以核心素養為導向的跨學科實踐設計與實施

摘" 要：本文緊跟《義務教育物理課程標準（2022年版）》，更新教育方法，設置跨學科實踐主題，以自制直流電動機為例，構建問題驅動模式，開展學生創新實驗的實踐研究。通過緊扣關鍵要素、抓住細節難度、構建問題驅動模式，將核心問題轉化為具體的學習任務以推動其實施，從而培養學生的核心素養和創新意識。

關鍵詞：問題驅動模式；跨學科實踐；核心素養

基金項目：本文系廣州市教育科學規劃（Guangzhou education scientific research project）2024年度一般課題“基于項目式學習的學科融合教學的實踐研究”（課題編號：202316819）的階段性研究成果。

《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）在教學策略建議中明確指出“關注對學生設計實驗方案、收集證據能力的培養。注重發揮每個學生的創新潛力，鼓勵學生設計實驗方案、自制實驗器材、改進實驗裝置及操作方法，給學生提供自主探究的時間和空間。”［1］初中學生剛接觸物理時對其充滿興趣，但是隨著學習的深入，學習難度也隨之加大，學生容易失去學習的主動性，加之受到課時緊張等因素制約，教學中容易出現以教師為主導的情況，導致學生很難有機會發揮出自己的創新意識和思維能力。因此，教師要及時更新教學理念。教師可以通過開展具有物理內涵的特色實驗，幫助學生構建更完善的知識體系，培養學生的科學探究、科學思維和科學態度與責任等方面的核心素養。

特色實驗是指讓學生在教師的引導下，圍繞真實的問題，通過進行設計實驗、觀察現象、優化方法、質疑交流等操作流程，進一步掌握物理知識，并形成學習物理的必備品格和關鍵能力的實驗。這樣的實驗能夠激發學生對理工類學科的興趣，鍛煉與提升他們的綜合素養，使學生從被動接受知識的“技能型”人才轉變為“創造型”人才，從而符合人工智能制造新時代的要求。本文以人教版《義務教育教科書" 物理" 九年級" 全一冊》第二十章第4節“電動機”中的“想想做做”欄目——“讓線圈轉起來”自制電動機實驗為例闡述

問題驅動模式下跨學科實踐項目的設計與實驗策略。

1" 構建問題驅動模式

物理實驗應當在真實情境中圍繞一個富有挑戰性的項目主題展開，整合學科內或跨學科的學習內容，用問題鏈驅動學生完成子任務，從而促進學生的綜合認知和能力發展。問題驅動的方式偏重于培養學生的問題意識

以及發現問題進而解決問題的能力。解決問題的過程正是動手進行實驗探究的過程，是碰到困難、深入研究、提出問題、找尋解決問題的方法的過程。在這個過程中，可實現螺旋式上升教學，達到最佳的教學效果。具體流程如圖1所示。

2" 自制直流電動機實驗案例

2.1" 扣關鍵要素，定項目主題

根據學情，選擇實踐項目主題。

實驗主題的選擇基于教師在日常教學中對學生學情的調查，教師要捕捉并記錄學生學習的難點和疑惑點，根據學情，選取需調動跨學科知識的實踐內容。筆者選擇第二十章“電與磁”第4節“電動機”中的“讓線圈轉起來”自制電動機實驗作為項目主題。首先，它難度適中調試，這個過程不僅要求學生理解和應用物理原理，還涉及科學、技術和數學等多學科知識。后期還能以“創新”作為亮點進行拓展和提高［3］，富有挑戰性。關鍵要素如表1所示。

2.2" 依《課程標準》要求，定項目內容

教師創設頭腦風暴活動，邀請學生加入到頭腦風暴中共同討論和設計學習內容，從而充分發揮學生的主動性，把項目總目標拆解為多個分目標，根據分目標來構建問題鏈的基本單元，以此降低難度。如表2所示是本實驗課程內容的《課程標準》目標和分目標。如表3所示，從跨學科學習目標的四個維度出發，分別在各學科制定出有針對性的教學目標。

2.3" 設驅動問題，推項目實施

問題驅動

模

式在實驗項目實施過程中起到至關重要的作用。在指導學生分組實驗時，教師應啟發學生發現和解決問題，把核心問題轉化成一系列學習任務，將其作為主線，貫穿整個項目。

2.3.1" 構建模型，提出工程問題

首先，鼓勵學生在生活中尋找電動機，觀察電動機的工作特點，并構建電動機模型。接著，教師展示實際的電動機模型，引導學生思考電動機的定義，并據此提出驅動問題一（見表4），讓學生回答以啟發學生的思考。隨后，學生分組合作，通過閱讀課本和上網查詢相關資料，找出答案。

2.3.2" 推理論證，解決實際問題

在實際制作過程中，學生在充分理解以上問題的基礎上，畫出電路圖，繞好線圈，搭好支架，然后嘗試通電，觀察線圈能否正常轉動。針對不能運轉的裝置，學生要找尋問題，并進行猜想、推理、實驗和論證。筆者發現，在平時教學中提出假設性問題時，學生通常百思不得其解；然而，置身于現實情境中，學生更容易發現問題（驅動問題二）并深入研究，從而找出解決問題的方法。通過師生之間的對話和討論，教師啟發學生

用列表法記錄問題，找尋方法并做出嘗試，經反復改進，取得了明顯效果。學生記錄提出問題和解決問題的過程如表5所示。

圖2為電動機的主要部件和完整的電動機。

改進之后，大部分線圈都能轉動。線圈能轉起來相當于完成了初級目標。

此時，筆者繼續引導學生記錄數據，實驗結果如表6所示。

根據實驗結果，學生經過討論和總結后提出猜想：電動機轉速不同的原因可能是磁場強弱不同。于是，學生又挖掘出了新的驅動問題（驅動問題四）：為什么增加電池數量或者增強磁場強度會令線圈轉速加快？學生通過查找資料發現：電流或者磁場變強都會使安培力加大。根據歐姆定律I＝UR，當U成倍增大時，I也成倍增大，會使安培力變大。此過程中，學生學會了運用已學知識和方法去探索新知識、解決新問題，實現了知識的遷移，能夠進行反復推理并驗證猜想，學生的科學思維得到了培養。正如愛因斯坦曾經說過：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要。”問題是思維的起點，它能激發學生的思維活動，讓學生產生內驅力，激勵他們積極自主地探索，直到解決問題。［3］

2.3.3" 探究思考，挖掘創新問題

學生完成了第一步的簡單制作后，筆者繼續激勵學生改進原有結構，深入挖掘平時不會想到的問題（創新驅動問題五）。首先，筆者提出能否簡化電動機的結構，把線圈的圈數由多匝減少到一匝？其次，傳統永磁鐵的形狀單一且不易擺放，能否改成用釹鐵硼新型材料的圓形磁鐵？

在問題的驅動下，學生動手實踐，但是并未成功。網絡資料中的簡易型電動機線圈轉動得很好，而實際的線圈卻無法轉動。多次實驗均以失敗告終，學生面臨選擇：是放棄，還是繼續嘗試？最終，學生決定繼續挑戰，解決任務。筆者發現這次學生觀察得更加仔細，發現問題的能力有所加強，信心也明顯增強。如圖3所示是改進接觸位置的示意圖。簡化結構后的電動機更輕盈，線圈轉動得很平穩，改進效果顯著。記錄的改進過程如表7所示。

實驗進行

到這一步已經非常成功了。然而，有些愛思考的學生又繼續查閱資料，并提出了新的問題（驅動問題六）：能否交換一下，固定線圈，而讓磁鐵轉動（之前電動機的設計是磁鐵固定，線圈轉動）？筆者鼓勵學生利用新型磁鐵繼續實驗，在確保原理正確的基礎上，觀察安培力是如何發揮作用的。在實驗中，學生發現硬幣大小的磁鐵較為適合。于是，他們在磁鐵和電池中間固定一個鐵釘，利用磁鐵的磁力讓鐵釘貼緊電池負極。接著，讓另一根導線的上端連接電池正極，下端連接磁鐵，從而形成閉合回路，裝置如圖4所示。在這個過程中，學生仍會出錯，但由于有前面的經驗，解決問題時輕松很多。這一過程充分證明了教師設計并啟發學生挖掘不同的驅動問題，是整個項目能夠完成的重要保障。

2.4" 設項目評價，促進項目展示和反思

在學生完成作品之后，為了對學生進行評價，筆者會提供組內、課堂和校科技節等機會來展示他們的成果，或推薦學生參加市區舉辦的各種比賽，讓學生得到表達機會。前面提到的實驗過程和記錄的數據作為學生自我評價的一部分，結合生生和師生之間的互相評價，進行共同評估，增強學生的個人成就感和集體榮譽感，并在反思和改進中培養學生交流、評估和反思的科學探究能力。

2.4.1" 學生反思

從學生提交的反思報告中可以歸納出以下三點收獲：①書上得來終覺淺，凡事都需要自己親自動手實踐才

能有所收獲。②在實踐過程中總會碰到困難，但要仔細觀察和研究，并思考解決的方法。在這個過程中，可以查閱資料，也可以團隊合作，集思廣益，直至問題得到解決。③當自己不斷努力，最終成功解決問題的時候，既能享受成功的喜悅，增強自信心，還能培養自己的創新思維，要敢想敢做。

2.4.2" 教師反思

與傳統教學方式相比，開展具有跨學科特色的實驗項目能夠讓學生體驗到真實實驗過程的多元性和靈活性，其核心就是通過學生的自主動手、小組合作來解決問題，培養他們良好的意志力，實現了自制電動機實驗令人驚艷的“三級跳”。筆者選擇自制電動機作為實驗項目有三重原因，一是它置身于常見的生活情境中，實施起來難度適中且富有挑戰性；二是在制作電動機的過程中，學生能夠自主設計并充分發揮想象力，體現工業設計思想，學生在完成電動機制作后，還能利用電池、磁鐵、螺線管等器材制作電池火車，或繼續深入研究解決電動機易受風力影響的問題，這些獨特的想法已經遠遠超出了筆者的設想；三是自制電動機項目將科學、技術、工程、數學等多學科知識充分融合，達到發展學生跨學科運用知識能力的目的。

3" 總結

綜合來講，構建問題驅動模式來開展學生創新實驗和跨學科實踐研究，能讓學生圍繞電動機制作這個真實任務，經歷制作、改進和創新的過程，在實踐中不斷學習。

這種模式很好地鍛煉了學生動手能力和協調合作能力，并實現了知識的建構和解構，能夠最大限度地激發學生潛能。學生在這樣的情境下學習，既體驗到了成功的喜悅，樹立了信心，又培養了科學思維和創新思維，發展了物理核心素養。當然，目前還存在很多問題需要解決，筆者將在下一步的研究中繼續完善。

參考文獻

［1］［2］中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：18，32.

［3］寇洪云.以有效問題激活學生數學思維［J］.學周刊A版，2013（8）：113.