基于測量工具制作過程的初中物理跨學科實踐活動的設計
——以“自制浮力秤”為例

趙蕓赫 馬宇翰 李春密

(1.首都師范大學附屬中學,北京 100048; 2.北京師范大學物理學系,北京 100875)

為響應時代需求和培育時代新人,教育部發布的《義務教育物理課程標準(2022年版)》在課程內容方面明確提出在教學中需要設立跨學科的主題學習活動,強調學科間知識與方法的整合.這部分內容的設計旨在發展學生跨學科運用知識的能力、分析和解決問題的綜合能力等,[1]從而強化課程協同育人功能.

為達成上述育人效果,目前形成了4種不同的跨學科內容整合形式:[2](1) “跨學科核心概念”,即“統合型”,也就是將不同學科的核心概念進行聯系與整合,引導學生建立更為完整且更上位的跨學科核心概念.[3](2) 跨“學科內容領域”,即“蜘蛛網型”,是指圍繞某個學習主題,將兩個及以上各學科不同領域的內容進行整合,此組織方式是目前跨學科教學的主要方式,[4-6]也是科學課程開展跨學科教學的獨特優勢.(3) 跨“跨學科概念”,即“并列型”,是指基于一個或多個跨學科概念的教學,如數學中的“向量”與物理學中的“矢量”.[7]它對學科核心概念的教學起到了補充和支撐的作用,并進一步促進核心概念的整體理解和發展.(4) 跨“學科研究方法”,即“共享型”,不同學科有著其獨特的研究手段和一些共通的思想方法,通過合適的內容載體來呈現,可以有效地提升學生分析和解決綜合問題的能力.[8]

本文整合跨“學科內容領域”和跨“學科研究方法”兩種內容組織形式,提出這種整合模式下跨學科實踐活動的整體設計思路.然后以“自制浮力秤”這一課例為例,深度剖析課例實施過程中的驅動問題設計方法以及學習活動實施策略,進而給出在初中物理總復習階段進行跨學科實踐的有效途徑.

1 跨學科實踐活動的整體設計思路

本文借鑒科瑞柴克等人的學習目標驅動設計模型(Learning-Goals-Driven Design Model),[9]基于跨學科實踐活動的特點,提出了如圖1所示的整體設計思路.

圖1 跨學科實踐活動的整體設計思路

該框架強調“以終為始”,首先基于各學科課程標準以及學生學情,確定各學科教學目標并構建跨學科實踐的學習目標.然后選擇合適的跨學科實踐的內容載體,既能實現跨“學科內容領域”的教學又能實現跨“學科研究方法”的滲透.進而圍繞該內容載體,規劃學習任務、設計活動情境和驅動問題,讓學生在問題解決的過程中達成學習目標.最終通過課堂上的過程性評價以及作業設計來檢驗跨學科實踐的學習效果.圖1中雙箭頭所指的兩個過程并非嚴格線性的,在設計過程中是互相反饋且不斷動態調整的.

2 課例設計與實施

本節課例的設計背景立足于中考總復習階段對于浮力這一核心概念的復習.為了促進學生學以致用,本節課選取與工程實踐相關的素材,將著名的歷史典故曹沖稱象作為背景引入,以“浮力秤的制作與應用”作為跨學科實踐活動的主題,兼具人文與科學素養培養.以測量工具的制作為載體,讓學生重演浮力秤的發明過程.從學生的認識入手,巧設實驗與理論探究活動,滲透跨學科的思想方法,引導學生解決測量過程中的實際需求問題,從而落實學生應用阿基米德原理解決實際問題的能力.

2.1 學情分析

在設計課程前,需要綜合考慮本節課前學生所具備的跨學科知識及方法基礎,如表1所示.如在物理學方面,初三學生具備推導浮力秤測量原理和刻度特點的基礎知識,如阿基米德原理的展開式等.除此之外,他們在前面的物理及數學學習中,經歷過速度、密度、壓強等物理量的定義過程,當面對多個變量同時改變無法比較待分析問題時,知道可以通過做比值的方法將其轉化為單位變化量下的值進行比較,即他們具有利用比值定義法定義物理量來解決問題的經驗基礎.

表1 跨學科知識及方法基礎

除此之外,為了了解學生對于浮力秤制作過程的前認識,通過收集和分析所在班級42名學生的課前探究任務單可知,學生課前對于制作浮力秤過程的認識中,對于浮力秤的原理理解較好,但對于刻度標定尤其是精度的提高方法的認識不甚理想.

具體而言,在學生課前所提出的提高精度的方法中,有19%的學生認為“減小液體密度”可以實現,受直觀感受的影響,有49%的學生認為“減小容器底面積”可以實現,且仍有32%的學生無法給出任何方法,因此屬于本節課的一個難點.

綜合以上分析,確立本節課的跨學科學習目標如表2所示.

表2 跨學科學習目標

2.2 驅動問題設計方法

驅動問題作為推動跨學科學習的動力來源,其設計質量直接決定了跨學科實踐的教學效果.本文借鑒戴維森提出的完整問題三要素——初始條件、目標和障礙[10]作為跨學科實踐活動中驅動問題的設計要素.具體而言,作為實踐活動的起點,初始條件即為學生具有的知識、方法基礎以及他們從已解決的問題中所得的收獲,這些都將作為問題生成的實際情境;作為實踐活動的終點,問題目標則是問題解決的最終方案或者產品,同時指向跨學科學習目標的達成;而障礙則是問題解決過程中,從初始條件到目標方案所經歷的所有可能障礙,它對應著逐步遞進的為解決驅動問題而設計的系列子問題.

由于子問題與子任務一一對應,且引領著子活動的開展.因此對于本課例而言,為了引領子任務——方案設計、模型初建、刻度標定再到精度提高的逐級開展,特設計相應的驅動問題及子問題如下所示.

“自制浮力秤”跨學科實踐活動中驅動問題及子問題的設計.

驅動問題:如何基于浮力現象制作一個可以測量物體質量的工具?

子問題1:基于浮力現象測量物體質量的原理是什么?

對應學習目標:能夠基于曹沖稱象的原理,構建浮力秤的原理模型,分析并推導浮力秤測量質量的原理.

問題鏈:

1.如何基于浮力現象比較不同物體的質量大小?

2.構建浮力秤的原理模型并結合浮力知識分析推導:如何將質量的測量轉化成長度的測量?

子問題2:如何搭建一個浮力秤的實物模型?

對應學習目標:搭建浮力秤的實物模型,能夠分析所遇困難的原因并嘗試解決.

問題鏈:

1.你會選擇什么器材來搭建一個浮力秤?

2.如何使容器穩定豎直漂浮于液體上?

子問題3:如何標記浮力秤的刻度?

對應學習目標:標記浮力秤的刻度,能夠利用數學函數思想分析其刻度特點.

問題鏈:

1.浮力秤的0刻度線如何標記?

2.如何標定浮力秤的其他刻度?

3.對于浮力秤上沒有的刻度應如何標定?

4.等分刻度時的基本前提是浮力秤的刻度是均勻的,那么浮力秤的刻度是均勻的嗎?如何判斷自制浮力秤的刻度是否均勻?

子問題4:如何定義及提高浮力秤的精度?

對應學習目標:基于問題解決,能夠定義浮力秤精度并探究提高其精度的方法.

問題鏈:

1.你能否以5 g為間距補充浮力秤其他刻度?1 g為間距呢?

2.分析一下可能是什么原因導致無法將刻度劃分得更細?

3.相等刻度間的寬度越大,意味著什么?

4.如何增大相等刻度間的寬度?

5.如果兩個浮力秤的Δm和Δh都不一樣,如何判斷哪個的精度高呢?

6.如何提高浮力秤的精度?觀察并計算不同小組的浮力秤的精度,驗證自己的猜想.

7.你能否從理論模型出發,推導出它的精度為什么與底面積和液體密度有關?

2.3 課堂實施策略

本節具體闡述一下該課例實施過程中的跨學科任務設計.由于這節課是一節初三總復習階段的跨學科實踐活動課,需要讓學生體會應用浮力解決實際問題的方法.因此教學內容圍繞核心任務——自制浮力秤,實施過程經歷情境引入、明確驅動問題以及問題解決3個環節.下面具體呈現了“自制浮力秤”跨學科實踐活動的課堂實施過程.

環節:課堂實施.

情境引入:

教師引導.通過一段現代版“曹沖稱象”的視頻,讓學生回顧先人的智慧,分析其原理.

學生任務.(1) 思考如何利用標記線的位置來比較不同大象的質量?(2) 建立浮力秤的原理模型并進行分析推導:如何將質量的測量轉化成長度的測量?

明確驅動問題:

教師引導.如何搭建一個浮力秤的實物模型?

學生任務.(1) 選擇合適器材來搭建一個浮力秤.(2) 解決所遇到的困難:如何使容器穩定豎直漂浮于液體上?

問題解決:

(1) 刻度標定.

教師引導.從比較到測量,給儀器標定刻度是制造過程必不可少的環節,如何標記浮力秤的刻度?

學生任務.① 利用現有實物模型及標準件設計刻度標定的思路.② 利用浮力秤測量未知物體的質量.③ 對于表盤上未標定的刻度,思考:如何僅利用已有的表盤“畫”出該質量所對應的刻度線,而不是通過砝碼進行標注?

(2) 精度的定義.

教師引導.請學生觀察自制的浮力秤,并針對在上述活動中有的小組學生測出“60 g”,有的小組學生測出“65 g”的實際情境,判斷能否依據刻度均勻的特點來以更小的分度補充刻度?

學生任務.① 延續上一環節的任務,繼續外延更精細的刻度并分析出現困難的原因.② 觀察不同組制作的浮力秤,在刻度間的質量差Δm相同時,提出比較浮力秤精度的方法.③ 針對不同組浮力秤的質量刻度差Δm和間距Δh都不一樣的情況,分析此時應如何比較誰的精度更高?④ 提出浮力秤精度的合理定義方法.

(3) 精度的提高.

教師引導.引導學生對如何提高浮力秤的精度提出猜想.

學生任務.通過實驗探究和理論分析相結合的方式探究影響浮力秤精度大小的因素.

2.3.1 “情境引入”及“明確驅動問題”部分的設計意圖

在情境引入部分,基于歷史典故“曹沖稱象”中的智慧,引導學生進一步建構出質量稱量工具的原理模型.然后通過子任務——將質量大小的測量轉化為長度測量的思維過程書寫下來,引導學生從形象思維過渡到抽象思維,培養模型建構能力.

在制作原理的基礎上進一步明確實踐活動的核心任務,即自制浮力秤.在制作過程中,學生會經歷浮力秤不斷傾倒的困難.對于這個工程技術問題,引導學生利用手邊的器材并結合重心原理和技術調整解決真實問題,體會學以致用的成就感.

2.3.2 “問題解決”部分的實施策略

在問題解決的過程中逐步搭建腳手架讓學生突破刻度標定和精度理解的難點.其中,刻度標定這個過程需要標準的選擇以及刻度的外延.而刻度的外延需首先判斷浮力秤的刻度是否均勻,這是學生理解的一個障礙.

因此設計活動讓學生利用已經標定的刻度對未知物體的質量進行測量,未知物體的質量對應表盤上未標定的刻度,學生憑借感性認識會很快想到通過均分距離得到未知刻度.此時再順勢讓學生借助數學函數思想補充說明這樣操作的依據,也就是浮力秤刻度均勻的判斷依據,從而達到突破學生認知障礙的目的.

對于精度的定義和提高方法,學生從補充更精細刻度的困難入手,首先分析出原因是相鄰刻度之間不夠寬.從而引導學生意識到,在刻度間的質量差Δm相同時,間距Δh越寬,儀器的精度越高.

學生通過觀察不同組制作的浮力秤可以發現,由于每組選擇標記的刻度有所不同,所以出現了不同組浮力秤的Δm和Δh都不一樣的情況,借此讓學生分析這種情況下比較精度大小的方法.學生通過類比遷移聯想到可以利用比值定義法來進行判斷,由此得出了浮力秤精度的定義方式,并可以進一步討論Δm/Δh和Δh/Δm哪種定義方式更好.

為了進一步提升學生的證據意識,且為了在課堂上提質增效,在實驗探究環節告知學生不同組制作的浮力秤的相關參數是有所不同的.學生便可以直接針對各組精度的測量值進行對比來驗證自己的猜想,并嘗試通過原理推導出精度的影響因素,在這個過程中體會理論分析與實驗驗證相結合是物理學研究的一般方法.

3 小結

“跨學科實踐”活動為一線教師的教學提出了新的挑戰,引導學生參與跨學科實踐是幫助他們提高真實問題解決能力的重要途徑之一.應對挑戰,抓住機遇,才是教學思想和教學模式不斷更新的基礎.近年來,各地中高考試題引導教學從“解題”轉向“解決實際問題”,例如2023年北京市中考26題就基于浮力秤自制過程中的真實需求創新了設問角度,使學生們感受到了跨學科知識和方法的應用價值.

本文以“自制浮力秤”這一教學案例為載體,給出了在跨“內容領域”及跨“學科研究方法”的整合模式下將跨學科實踐的育人功能高效融入初中物理總復習階段課堂教學的幾種有效策略,總結如下.

(1) 在內容選題方面,可以讓學生親歷儀器的制作過程.在制作過程中逐步加深對測量工具的認識.在此過程中,既有工程技術方面的困難與問題解決,又需結合數學函數的思想進行理論推導分析問題,以及物理的思想與方法提供原理的支撐,真正實現跨學科實踐,在實踐中提升學生的能力.

(2) 在真實問題解決過程中調用學生跨學科的思維方法.為了發揮學生在教學中的主體性和主動性,在有效把握學生學情的基礎上,以問題驅動思維,以任務為導向.在實際測量的過程中遇真問題,“對于浮力秤上沒有的刻度應如何標定?”“如果兩個浮力秤的Δm和Δh都不一樣,如何比較誰的精度高呢?”等“問題串”觸發“知識鏈”,環環相扣,層層深入.通過學生的“疑”帶動教師的“問”,使得學生自己在選擇、創造和創新中內化知識,感悟方法,從而實現跨學科學習,培養核心素養.

(3) 科學設計,提質增效.在對如何提高浮力秤的精度進行實驗驗證時,如果現場改變參數進行操作,時間上不允許.但為了提升學生的證據意識,便在課堂一開始提供給不同組參數不同的儀器制作浮力秤,在課堂推進到這一環節時,再告知學生.因此此時直接針對各組精度的測量值來驗證自己的猜想即可,并嘗試通過原理推導出精度的影響因素,在這個過程中體會理論分析與實驗驗證相結合是物理學研究的一般方法.從而通過這樣的課堂設計高效地完成教學目標.

(4) 緊扣主線,升華主題.課堂小結部分是整節課的梳理與升華,可以給學生留下較深的印象.因此在這一部分,首先請學生總結制作一個測量工具的過程,并回顧在此過程中都運用了哪些學科的思想與方法,從而升華主題,意識到跨學科實踐的重要意義,引導學生今后多利用跨學科的思維來解決問題.