4）。

圖4 “船吸”現(xiàn)象實驗?zāi)M

（4）理論分析：引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解釋實驗現(xiàn)象，得出海難發(fā)生的原因，即兩船之間流體速度大（為什么），壓強(qiáng)就小，使得兩船不自主地靠近。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生經(jīng)歷“猜想—驗證—結(jié)論”的過程，加深對“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”的理解。讓學(xué)生明白兩船并排行駛、后船追越前船等行為須遵循航行規(guī)章制度，才能保證航行安全。參看圖1，這一環(huán)節(jié)對應(yīng)能力層級2 和認(rèn)知層級1。

3．2．3 還原古詩詞中的物理場景，提升抽象思維能力

（1）創(chuàng)設(shè)問題情境：回憶杜甫《茅屋為秋風(fēng)所破歌》中的詩句“八月秋高風(fēng)怒號，卷我屋上三重茅”，風(fēng)能卷屋上三重茅的原因是什么？

（2）引導(dǎo)學(xué)生猜想：結(jié)合所學(xué)的流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，思考并討論。

（3）模擬場景制作：指導(dǎo)學(xué)生還原“卷我屋上三重茅”場景。用紙箱制作房屋，鋪上拉菲草模擬屋頂茅草，用吹風(fēng)機(jī)模擬秋風(fēng)（圖5）。

（4）探究與分析：引導(dǎo)學(xué)生逐漸改變風(fēng)力和風(fēng)向，觀察屋頂上“茅草”被風(fēng)卷起的情況，研究什么樣的風(fēng)能輕易“卷我屋上三重茅”，最終得出定性結(jié)論。

設(shè)計意圖：一方面，讓學(xué)生自主動手模擬還原詩詞中的場景，培養(yǎng)學(xué)生基本的動手實踐能力。另一方面，讓學(xué)生感受古詩詞中蘊含的物理原理，培養(yǎng)其對中國古文化的科學(xué)理解。參看圖1，這一環(huán)節(jié)對應(yīng)能力層級2 和認(rèn)知層級2，兼顧能力層級3。

3．2．4 進(jìn)行作品設(shè)計和制作，提升工程意識和抽象思維能力

（1）創(chuàng)設(shè)問題情境：飛機(jī)很重，但它卻能飛上天，飛機(jī)升力源于什么？

（2）引導(dǎo)學(xué)生猜想：給出機(jī)翼的橫截面（圖6，源自人教版《初中物理》），引導(dǎo)學(xué)生觀察其形狀，用“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”來分析飛機(jī)升力產(chǎn)生的原因。

圖6 機(jī)翼的橫截面

（3）模擬工程制作：指導(dǎo)學(xué)生繪制設(shè)計圖，完成機(jī)翼的模擬制作，并把機(jī)翼放上架子，用吹風(fēng)機(jī)吹風(fēng)，觀察機(jī)翼的運動情況（圖7）。

圖7 機(jī)翼模型

（4）合作探究：引導(dǎo)學(xué)生使用控制變量法探究制作機(jī)翼材料、機(jī)翼形狀、機(jī)翼仰角等因素對機(jī)翼上升效果的影響［6］。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生自主動手進(jìn)行有一定難度的工程設(shè)計與制作，發(fā)展其動手實踐能力。引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)探究，體會控制變量法的運用，進(jìn)一步發(fā)展其分析和解決實際問題的能力。參看圖1，這一環(huán)節(jié)對應(yīng)能力層級3 和認(rèn)知層級2。

3．2．5 進(jìn)行較復(fù)雜的工程設(shè)計和制作，敢于迎接挑戰(zhàn)

具體流程如下：（1）指導(dǎo)學(xué)生查閱滑翔機(jī)制作的相關(guān)資料；（2）指導(dǎo)學(xué)生確定滑翔機(jī)的制作方案和設(shè)計稿；（3）指導(dǎo)學(xué)生完成簡易滑翔機(jī)的制作與試飛；（4）指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)試飛效果改進(jìn)設(shè)計；（5）安排學(xué)生匯報展示；（6）組織學(xué)生相互提問。

設(shè)計意圖：通過查閱資料，培養(yǎng)學(xué)生獲取有效資源的能力；通過自制活動，進(jìn)一步培養(yǎng)其工程設(shè)計能力和動手實踐能力；通過展示評價，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力；通過學(xué)生間相互提問，提升學(xué)生的交流論證能力［7］。參看圖1，這一環(huán)節(jié)對應(yīng)能力層級3 和認(rèn)知層級2，兼顧能力層級4。

3．2．6 閱讀課外資料，深入體會物理學(xué)與科技發(fā)展的聯(lián)系

選取與“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”相關(guān)的飛行器閱讀材料，從萊特兄弟的飛行者1 號開始，了解飛行器的發(fā)展歷程，并了解國產(chǎn)大飛機(jī)C919，讓學(xué)生體會科技進(jìn)步對社會發(fā)展的影響。

設(shè)計意圖：體會物理與社會發(fā)展的密切聯(lián)系，讓學(xué)生樹立學(xué)習(xí)強(qiáng)國、科技報國的信心與決心。參看圖1，這一環(huán)節(jié)對應(yīng)能力層級4 和認(rèn)知層級3。

3．2．7 在評價中發(fā)展跨學(xué)科綜合能力，拓展認(rèn)知視野并提升責(zé)任感

跨學(xué)科實踐能力的發(fā)展是一個循序漸進(jìn)的過程，所以應(yīng)該注重跟蹤評價，凸顯學(xué)生成長歷程。參考跨學(xué)科實踐評價建議［8］，收集學(xué)生實踐過程中的行為表現(xiàn)和活動成果，合理評價跨學(xué)科實踐活動效果。評價內(nèi)容包括：課堂表現(xiàn)、問題解答、作品設(shè)計、模型制作與展示、閱讀調(diào)研報告、總結(jié)匯報交流等。

在評價環(huán)節(jié)，需要在注重學(xué)生知識、能力和認(rèn)知層級發(fā)展的同時，兼顧生活、社會與工程三個維度上跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力的提升。參看圖1，這個環(huán)節(jié)對應(yīng)能力層級4 和認(rèn)知層級3，具體評價指標(biāo)如表1 所示。

表1 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的跨學(xué)科實踐能力評價

4 結(jié) 語

跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)相比，綜合性和開放性更強(qiáng)。基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論進(jìn)行教學(xué)活動設(shè)計，注意創(chuàng)設(shè)真實情境，通過環(huán)環(huán)相扣、循序漸進(jìn)的實踐活動，學(xué)生的理解能力和認(rèn)知水平逐級進(jìn)階，跨學(xué)科綜合能力得到有效提升。