馬偉遠(yuǎn)，陳 瑜，王 璐

1.南京信息工程大學(xué)教師教育學(xué)院，南京 210044

2.南京信息工程大學(xué)附屬中學(xué)，南京 210044

3.南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210023

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》增加了“跨學(xué)科實(shí)踐”這一一級(jí)主題，該主題包含“物理學(xué)與日常生活”“物理學(xué)與工程實(shí)踐”“物理學(xué)與社會(huì)發(fā)展”三個(gè)二級(jí)主題［1］，該變化的目的是發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科運(yùn)用知識(shí)的能力、分析和解決問題的綜合能力、動(dòng)手操作的實(shí)踐能力［2］。以知識(shí)應(yīng)用為目的的跨學(xué)科實(shí)踐，要求學(xué)生掌握某一物理知識(shí)時(shí)，經(jīng)過調(diào)研、考察、設(shè)計(jì)、加工、實(shí)驗(yàn)與制造等一系列活動(dòng)，從而運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決具體問題。本文以杠桿模型和氣壓差模型對(duì)呼吸模型以及飯盒提升裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)為例，嘗試開展基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的跨學(xué)科實(shí)踐設(shè)計(jì)、實(shí)施以及評(píng)價(jià)的研究。

1 開展跨學(xué)科實(shí)踐研究的意義

1.1 還原人類實(shí)踐活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)

在學(xué)科本位背景下，學(xué)生形成物理概念、建構(gòu)物理模型、掌握物理規(guī)律，但對(duì)于產(chǎn)生物理概念的背景、模型的建立以及規(guī)律的論證等的理解存在不足，從而不能將所學(xué)知識(shí)有效用于解決實(shí)際問題過程之中。如何設(shè)計(jì)與實(shí)施實(shí)踐性作業(yè)，以有效促進(jìn)學(xué)生關(guān)鍵能力的提升，成為物理教師必須關(guān)注的問題［3］。學(xué)生通過探索、應(yīng)用物理模型，立足物理，還原生活，可以促進(jìn)其學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展［1］。

1.2 運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)，培養(yǎng)解決實(shí)際問題能力

跨學(xué)科實(shí)踐是基于問題解決的一種教學(xué)方式，物理跨學(xué)科實(shí)踐側(cè)重于同時(shí)運(yùn)用物理、化學(xué)、生物、地理等學(xué)科知識(shí)去解決同一個(gè)問題。解決問題的能力主要體現(xiàn)在：能找到影響活動(dòng)成效的因素；能運(yùn)用簡單模型解決問題；能運(yùn)用物理方法對(duì)跨學(xué)科問題進(jìn)行推理，得出結(jié)論；能獨(dú)立思考，提出自己的見解等。

1.3 開展跨學(xué)科實(shí)踐，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才

通過分析和挖掘物理與其他學(xué)科的內(nèi)在聯(lián)系，整合相關(guān)內(nèi)容，提煉跨學(xué)科概念，精心選擇和設(shè)計(jì)讓學(xué)生感興趣的研究內(nèi)容，讓學(xué)生在分析問題鏈或完成任務(wù)串中發(fā)展跨學(xué)科核心素養(yǎng)［4］。跨學(xué)科實(shí)踐讓學(xué)生從不同的學(xué)科起點(diǎn)跨界，形成跨領(lǐng)域意識(shí)，這樣更有益于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

2 開展跨學(xué)科實(shí)踐的研究思路

2.1 尋找關(guān)聯(lián)點(diǎn)，確定實(shí)踐目標(biāo)

教師通過鉆研課程標(biāo)準(zhǔn)、梳理課程邏輯以及與不同學(xué)科教師開展教研，發(fā)現(xiàn)本學(xué)科中學(xué)生掌握有難度并且與其他學(xué)科有交集的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科學(xué)習(xí)的方法掌握知識(shí)。在學(xué)科與學(xué)科之間、學(xué)科與生活之間尋找知識(shí)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，生成探究主題，確定實(shí)踐目標(biāo)。

2.2 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，確定實(shí)踐任務(wù)

將上述探究主題遷移到真實(shí)生產(chǎn)、生活、社會(huì)情境中，其實(shí)質(zhì)是在還原人類認(rèn)識(shí)世界的實(shí)踐活動(dòng)。例如，在“電流的磁效應(yīng)”一節(jié)中，可以開展自制電磁鎖實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生對(duì)電磁鎖有一定的真實(shí)體驗(yàn)，結(jié)合物理學(xué)科的特點(diǎn)和學(xué)生的探索興趣，教學(xué)中就可以設(shè)計(jì)如下的實(shí)踐任務(wù)：你了解每天進(jìn)出校園的電磁門鎖是如何工作的嗎？你能利用身邊的日常物品設(shè)計(jì)出一個(gè)簡易電磁鎖嗎？學(xué)生以小組為單位進(jìn)行研究調(diào)查，在調(diào)查過程中實(shí)踐，在實(shí)踐過程中思考。這樣的實(shí)踐任務(wù)基于真實(shí)的情境，容易激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)力。

2.3 聚焦實(shí)踐任務(wù)，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)問題

學(xué)生在面對(duì)跨學(xué)科實(shí)踐任務(wù)時(shí)，通常會(huì)難以入手。這就需要教師在設(shè)計(jì)問題時(shí)從學(xué)生角度出發(fā)將抽象、深?yuàn)W的問題轉(zhuǎn)化為學(xué)生感興趣、能理解的問題，既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，同時(shí)又能提供探究的方向。

2.4 助力方案設(shè)計(jì)，推動(dòng)產(chǎn)品制作

在真實(shí)情境中，學(xué)生在驅(qū)動(dòng)性問題導(dǎo)向下，結(jié)合物理和其他學(xué)科知識(shí)，以小組合作的形式設(shè)計(jì)實(shí)踐方案，并制作相應(yīng)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移和運(yùn)用。

2.5 進(jìn)行綜合評(píng)估，展示實(shí)踐成果

綜合評(píng)估學(xué)生對(duì)實(shí)踐任務(wù)的理解程度，評(píng)估學(xué)生實(shí)踐的完成度，產(chǎn)品的效益性、創(chuàng)造性。通過評(píng)價(jià)，學(xué)生對(duì)跨學(xué)科實(shí)踐會(huì)有更明晰、深入的認(rèn)識(shí)。

3 開展跨學(xué)科實(shí)踐的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與實(shí)施

下面分別以教材中“人的呼吸”、飯盒提升裝置這兩個(gè)主題為例，闡述跨學(xué)科實(shí)踐的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與實(shí)施。

3.1 呼吸運(yùn)動(dòng)中的杠桿模型及氣壓差模型

3．1．1 尋找關(guān)聯(lián)點(diǎn)，確定實(shí)踐目標(biāo)

在學(xué)習(xí)“人體和外界環(huán)境的氣體交換”一節(jié)時(shí)，七年級(jí)的學(xué)生尚未接觸到物理力學(xué)的知識(shí)。通過與生物老師交流，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)中肋間肌、膈肌收縮、舒張引起肋骨的運(yùn)動(dòng)及胸腔的變化并不理解，對(duì)氣體的運(yùn)動(dòng)也僅僅只是依據(jù)吸氣、呼氣來辨別，并沒有掌握氣體運(yùn)動(dòng)的物理原因，其結(jié)果只能是機(jī)械記憶。肺的呼吸與人的生活和健康息息相關(guān)，能夠?qū)W以致用才是育人的真正目的。初三學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了氣體壓強(qiáng)、杠桿原理以及關(guān)于彈力、重力的知識(shí)，在跨學(xué)科實(shí)踐的理念下，讓學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)來設(shè)計(jì)模型，可以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解該知識(shí)點(diǎn)，領(lǐng)悟健康生活的生命觀念及相應(yīng)的社會(huì)責(zé)任感。

3．1．2 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問題

問題1：請(qǐng)同學(xué)們深呼吸，思考?xì)怏w是通過什么路徑進(jìn)入你的身體的？

問題2：請(qǐng)同學(xué)們?cè)俅紊詈粑?，感受胸腔的體積是如何變化的？

問題3：引起胸腔變化的原因是什么？ 胸腔體積增加，空氣能夠進(jìn)來的原因是什么？

問題4：引起肋骨運(yùn)動(dòng)的原因是什么？ 你能用物理的知識(shí)去設(shè)計(jì)模型分析呼吸運(yùn)動(dòng)嗎？

通過設(shè)計(jì)問題串，讓學(xué)生在研究呼吸的過程中充分挖掘物理學(xué)科知識(shí)，用物理學(xué)科知識(shí)解釋引起呼吸運(yùn)動(dòng)的原因。本節(jié)課的融合點(diǎn)就在于讓學(xué)生利用物理杠桿知識(shí)和彈力知識(shí)自制杠桿模型模擬膈肌和肋間肌的收縮、舒張引起肋骨的運(yùn)動(dòng)，從而改變胸廓的容積，再利用物理中壓強(qiáng)的知識(shí)幫助學(xué)生制作呼吸過程中膈和肺的變化示意模型，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性、實(shí)踐性。

3．1．3 制作杠桿模型和呼吸模型，模擬肋骨運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)

學(xué)生在九年級(jí)《物理》中學(xué)習(xí)杠桿知識(shí)時(shí)，知道人的手臂和手腕都是一個(gè)繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿，它們都依靠肌肉伸展與收縮時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力而轉(zhuǎn)動(dòng)，該知識(shí)可以為學(xué)生設(shè)計(jì)肋骨的杠桿運(yùn)動(dòng)模型提供啟示，同時(shí)將物理知識(shí)遷移到生物呼吸系統(tǒng)的學(xué)習(xí)中，讓學(xué)生意識(shí)到兩個(gè)學(xué)科的內(nèi)在聯(lián)系。

學(xué)生在八年級(jí)《物理》中學(xué)習(xí)彈力時(shí)，教材中定義彈力為物體發(fā)生彈性形變后，力圖恢復(fù)其原來的形狀而產(chǎn)生的力。肌肉收縮與伸展發(fā)生的都是彈性形變，肌肉連接著骨骼，從而對(duì)骨骼產(chǎn)生一個(gè)彈力，成為骨骼運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。

接下來，借助于堵住易拉罐和推拉針筒實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生研究氣體壓強(qiáng)和體積的關(guān)系。當(dāng)學(xué)生理解氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系后，此時(shí)可以補(bǔ)充一個(gè)關(guān)于肺和胸腔的拓展知識(shí)，即肺是胸腔的鄰居，當(dāng)胸廓容積增大時(shí)，胸廓與肺之間的體積增大，氣壓減小，在壓力差的作用下，肺擴(kuò)張，體積也隨之變大，體積變大導(dǎo)致肺內(nèi)氣壓變小，當(dāng)肺內(nèi)氣壓低于外界氣壓時(shí)，從而更多的氣體在大氣壓力的作用之下進(jìn)入肺內(nèi)，這就是吸氣的過程。反之就是呼氣的過程。

學(xué)生以小組合作的形式，利用身邊的物品，設(shè)計(jì)出各種杠桿模型來演示肋間肌、膈肌的收縮引起的肋骨的變化，以及肺呼吸模型。作業(yè)的形式與以往筆頭作業(yè)并不相同，學(xué)生表現(xiàn)出了極大的熱情與參與度。學(xué)生的想象力是無窮的，有的用筷子、木條、吃完的羊骨頭、塑料杯、燈籠骨架等來模擬肋骨；有的用橡皮筋、彈簧、干的水晶泥來模擬肌肉中肌腱的收縮與舒張；有的用塑料杯、礦泉水瓶來模擬胸腔，用橡膠手套上的皮或者大氣球的皮模擬膈肌，用塑料吸管或者醫(yī)用塑料三通管模擬呼吸道，用兩個(gè)小氣球來模擬肺。為了保證良好的密封性，許多學(xué)生在父母的幫助下使用了熱熔膠槍。圖1 和圖2 分別是學(xué)生設(shè)計(jì)的杠桿模型和呼吸模型。

圖1 木條與羊骨模擬肋骨

圖2 兩個(gè)小氣球模擬肺

3.2 飯盒提升方案中的模型

3．2．1 尋找關(guān)聯(lián)點(diǎn)，確定實(shí)踐目標(biāo)

蘇科版《簡單機(jī)械和功》一章的綜合實(shí)踐中，讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械模型，在新課標(biāo)理念的啟發(fā)下，筆者嘗試將工程實(shí)踐融入到物理課程中，旨在讓學(xué)生在物理環(huán)境中體驗(yàn)完整的物理思維過程，更好地建立公式與物理過程之間的聯(lián)系［5］。培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)去解決問題的能力以及敢于實(shí)踐、敢于創(chuàng)新的精神，同時(shí)具備一定的工程素養(yǎng)。

3．2．2 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性任務(wù)

在學(xué)習(xí)初中物理相關(guān)知識(shí)后，讓學(xué)生思考如何設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的機(jī)械模型，它由兩個(gè)或兩個(gè)以上的簡單機(jī)械組合而成，應(yīng)有一定的實(shí)用功能，如提高重物、牽引物體前進(jìn)、完成某些需要的動(dòng)作等，從而達(dá)到省力提升重物的效果［6］。此時(shí)，如果創(chuàng)設(shè)一個(gè)有實(shí)際工程意義的問題情境，學(xué)生會(huì)更加積極主動(dòng)地參與到模型的設(shè)計(jì)與制作中去。筆者所在學(xué)校因?yàn)闆]有安裝電梯，需要工作人員將飯盒提升到不同的樓層，供學(xué)生在教室就餐。因此，學(xué)校以招標(biāo)方起草了一份邀請(qǐng)招標(biāo)文件，希望初三（7）班的學(xué)習(xí)小組充分運(yùn)用物理學(xué)中簡單機(jī)械和功的知識(shí)設(shè)計(jì)出飯盒提升的方案并制作出相應(yīng)的模型。邀請(qǐng)招標(biāo)文件中包含了投標(biāo)邀請(qǐng)公告、投標(biāo)人須知事宜、合同格式及條款、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、投標(biāo)文件等。其中，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)從價(jià)格和技術(shù)思路兩個(gè)維度制訂，技術(shù)思路包含了模型的省力情況、機(jī)械效率、穩(wěn)定性、安全性、新穎性、美觀性、環(huán)保性及團(tuán)隊(duì)展示合作時(shí)的整體表現(xiàn)等，這對(duì)學(xué)生產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制作給出了參考和方向。

3．2．3 標(biāo)書設(shè)計(jì)和制作提升裝置

學(xué)生在本章已經(jīng)學(xué)習(xí)了杠桿、滑輪、斜面等簡單機(jī)械和功的知識(shí)，同時(shí)又了解了吊車、絞車、塔式起重機(jī)等建筑機(jī)械。因此，老師鼓勵(lì)三個(gè)學(xué)習(xí)小組象征性地購買標(biāo)書，并在兩周內(nèi)設(shè)計(jì)并制作出飯盒提升裝置，同時(shí)遞交投標(biāo)文件。

學(xué)習(xí)小組領(lǐng)取到招標(biāo)文件后，結(jié)合自身的能力優(yōu)勢(shì)和興趣特點(diǎn)先分工，制訂工程實(shí)踐的方案，方案中包含小組人員的分工、時(shí)間地點(diǎn)的安排、成果的呈現(xiàn)形式等。

如圖3 是學(xué)生最終設(shè)計(jì)并制作出的三個(gè)提升模型。

圖3 學(xué)生設(shè)計(jì)的提升模型

4 跨學(xué)科實(shí)踐的評(píng)價(jià)

本文從過程性評(píng)價(jià)和應(yīng)用性評(píng)價(jià)兩方面對(duì)學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 過程性評(píng)價(jià)

為幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)改進(jìn)實(shí)踐操作，需要對(duì)學(xué)生的實(shí)踐過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，這個(gè)評(píng)價(jià)包括方案的設(shè)計(jì)、材料的選擇、人員的分工、時(shí)間的分配等。評(píng)價(jià)的依據(jù)是課程標(biāo)準(zhǔn)中的核心素養(yǎng)要求。

如在設(shè)計(jì)飯盒提升裝置時(shí)，學(xué)生設(shè)計(jì)了不同的方案，畫了不同的設(shè)計(jì)圖。結(jié)合實(shí)際工程環(huán)境及簡單機(jī)械工作特點(diǎn)，在教師和家長的共同建議下，學(xué)生最終形成了更具可操作性的方案。

4.2 應(yīng)用性評(píng)價(jià)

應(yīng)用性評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)踐項(xiàng)目是否能滿足實(shí)際需求，是否具有一定的創(chuàng)造性。

如在飯盒提升方案中，以招標(biāo)會(huì)的形式進(jìn)行評(píng)審評(píng)價(jià)工作，評(píng)審方包含食堂負(fù)責(zé)人、學(xué)生家長、物理教師。一方面，讓學(xué)生初步了解工程實(shí)施階段中招標(biāo)、投標(biāo)的程序及方法，鍛煉學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力；另一方面，提升學(xué)生將所學(xué)物理知識(shí)運(yùn)用到解決實(shí)際問題中的能力。

5 結(jié) 語

跨學(xué)科實(shí)踐的核心是素質(zhì)培養(yǎng)，目的是提升學(xué)生的綜合能力。通過跨學(xué)科實(shí)踐，將不同學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)融合并應(yīng)用于生產(chǎn)生活實(shí)踐中去，能夠有效地解決問題，發(fā)展學(xué)生綜合素養(yǎng)。