摘 要：物理觀念不限于概念、規(guī)律，更是一種知識體系的建構。如何將物理概念上升為物理觀念是當下課程標準下教學研究的熱點?！案軛U”在教科書上是一個概念，課題組在SOLO分類評價理論的指導下，通過跨學科實踐教學的方式，讓學生經歷“有形杠桿”“變形杠桿”“無形杠桿”三部曲；并利用“廣涉及”問題檢驗、深化學生的認知水平，試圖讓學生建立起“杠桿”觀念。

關鍵詞：物理觀念；跨學科實踐；SOLO分類評價理論；“廣涉及”問題

阿基米德曾說：“只要給我一個支點和一根足夠長的硬棒，我就可以撬起地球。”雖然實際上無法實現，卻表達了他對杠桿的認識與信念，［1］即他的物理觀念。《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）將物理學科的課程標準由三維目標升級為核心素養(yǎng)，具體包括：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任四個方面。物理觀念是學科核心素養(yǎng)的一個組成方面，其形成和發(fā)展的過程同時承載著培養(yǎng)科學思維和科學探究等關鍵能力，以及培養(yǎng)科學態(tài)度與責任的重要功能?？梢哉f，物理觀念的形成和發(fā)展的過程，體現了物理學科核心素養(yǎng)的全部要求。［2］

為了培育學生的綜合能力和素養(yǎng)，課程標準要求我們跨越物理邊界，走向生活、工程與社會，進行跨學科實踐?？鐚W科實踐需要匯聚兩門及兩門以上的學科概念，以多元融合的方式解決真實問題，創(chuàng)造出新產品（作品），更接近實際生活中復雜問題的解決過程，有助于物理觀念的形成和發(fā)展。本文以江蘇鳳凰科學技術出版社出版的《義務教育教科書物理九年級上冊》（以下簡稱《蘇科版物理九上》）中“杠桿”的跨學科實踐教學為例，探討由知識形成觀念的方法和路徑。

1 引入藝術作品，激發(fā)學習動機

上課伊始，以一件動態(tài)雕塑擺件引入新課（為了吸引路人的注意，街頭櫥窗里經常擺放這種擺件），再通過短視頻介紹動態(tài)雕塑的發(fā)明者———美國著名藝術家亞歷山大·考爾德的代表作《龍蝦陷阱與魚尾》（如圖1所示），以及以電影《神偷奶爸3》中的“小黃人”為靈感的二創(chuàng)作品———當動態(tài)雕塑旋轉到某一角度時就能組合成“小黃人”圖樣，以加深學生對動態(tài)雕塑的感知和認識。有的學生在談感受時說：“動態(tài)雕塑的確能夠讓人感受到空間在轉換，時間在流逝，我也想要做一件。”

馬扎諾學習行為模型指出，當一個新任務來臨時，首先被激活的不是學生的認知系統(tǒng)，而是自我系統(tǒng)，引導學生產生對這個任務的感受、價值判斷、情感態(tài)度，激發(fā)出學習動機，學生才愿意投入其中。［3］

2 制作“動態(tài)雕塑”，體驗“力臂”的存在

《蘇科版物理九上》“杠桿”一節(jié)中，首先通過活動與實例歸納出杠桿的定義，接著就給出了與杠桿有關的幾個概念，即杠桿五要素。由于“力臂”的概念是直接給出的，學生無法真正理解，由此課題組設計了如下的跨學科評價任務：利用竹簽、打印紙、回形針等材料和工具制作一件“會活動的雕塑”。完成后讓學生解釋：怎樣使它達到平衡的？做了哪些調整？

學生表達出動手制作的欲望后，接著展示由美術教師制作的動態(tài)雕塑作品，吸引學生眼球，學生也跟著開始制作“會活動的雕塑”，完成后組內對作品打分，展示調節(jié)平衡的方法。

教師讓學生在長竹簽的兩端分別掛上質量較大的A模型和質量較小的B模型，引導學生探究在不增加配重的情況下，如何使作品保持平衡。

學生通過實驗發(fā)現模型到懸掛點的距離和

懸掛點的位置對調節(jié)平衡有重要作用。

教師引導學生總結出：模型到支點的距離為力臂，

調節(jié)力臂的大小能夠起到調節(jié)平衡的作用。

調節(jié)懸掛點的位置

能同時改變動力臂和阻力臂的大小，

也能使作品平衡。

在藝術作品《龍蝦陷阱與魚尾》、“小黃人”等代入的美術手工制作氛圍中，學生“跳出物理學物理”，增強了學習的趣味性、生動性、體驗性，容易打開學生的認知系統(tǒng)，能有效突破“力臂”難點，建立杠桿模型。

學生在直杠桿模型建立的基礎上，再通過辨析諸如船槳、起重機、人或動物體內的變形杠桿等，畫出它們的杠桿示意圖和力臂，完善對杠桿模型的建構。

3 評價導航，探究杠桿原理

學生憑經驗和直覺能夠把自己的作品調節(jié)平衡，分辨出各種變形杠桿，卻無法解釋它們?yōu)槭裁磿３制胶?。根據SOLO分類評價理論，可知學生在杠桿模型中，基本上還是孤立地看待“杠桿五要素”，缺乏有機整合，所以無法解釋杠桿的平衡。

SOLO分類評價理論是香港大學教育心理學教授比格斯首創(chuàng)的一種學生學業(yè)評價方法，是一種以等級描述為特征的質性評價方法。在SOLO分類評價理論中，比格斯把學生對某個問題的學習結果由低到高劃分為五個層次：前結構、單點結構、多點結構、關聯結構和拓展抽象結構（如圖2所示）。［4］

評價方式影響、決定著教學方式和學習方式。課題組在 SOLO分類評價理論的指導下，設計了“探究杠桿平衡條件的等級評價標準”（如表1所示），引導學生進行實驗探究。

評價標準中各層級水平的描述（而非評判），能夠讓學生明確其探究活動所處的水平，以及需要改進的方法和路徑。這種為了推進學習而進行的評價稱為學習性評價，該評價由形成性評價發(fā)展而來，是形成性評價的一種新形式，其內容越具體越能夠促進學生的學習。如表中實驗操作水平1所示，使用鉤碼只產生整倍數的動力和阻力，而水平2中用彈簧測力計替代鉤碼產生動力，動力大小不再按整倍數變化，數據讀取更靈活、更接近實際。實驗操作水平3中，使用彈簧測力計傾斜上拉杠桿產生動力，對比豎直上拉時動力臂讀取的便利性，此時的動力臂不太好讀取，可用大三角板配合讀取動力臂，再次加深了學生對力臂的認識。［5］最后，通過分析歸納實驗數據，得出杠桿平衡條件，學生的思維水平由單點—多點結構進階到關聯結構。

實驗探究活動既應有外顯的動手操作，更應有內部的思維活動。但在課堂教學中，往往出現學生動手多卻動腦少的現象。學習性評價能夠幫助學生明確學習、體驗達到學習目標的過程，因而能夠促使學生深入開展實驗探究活動并積極思考， 從而避免“為了活動而活動”的教學。

4 跨學科遷移，杠桿“有形”變“無形”

核心素養(yǎng)包括在真實情境中解決復雜問題的能力與品質。由于問題情境是不確定的，用于解決新問題的知識就必須是靈活的、可用的。知識的本質不再是確定無疑的客觀真理，而是指導理智行為的強有力的觀念。

物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動和相互作用、能量等內容的總體認識，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。

在給定的素材范圍內，

杠桿原理（F1l1＝F2l2）的建立把杠桿模型推向了關聯結構水平；而拓展抽象結構水平的學習結果則可以超越給定的素材，在更大的系統(tǒng)內思考問題，或者跟其他的系統(tǒng)建立聯系，學習結果更加開放。因此有必要把杠桿模型從關聯結構進一步提升到拓展抽象結構，這也是“以觀念為中心”（idea centered）［6］的課堂教學的必然訴求和挑戰(zhàn)所在。

課題研討課上，在“拓展遷移”教學環(huán)節(jié)，課題組從不同視角、不同層次為學生安排了以下幾個拓展性問題。

第一，通過讓學生解釋藝術家亞歷山大·考爾德的動態(tài)雕塑作品中的物理學原理，讓其領會“物理知識居然創(chuàng)造出一種全新的藝術形式”（近遷移）。

第二，解釋金融行業(yè)里的“加杠桿”和“去杠桿”，讓其領會“金融杠桿”在生產生活中的普遍運用（遠遷移）。

第三，啟發(fā)學生討論、領悟諸如勤奮、機遇、才能等都可能成為撬動人生的“杠桿”（遠遷移）。通過上述問題激發(fā)學生的思維從“有形杠桿”上升為“無形杠桿”，以實現學習結果可以跨時間、跨文化、跨情境遷移。

5 在習題的設計、演練上體現核心素養(yǎng)要求

在美國，很多知名物理教育專家和教師認為，物理習題應該是“廣涉及”問題（context-rich problem）。即習題涉及的知識面較寬且很多為需要跨學科知識的問題，在其中體現物理學的應用，以此培養(yǎng)一個公民所應具備的科學素養(yǎng)，為走出校門、進入社會后解決實際問題打好基礎。解決“廣涉及”問題是在學生學習過某一物理概念、做過相應的“標準課本問題”的認識基礎上，對學生提出的更高層次的要求。與傳統(tǒng)的物理習題相比，它為物理學習者提供了與真實問題更加相像的物理環(huán)境。［7］課題組認為，在常規(guī)課堂教學中的“終極展示”環(huán)節(jié)，可以匹配“廣涉及”問題，以檢驗學生物理觀念的形成情況，并深化學生物理觀念的發(fā)展。課題組為本節(jié)研討課改編的習題如下。

徐州和平大橋全長1288m，主橋為獨塔雙索面混凝土斜拉橋，橋塔采用造型美觀的“H”形，塔高101m；自塔身向兩側輻射出116條鋼絞線，拉起這座2萬噸的特大橋（如圖3所示）。徐州和平大橋是我國一次性跨鐵路軌道最多，施工難度最大的跨鐵路大橋。

（1）將大橋的一部分抽象為簡化圖中的模型（如圖3所示），其中F2為橋的重力和車輛對橋的壓力，F1為鋼索的拉力，這種斜拉橋用到了什么物理知識？

（2）試分析簡化圖中的模型，如果橋塔的高度降低，此條鋼索的拉力是否改變？為什么？

分析：問題（1）中根據簡化圖所提供的信息，可以看出這一段橋面在力F1、F2的作用下，可繞支點O轉動，符合杠桿定義，所以用到了杠桿知識。這樣僅從知識的層面分析是不夠的，要讓學生學會從物理學的視角認識到，巍峨壯觀的鋼索斜拉橋是一種物理模型———杠桿模型，而模型研究法是一種物理研究思想和方法。將斜拉橋建構為杠桿模型，對于學生來說屬于不熟悉的新情境、新問題，達到了SOLO分類評價理論層次中弱拓展抽象結構水平。

問題（2）要在模型研究法的背景下，通過對動力臂兩次作圖比較，得出橋塔高度降低時動力臂l1變?。辉倮酶軛U原理F1＝F2l2l1

去分析推理得出，在阻力F2和阻力臂l2保持不變的情況下，動力臂l1變小了，動力F1即鋼索的拉力就會變大的結論。

通過對現實生活中斜拉橋工程問題的解答、展示，學生的邏輯推理能力、論證表達能力、學習反思能力、合作交流能力、質疑創(chuàng)新能力等都得到了鍛煉和發(fā)展。由于和平大橋是徐州本地的地標建筑，當地的學生在解題過程中全程充滿了自豪感、成就感和社會責任感，這些都能夠豐富、深化學生的杠桿觀念。

在課題研究中，課題組認識到，從物理觀念層面設計和解答物理習題，不應是碎片化知識的再現與孤立的解題技能的訓練，而應是對學生知識理解與應用水平的更高要求，其中也滲透著對學生科學態(tài)度與責任的培養(yǎng)。

6 結語

物理觀念的基本構成單位是物理概念，但單一的物理知識（概念、規(guī)律、方法等）不能形成物理觀念，零散的知識也形成不了物理觀念。通過有形杠桿、變形杠桿到無形杠桿模型的建構過程，學生的思維由單點—多點結構的量變到關聯結構的質變，直至升華為更具創(chuàng)造性、開放性的拓展抽象結構，可以看出物理觀念是一種知識建構的體系?？鐚W科實踐教學引導學生從不同視角、不同層次研究同一個物理主題，為學生提供將物理知識遷移到其它情境和學科的機會，從而能有效促進學生“跨學科理解”能力及物理觀念的形成。

參考文獻

［1］ 高瑞泉.觀念史何為？［J］.華東師范大學學報（哲學社會科學版），2011，43（2）：1-10，152.

［2］ 馮馨雯.聚焦物理觀念形成和發(fā)展的高中物理單元教學設計［J］.中國教師，2022（7）：69-72.

［3］ 學習基礎素養(yǎng)項目組.素養(yǎng)何以在課堂中生長［M］.上海：華東師范大學出版社，2017：73.

［4］ 張華，任燕，廖偉.小學大觀念教學：設計與實施［M］.北京：教育科學出版社，2023：27-28.

［5］ 劉炳昇.中學理科實驗教學指導初中物理分冊［M］.南京：江蘇科學技術出版社，2012：190.

［6］ （美）林恩·埃里克森，（美）洛伊斯·蘭寧.以概念為本的課程與教學：培養(yǎng)核心素養(yǎng)的絕佳實踐［M］.上海：華東師范大學出版社，2018：11.

［7］ 仲新元.美國物理課的“廣涉及”問題［J］.外國中小學教育，2000（2）：34-36.