融入科學(xué)技術(shù)史的物理跨學(xué)科實踐教學(xué)設(shè)計

聶銅鍵 袁海泉

摘? ?要：根據(jù)國內(nèi)外對跨學(xué)科理論探索與實踐經(jīng)驗，設(shè)計以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的課程目標(biāo)，關(guān)注真實且富有挑戰(zhàn)性的跨學(xué)科實踐情境與任務(wù)，以古代的發(fā)明創(chuàng)造走馬燈為載體，帶領(lǐng)學(xué)生思考跨學(xué)科知識運用背景下的走馬燈創(chuàng)意設(shè)計，為基于物理的跨學(xué)科實踐教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科實踐；科學(xué)技術(shù)史；核心素養(yǎng)；初中物理

跨學(xué)科教學(xué)的概念是相對于分科教學(xué)的，分科教學(xué)已然是人們熟悉的教學(xué)形式，它可以讓學(xué)生更好地掌握某一學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的知識內(nèi)容，形成體系化的認(rèn)識。但與此同時我們也要注意到其不足，分科教學(xué)有可能會導(dǎo)致學(xué)生看待知識的視角變得狹隘，深度有了，卻喪失了廣度，人為地隔絕了學(xué)科之間縱橫密切的關(guān)系。美國2013年制定的《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中就已經(jīng)將跨學(xué)科學(xué)習(xí)（Crosscutting）作為與實踐（Particles）和核心概念（Core ideas）并列的學(xué)習(xí)科學(xué)學(xué)科的三個維度，認(rèn)為跨學(xué)科概念可以幫助學(xué)生形成對于周圍世界的連續(xù)且基于科學(xué)的觀點，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科教學(xué)具有的潛在價值也許是改革目前教育的一劑良藥，為學(xué)生提供跨學(xué)科內(nèi)容、不同領(lǐng)域的聯(lián)系和知識，可以豐富他們對實踐的應(yīng)用和對核心思想的理解，提升核心素養(yǎng)[ 1 ]。我國新頒布的義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)也強(qiáng)調(diào)了跨學(xué)科實踐教學(xué)的重要性，指出應(yīng)設(shè)立跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動，加強(qiáng)學(xué)科間相互關(guān)聯(lián)，帶動課程綜合化實施，強(qiáng)化實踐性要求。物理跨學(xué)科實踐立足于物理學(xué)科教學(xué)，將實際問題融入到教學(xué)情境中，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)和應(yīng)用相關(guān)科學(xué)知識和數(shù)學(xué)工具，通過改進(jìn)和創(chuàng)新技術(shù)方法來解決某一具體問題，從而達(dá)到提高學(xué)生綜合學(xué)習(xí)能力的目的[ 2 ]。本文的教學(xué)設(shè)計將跨學(xué)科實踐與中國悠久的歷史相結(jié)合，以科學(xué)發(fā)展融入生產(chǎn)生活的科學(xué)技術(shù)史為出發(fā)點，以核心素養(yǎng)思想指導(dǎo)下發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科運用知識的能力、動手操作的實踐能力為目標(biāo)，讓學(xué)生在探究實踐的過程中了解中華民族的悠久歷史，發(fā)展核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷和問題解決的能力。

1? 設(shè)計依據(jù)

科學(xué)技術(shù)史是人類研究認(rèn)識自然、改造自然歷史的科學(xué)。它以科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明過程，以及發(fā)明、發(fā)現(xiàn)的社會條件作為研究對象，是自然科學(xué)史與技術(shù)史相交叉形成的綜合性學(xué)科。我國的科學(xué)技術(shù)史繁榮發(fā)達(dá)，自古以來各種發(fā)明創(chuàng)造層出不窮，如著名的冶鑄、四大發(fā)明等。基于我國科學(xué)技術(shù)史設(shè)計跨學(xué)科實踐，可以使學(xué)生體會物理學(xué)對人類生活、工程實踐和社會發(fā)展的影響，樂于思考和實踐，勇于探索，增強(qiáng)愛國意識和可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。

義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）新設(shè)立跨學(xué)科實踐為課程內(nèi)容一級主題，強(qiáng)調(diào)注重學(xué)生經(jīng)歷活動過程，強(qiáng)化情感價值體驗，提出以素養(yǎng)為導(dǎo)向，設(shè)計切實可行的教學(xué)實踐活動，加強(qiáng)學(xué)科間相互關(guān)聯(lián)，帶動課程綜合化實施，注重對價值體認(rèn)與踐行、知識綜合運用、問題解決等方面的培養(yǎng)與考察[ 3 ]。跨學(xué)科實踐的教學(xué)過程，是一種在多學(xué)科融合下，對創(chuàng)造性思維、發(fā)現(xiàn)及解決問題的能力以及創(chuàng)造性想象力等方面的培養(yǎng)過程。學(xué)生在物理教師的帶領(lǐng)下進(jìn)行跨學(xué)科實踐，不僅要充分理解物理學(xué)科的基本知識與核心概念，還要綜合運用其他學(xué)科的方法和技術(shù)來解決實踐中出現(xiàn)的真實問題，學(xué)生在實踐過程中不斷學(xué)習(xí)、主動探索，將理論與實際有機(jī)結(jié)合，真正實現(xiàn)“做中學(xué)”[ 4 ]。

走馬燈最早在秦漢就出現(xiàn)于我國歷史，文學(xué)中有許多提及，如辛棄疾的《青玉案·元夕》中以玉壺光轉(zhuǎn)形容走馬燈。其在科技發(fā)展史上也具有意義，是我國古代第一個利用熱力使一個軸帶著其他的附件轉(zhuǎn)動，是能帶動另一組件規(guī)律運動的發(fā)明，原理如圖1[ 5 ]。它可以看作是近代以來才真正達(dá)到成功應(yīng)用的燃?xì)廨喌氖甲妗Ｒ詫ξ覈茖W(xué)技術(shù)史為源頭，引入到對走馬燈的藝術(shù)層面和技術(shù)原理層面的討論探究，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生討論，以多學(xué)科、跨學(xué)科的視角，思考走馬燈中的動力系統(tǒng)，如何綜合運用學(xué)科知識，達(dá)成一個統(tǒng)一的目標(biāo)：帶動走馬燈轉(zhuǎn)起來。不管是利用基于物理原理的方法（如經(jīng)典走馬燈中的熱力系統(tǒng)），還是綜合運用多學(xué)科知識，在實踐中，在解決問題的過程中實現(xiàn)跨學(xué)科實踐教學(xué)的育人目標(biāo)。

2? 跨學(xué)科實踐活動設(shè)計

教師利用融合了科學(xué)技術(shù)史的探究活動展開教學(xué)，開展基于實踐制作活動的跨學(xué)科實踐教學(xué)活動。下面以“創(chuàng)意設(shè)計走馬燈”為例，說明融合了科學(xué)技術(shù)史的跨學(xué)科實踐教學(xué)的階段流程，如圖2所示。

教學(xué)實踐中的具體活動和學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計見表1。

3? 跨學(xué)科實踐活動的實施

3.1? 興趣階段：從探索興趣轉(zhuǎn)向認(rèn)知興趣

學(xué)生起初就對于實踐活動充滿興趣，教師利用學(xué)生對于實踐活動積極性高的特點，及時將學(xué)生的興趣引導(dǎo)至項目和探究方面。在課前，教師向?qū)W生布置自主探索走馬燈并作主題匯報的任務(wù)，激發(fā)學(xué)生自主探索的興趣，以主題匯報為驅(qū)動力。

在走馬燈的主題匯報中，學(xué)生各顯神通，找來各種各樣的歷史資料，其中蘊(yùn)含豐富的歷史與語文知識內(nèi)容，也不乏科學(xué)知識并解釋其中蘊(yùn)含的科學(xué)原理。在這個過程中，教師要做的是補(bǔ)充完善學(xué)生的匯報，對學(xué)生的勞動成果充分肯定，激勵學(xué)生，在這個過程中，將學(xué)生對于探索未知的興趣，轉(zhuǎn)入對走馬燈原理的認(rèn)知興趣。基于對走馬燈原理的認(rèn)識，引導(dǎo)學(xué)生思考如何以綜合運用多學(xué)科知識的角度讓走馬燈轉(zhuǎn)動起來？是否可以實踐制作？

3.2? 實踐階段：從科學(xué)探究到解決問題的動手實踐

（1）科學(xué)探究階段

通過學(xué)生討論，各種各樣的方案被提出，教師引導(dǎo)學(xué)生提出方案，分析方案的實踐可行性是本教學(xué)設(shè)計的重點內(nèi)容。基于提出的跨學(xué)科應(yīng)用的主題，在整個班級集體討論的氛圍下，不同學(xué)科的知識與概念通過教師的引導(dǎo)在學(xué)生的思維中來回流轉(zhuǎn)。跨學(xué)科實踐的教學(xué)重點不在于具體教學(xué)內(nèi)容的聚焦，而應(yīng)該重視在實踐過程中培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)。如一位學(xué)生匯報了關(guān)于水果電池驅(qū)動小馬達(dá)來帶動走馬燈的方案，出發(fā)點為從化學(xué)課中了解的水果電池。教師提出問題：水果電池提供的電壓是否足以驅(qū)動小型馬達(dá)呢？針對這個問題，向?qū)W生進(jìn)一步提出，如何才能通過查詢相關(guān)資料來解決這個問題？通過集體討論得出，應(yīng)該查詢兩個參數(shù)，一是一般的水果電池能夠提供的電壓為多少，二是能夠買到的小型馬達(dá)的驅(qū)動電壓為多少。確定問題后，教師當(dāng)堂查詢兩個參數(shù)，得到數(shù)據(jù)：一般的水果電池能提供的電壓在1 V左右，而在網(wǎng)絡(luò)上能購買到的各類小馬達(dá)的驅(qū)動電壓在3 V左右。因此，基于探究和證據(jù)，否定了這個方案。

在這個過程中，許多學(xué)生還提出為什么不同水果做的電池電壓會不同，為什么電壓不足小馬達(dá)就不轉(zhuǎn)，小馬達(dá)的原理與結(jié)構(gòu)是怎樣的等問題，若有余力，教師可針對這些問題進(jìn)行簡單的講解，充分落實課標(biāo)提出的加強(qiáng)學(xué)科間相互關(guān)聯(lián)，帶動課程綜合化實施的要求，通過知識綜合運用解決問題來培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)。

雖然課堂上創(chuàng)意不斷，但大多最終在實踐制作上總有各種困難，如某小組提出的小倉鼠的跑動轉(zhuǎn)輪驅(qū)動方案，大家對此非常感興趣，卻對設(shè)計連軸轉(zhuǎn)動系統(tǒng)一籌莫展，因此沒有實踐這個方案。大部分小組最后的方案設(shè)計都基于電動力驅(qū)動走馬燈旋轉(zhuǎn)的方案，此方案的優(yōu)點在于實際操作性較強(qiáng)，對整體機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計較容易，只需一個轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)即可，電路元件則較容易獲取和進(jìn)行設(shè)計與組裝。

（2）動手實踐，解決問題

教師需在課前查閱相關(guān)資料，并咨詢相關(guān)專業(yè)人士，在教學(xué)實施前自己制作出一個電動力驅(qū)動走馬燈。同時考慮到課上時間問題，特意定制了一些部件半成品，避免木工制作耗費時間過長，以此對制作過程進(jìn)行一定的簡化。雖然制作的開放性會降低，但可行性大大提高了。嘗試幾種不同的制作方案后，教師確定了材料的選擇和主要制作步驟，并將可能遇到的問題大致羅列出來，以便帶領(lǐng)學(xué)生探究問題以及更好地指導(dǎo)學(xué)生完成制作。

學(xué)生在制作的過程中遇到了很多問題，例如“馬達(dá)轉(zhuǎn)速過快導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸不能承受”等，教師引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)的視角審視問題，經(jīng)歷與上述問題解決類似的過程，學(xué)生不僅利用物理知識解釋了事實現(xiàn)象，也在物理知識的指導(dǎo)下克服了實踐中的諸多困難。最終，解決多個實際問題后，各小組完成了制作。

學(xué)生感悟：“將方案落實，動手實踐的過程是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程。”有學(xué)生表示，“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，不親身經(jīng)歷過就無法想象可能遇到的問題，雖然已經(jīng)盡力簡化設(shè)計，努力提高方案的可操作性，但實際制作中仍有不少困擾，通過靈活運用所學(xué)到的知識解決問題，提高了我們的思維能力。”“在動手制作前的方案設(shè)計和分工非常重要，后面的工作能否順利進(jìn)行，問題能否順利解決都依賴是否有提前的準(zhǔn)備。在設(shè)計方面的用心能極大地提高工作的效率”。

由此可見，學(xué)生在設(shè)計方案和落實方案的實踐過程中，不僅深化了對課上所講的知識的理解，鍛煉了科學(xué)思維模式，實現(xiàn)了知識的遷移和應(yīng)用，更培養(yǎng)了學(xué)生問題解決、技術(shù)應(yīng)用、自我管理等核心素養(yǎng)。

3.3? 評價階段：項目成果展示與評價

學(xué)生分組匯報，展示成果，說明本組的設(shè)計巧思，團(tuán)隊配合與分工及遇到的問題和問題解決過程。教師對工程進(jìn)行結(jié)項點評，引導(dǎo)學(xué)生提出適當(dāng)?shù)慕ㄔO(shè)性改進(jìn)意見，實施多元化評價。為落實豐富跨學(xué)科教學(xué)實踐的評價內(nèi)容與評價維度的要求，教師制定評分表進(jìn)行量化打分，作為最終評定優(yōu)秀項目的依據(jù)，如表2。應(yīng)注意表2的打分不是在最后一蹴而就的，而是追蹤整個教學(xué)過程，全面而整體的進(jìn)行打分，如設(shè)計巧思部分的打分主要依據(jù)在階段2和階段3的表現(xiàn)。問題解決部分的打分主要依據(jù)在階段3、階段4的表現(xiàn)。教師要重視評價的客觀中肯，確保教、學(xué)、評的一致性。最終打分應(yīng)參考義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)中對跨學(xué)科實踐的學(xué)業(yè)要求與教學(xué)提示部分，符合課程標(biāo)準(zhǔn)，落實課標(biāo)要求。

4? 教學(xué)反思與改進(jìn)

隨著新義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)的頒布，跨學(xué)科實踐將逐步落地實施，最終呈現(xiàn)怎樣的面貌還不得而知。為了促進(jìn)跨學(xué)科教學(xué)實踐順利落實，積極地進(jìn)行教學(xué)反思與改進(jìn)是促進(jìn)跨學(xué)科教學(xué)實踐正向發(fā)展的必行之策。教師在實施跨學(xué)科實踐教學(xué)過程中以及教學(xué)完成后，應(yīng)根據(jù)課堂觀察、學(xué)生反饋，對自己的教學(xué)過程進(jìn)行回顧思考，尋找教學(xué)的改進(jìn)點。進(jìn)一步通過反思，教研組研討，專題學(xué)習(xí)等方式優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，豐富教學(xué)策略。當(dāng)前的研究認(rèn)為，教學(xué)反思是教師專業(yè)發(fā)展的核心要素，尤其是針對新提出的跨學(xué)科實踐教學(xué)要求。珍惜實踐教學(xué)機(jī)會，重視反思，以更好地適應(yīng)新課標(biāo)對教師提出的新要求。

經(jīng)過對教學(xué)過程的反思，“多學(xué)科創(chuàng)意設(shè)計走馬燈”跨學(xué)科實踐可在以下幾個方面進(jìn)一步完善改進(jìn)：一是壓縮課時要求，目前的課程設(shè)計不計算課下的任務(wù)布置，需要兩個課時。這對于只占百分之十的跨學(xué)科實踐課程來說，實施起來時間跨度較長。可進(jìn)一步精簡壓縮為一課時內(nèi)容，課上著重于綜合化的指導(dǎo)，課下用于“工程”的實施。二是，靈活點評對教師的知識儲備水平要求較高，應(yīng)加強(qiáng)與化學(xué)、生物等其他學(xué)科教師的聯(lián)系溝通，尤其是綜合實踐活動課和勞動課的教師，與其協(xié)調(diào)配合是高效落實跨學(xué)科實踐的一個好方法。三是教學(xué)評價方面，除了進(jìn)一步完善教師評價的專業(yè)性與客觀性，發(fā)揮評價育人功能外，應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生互評環(huán)節(jié)，讓學(xué)生也參與到對其他小組工作的評價中，互相學(xué)習(xí)借鑒。四是在實際動手操作方面，通過學(xué)校資源為學(xué)生提供更多的原材料與技術(shù)支持，如3D打印設(shè)備和完成度適中的實踐原材料，培養(yǎng)學(xué)生模型設(shè)計與機(jī)械加工能力，給學(xué)生更加開放的平臺，讓他們的創(chuàng)造力自由發(fā)揮。

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