跨學科實踐的進階化設計
——以“流體壓強與流速的關系”為例

王佳寧，吳蘇徽，孫錦如，王 強

揚州大學物理科學與技術學院，江蘇 揚州 225009

受“學科本位”“知識本位”等傳統教學思想的影響，學生會慢慢失去主動思考和實踐的能力，從而不能真正做到“學以致用”，難以發展其物理綜合素養。基于此，《義務教育物理課程標準（2022 年版）》將“跨學科實踐”作為課程內容納入了一級主題，并提出“注重培養學生在真實情境中綜合運用知識解決問題的能力”［1］，這實際上設定了跨學科主題學習的目標。

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

本文以蘇科版初中物理氣體壓強章節中的“流體壓強與流速的關系”為例，基于學習進階理論進行跨學科實踐活動的進階化設計。

1 學習進階理論

學習進階理論認為，學習是一個不斷發展的過程，學習過程中學生的認知發展是會“進階”的。通過一個個連接學習終點和起點的“階梯”，實現思維和能力上質的飛躍［3］。那么，如何在跨學科實踐中設置這些“階梯”？這需要基于知識本身的邏輯結構，關注學生能力和認知發展過程的協同關系，精心設計一系列有利于學生綜合能力循序進階的“腳踏點”［4］。認知發展主要是指學習、思維和情緒等深層次、內隱性能力的發展［5］。

2 進階分析

2.1 基于學情，分析進階起點

2.1.1 知識起點

（1）學生已經掌握了壓強的定義，了解了液體內部壓強的特點，知道大氣壓強；

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

2.1.2 能力起點

（1）經過前期對力和壓強的學習，學生有一定的理論基礎和實驗能力，思維能力得到一定的發展。

（2）缺乏對流體現象的細致觀察力、模型建構能力和抽象思維能力。

（3）缺乏綜合應用所學知識解決實際問題的能力和工程實踐能力。

（4）缺乏聯系物理與生活、社會和工程的能力。

2.1.3 認知起點

（1）學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 預設進階目標，搭建進階層級

從物理學與日常生活、物理學與工程實踐、物理學與社會發展三個維度出發，按照知識、能力和認知進階的層級目標要求，充分應用“流體壓強與流速的關系”的教學素材，搭建進階層級，設計跨學科實踐活動，來逐步提升學生跨學科學習的綜合能力。進階層級設計如圖1 所示。

圖1 進階層級設計框圖

3 跨學科實踐活動過程

在活動設計中，教師需要注重學生知識、能力和認知進階的發展性，注重教學環節設計的系統性。下面，以知識進階為主線，描述能力和認知進階的具體過程。在進階過程中，兼顧生活、社會與工程三個維度，最終指向學生跨學科學習綜合能力的提升。

3.1 進階層級1——流體概念的建構

這一層級是基礎的和必要的。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，生活經驗中的“順流而下”。如何讓學生定性且正確地感知流體壓強呢？學生平時的生活經驗是：大風更容易把房門吹開，是“空氣流速越大，壓力和壓強越大”的直接證據。這其實是對流體壓強的嚴重誤解。當物體“表面”的流體高速流動時，流體會對物體的表面施加壓強，這才是“流體壓強”，它并非源于流體對障礙物的正面沖擊。

（1）創設問題情境：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）引導學生猜想：汽車帶動氣體快速流動，可能導致靠近汽車側上方的流體壓強和壓力變小，其他地方的壓力使得落葉飛起并向汽車靠攏。讓學生感受到流體的壓強與流速之間應該存在密切的關系。

3.2 進階層級2——流體壓強與流速的關系

3．2．1 在活動中感受、描述并解釋現象，參與活動并發展形象思維

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

圖2 高鐵站的安全線

（2）引導學生猜想：高鐵運動，改變了周圍氣體的流速，可能改變其壓強。

（3）模擬活動：組織學生進行實驗——“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，發現兩紙片相互靠近。

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，而離運動高鐵較遠的地方壓力大，壓力差可能把人“推向”高鐵，這就是高鐵站設置安全線的原因。

設計意圖：選取生活中與“流體壓強與流速的關系”相關的情境，引導學生猜想；再通過模擬實驗驗證猜想，引導學生描述并解釋實驗現象，培養學生的科學思維及表達能力。此設計可以增強學生的安全意識，讓其關注社會生活并在生活中感受物理知識。參看圖1，這一環節主要對應能力層級1 和認知層級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）創設問題情境：1912 年“奧林匹克號”輪船與“豪克號”巡洋艦并排疾速行駛，產生了“船吸”現象，并釀成一起重大海難事故。產生“船吸”現象的原因是什么呢？

（2）引導學生猜想：類比高鐵進站情境，猜想“船吸”現象可能源于“流體壓強與流速的關系”。

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

圖4 “船吸”現象實驗模擬

（4）理論分析：引導學生應用所學知識解釋實驗現象，得出海難發生的原因，即兩船之間流體速度大（為什么），壓強就小，使得兩船不自主地靠近。

設計意圖：讓學生經歷“猜想—驗證—結論”的過程，加深對“流體壓強與流速的關系”的理解。讓學生明白兩船并排行駛、后船追越前船等行為須遵循航行規章制度，才能保證航行安全。參看圖1，這一環節對應能力層級2 和認知層級1。

3．2．3 還原古詩詞中的物理場景，提升抽象思維能力

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

（2）引導學生猜想：結合所學的流體壓強與流速的關系，思考并討論。

（3）模擬場景制作：指導學生還原“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，用吹風機模擬秋風（圖5）。

（4）探究與分析：引導學生逐漸改變風力和風向，觀察屋頂上“茅草”被風卷起的情況，研究什么樣的風能輕易“卷我屋上三重茅”，最終得出定性結論。

設計意圖：一方面，讓學生自主動手模擬還原詩詞中的場景，培養學生基本的動手實踐能力。另一方面，讓學生感受古詩詞中蘊含的物理原理，培養其對中國古文化的科學理解。參看圖1，這一環節對應能力層級2 和認知層級2，兼顧能力層級3。

3．2．4 進行作品設計和制作，提升工程意識和抽象思維能力

（1）創設問題情境：飛機很重，但它卻能飛上天，飛機升力源于什么？

（2）引導學生猜想：給出機翼的橫截面（圖6，源自人教版《初中物理》），引導學生觀察其形狀，用“流體壓強與流速的關系”來分析飛機升力產生的原因。

圖6 機翼的橫截面

（3）模擬工程制作：指導學生繪制設計圖，完成機翼的模擬制作，并把機翼放上架子，用吹風機吹風，觀察機翼的運動情況（圖7）。

圖7 機翼模型

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

設計意圖：讓學生自主動手進行有一定難度的工程設計與制作，發展其動手實踐能力。引導學生科學探究，體會控制變量法的運用，進一步發展其分析和解決實際問題的能力。參看圖1，這一環節對應能力層級3 和認知層級2。

3．2．5 進行較復雜的工程設計和制作，敢于迎接挑戰

具體流程如下：（1）指導學生查閱滑翔機制作的相關資料；（2）指導學生確定滑翔機的制作方案和設計稿；（3）指導學生完成簡易滑翔機的制作與試飛；（4）指導學生根據試飛效果改進設計；（5）安排學生匯報展示；（6）組織學生相互提問。

設計意圖：通過查閱資料，培養學生獲取有效資源的能力；通過自制活動，進一步培養其工程設計能力和動手實踐能力；通過展示評價，培養學生的表達能力；通過學生間相互提問，提升學生的交流論證能力［7］。參看圖1，這一環節對應能力層級3 和認知層級2，兼顧能力層級4。

3．2．6 閱讀課外資料，深入體會物理學與科技發展的聯系

選取與“流體壓強與流速的關系”相關的飛行器閱讀材料，從萊特兄弟的飛行者1 號開始，了解飛行器的發展歷程，并了解國產大飛機C919，讓學生體會科技進步對社會發展的影響。

設計意圖：體會物理與社會發展的密切聯系，讓學生樹立學習強國、科技報國的信心與決心。參看圖1，這一環節對應能力層級4 和認知層級3。

3．2．7 在評價中發展跨學科綜合能力，拓展認知視野并提升責任感

跨學科實踐能力的發展是一個循序漸進的過程，所以應該注重跟蹤評價，凸顯學生成長歷程。參考跨學科實踐評價建議［8］，收集學生實踐過程中的行為表現和活動成果，合理評價跨學科實踐活動效果。評價內容包括：課堂表現、問題解答、作品設計、模型制作與展示、閱讀調研報告、總結匯報交流等。

在評價環節，需要在注重學生知識、能力和認知層級發展的同時，兼顧生活、社會與工程三個維度上跨學科學習能力的提升。參看圖1，這個環節對應能力層級4 和認知層級3，具體評價指標如表1 所示。

表1 基于學習進階的跨學科實踐能力評價

4 結 語

跨學科主題學習與傳統學習相比，綜合性和開放性更強。基于學習進階理論進行教學活動設計，注意創設真實情境，通過環環相扣、循序漸進的實踐活動，學生的理解能力和認知水平逐級進階，跨學科綜合能力得到有效提升。