融入科学技术史的物理跨学科实践教学设计

聂铜键 袁海泉

摘   要：根据国内外对跨学科理论探索与实践经验，设计以核心素养为导向的课程目标，关注真实且富有挑战性的跨学科实践情境与任务，以古代的发明创造走马灯为载体，带领学生思考跨学科知识运用背景下的走马灯创意设计，为基于物理的跨学科实践教学提供参考。

关键词：跨学科实践；科学技术史；核心素养；初中物理

跨学科教学的概念是相对于分科教学的，分科教学已然是人们熟悉的教学形式，它可以让学生更好地掌握某一学科领域内的知识内容，形成体系化的认识。但与此同时我们也要注意到其不足，分科教学有可能会导致学生看待知识的视角变得狭隘，深度有了，却丧失了广度，人为地隔绝了学科之间纵横密切的关系。美国2013年制定的《下一代科学教育标准》中就已经将跨学科学习（Crosscutting）作为与实践（Particles）和核心概念（Core ideas）并列的学习科学学科的三个维度，认为跨学科概念可以帮助学生形成对于周围世界的连续且基于科学的观点，强调跨学科教学具有的潜在价值也许是改革目前教育的一剂良药，为学生提供跨学科内容、不同领域的联系和知识，可以丰富他们对实践的应用和对核心思想的理解，提升核心素养[ 1 ]。我国新颁布的义务教育课程标准也强调了跨学科实践教学的重要性，指出应设立跨学科主题学习活动，加强学科间相互关联，带动课程综合化实施，强化实践性要求。物理跨学科实践立足于物理学科教学，将实际问题融入到教学情境中，强调学习和应用相关科学知识和数学工具，通过改进和创新技术方法来解决某一具体问题，从而达到提高学生综合学习能力的目的[ 2 ]。本文的教学设计将跨学科实践与中国悠久的历史相结合，以科学发展融入生产生活的科学技术史为出发点，以核心素养思想指导下发展学生跨学科运用知识的能力、动手操作的实践能力为目标，让学生在探究实践的过程中了解中华民族的悠久历史，发展核心素养，培养学生的爱国情怀和问题解决的能力。

1  设计依据

科学技术史是人类研究认识自然、改造自然历史的科学。它以科学发现与技术发明过程，以及发明、发现的社会条件作为研究对象，是自然科学史与技术史相交叉形成的综合性学科。我国的科学技术史繁荣发达，自古以来各种发明创造层出不穷，如著名的冶铸、四大发明等。基于我国科学技术史设计跨学科实践，可以使学生体会物理学对人类生活、工程实践和社会发展的影响，乐于思考和实践，勇于探索，增强爱国意识和可持续发展的责任感。

义务教育课程标准（2022年版）新设立跨学科实践为课程内容一级主题，强调注重学生经历活动过程，强化情感价值体验，提出以素养为导向，设计切实可行的教学实践活动，加强学科间相互关联，带动课程综合化实施，注重对价值体认与践行、知识综合运用、问题解决等方面的培养与考察[ 3 ]。跨学科实践的教学过程，是一种在多学科融合下，对创造性思维、发现及解决问题的能力以及创造性想象力等方面的培养过程。学生在物理教师的带领下进行跨学科实践，不仅要充分理解物理学科的基本知识与核心概念，还要综合运用其他学科的方法和技术来解决实践中出现的真实问题，学生在实践过程中不断学习、主动探索，将理论与实际有机结合，真正实现“做中学”[ 4 ]。

走马灯最早在秦汉就出现于我国历史，文学中有许多提及，如辛弃疾的《青玉案·元夕》中以玉壶光转形容走马灯。其在科技发展史上也具有意义，是我国古代第一个利用热力使一个轴带着其他的附件转动，是能带动另一组件规律运动的发明，原理如图1[ 5 ]。它可以看作是近代以来才真正达到成功应用的燃气轮的始祖。以对我国科学技术史为源头，引入到对走马灯的艺术层面和技术原理层面的讨论探究，进一步引导学生讨论，以多学科、跨学科的视角，思考走马灯中的动力系统，如何综合运用学科知识，达成一个统一的目标：带动走马灯转起来。不管是利用基于物理原理的方法（如经典走马灯中的热力系统），还是综合运用多学科知识，在实践中，在解决问题的过程中实现跨学科实践教学的育人目标。

2  跨学科实践活动设计

教师利用融合了科学技术史的探究活动展开教学，开展基于实践制作活动的跨学科实践教学活动。下面以“创意设计走马灯”为例，说明融合了科学技术史的跨学科实践教学的阶段流程，如图2所示。

教学实践中的具体活动和学习目标设计见表1。

3  跨学科实践活动的实施

3.1  兴趣阶段：从探索兴趣转向认知兴趣

学生起初就对于实践活动充满兴趣，教师利用学生对于实践活动积极性高的特点，及时将学生的兴趣引导至项目和探究方面。在课前，教师向学生布置自主探索走马灯并作主题汇报的任务，激发学生自主探索的兴趣，以主题汇报为驱动力。

在走马灯的主题汇报中，学生各显神通，找来各种各样的历史资料，其中蘊含丰富的历史与语文知识内容，也不乏科学知识并解释其中蕴含的科学原理。在这个过程中，教师要做的是补充完善学生的汇报，对学生的劳动成果充分肯定，激励学生，在这个过程中，将学生对于探索未知的兴趣，转入对走马灯原理的认知兴趣。基于对走马灯原理的认识，引导学生思考如何以综合运用多学科知识的角度让走马灯转动起来？是否可以实践制作？

3.2  实践阶段：从科学探究到解决问题的动手实践

（1）科学探究阶段

通过学生讨论，各种各样的方案被提出，教师引导学生提出方案，分析方案的实践可行性是本教学设计的重点内容。基于提出的跨学科应用的主题，在整个班级集体讨论的氛围下，不同学科的知识与概念通过教师的引导在学生的思维中来回流转。跨学科实践的教学重点不在于具体教学内容的聚焦，而应该重视在实践过程中培养学生分析问题、解决问题能力的培养。如一位学生汇报了关于水果电池驱动小马达来带动走马灯的方案，出发点为从化学课中了解的水果电池。教师提出问题：水果电池提供的电压是否足以驱动小型马达呢？针对这个问题，向学生进一步提出，如何才能通过查询相关资料来解决这个问题？通过集体讨论得出，应该查询两个参数，一是一般的水果电池能够提供的电压为多少，二是能够买到的小型马达的驱动电压为多少。确定问题后，教师当堂查询两个参数，得到数据：一般的水果电池能提供的电压在1 V左右，而在网络上能购买到的各类小马达的驱动电压在3 V左右。因此，基于探究和证据，否定了这个方案。

在这个过程中，许多学生还提出为什么不同水果做的电池电压会不同，为什么电压不足小马达就不转，小马达的原理与结构是怎样的等问题，若有余力，教师可针对这些问题进行简单的讲解，充分落实课标提出的加强学科间相互关联，带动课程综合化实施的要求，通过知识综合运用解决问题来培养学生核心素养。

虽然课堂上创意不断，但大多最终在实践制作上总有各种困难，如某小组提出的小仓鼠的跑动转轮驱动方案，大家对此非常感兴趣，却对设计连轴转动系统一筹莫展，因此没有实践这个方案。大部分小组最后的方案设计都基于电动力驱动走马灯旋转的方案，此方案的优点在于实际操作性较强，对整体机械机构的设计较容易，只需一个转轴系统即可，电路元件则较容易获取和进行设计与组装。

（2）动手实践，解决问题

教师需在课前查阅相关资料，并咨询相关专业人士，在教学实施前自己制作出一个电动力驱动走马灯。同时考虑到课上时间问题，特意定制了一些部件半成品，避免木工制作耗费时间过长，以此对制作过程进行一定的简化。虽然制作的开放性会降低，但可行性大大提高了。尝试几种不同的制作方案后，教师确定了材料的选择和主要制作步骤，并将可能遇到的问题大致罗列出来，以便带领学生探究问题以及更好地指导学生完成制作。

学生在制作的过程中遇到了很多问题，例如“马达转速过快导致转轴不能承受”等，教师引导学生从物理学的视角审视问题，经历与上述问题解决类似的过程，学生不仅利用物理知识解释了事实现象，也在物理知识的指导下克服了实践中的诸多困难。最终，解决多个实际问题后，各小组完成了制作。

学生感悟：“将方案落实，动手实践的过程是一个不断发现问题、解决问题的过程。”有学生表示，“实践是检验真理的唯一标准，不亲身经历过就无法想象可能遇到的问题，虽然已经尽力简化设计，努力提高方案的可操作性，但实际制作中仍有不少困扰，通过灵活运用所学到的知识解决问题，提高了我们的思维能力。”“在动手制作前的方案设计和分工非常重要，后面的工作能否顺利进行，问题能否顺利解决都依赖是否有提前的准备。在设计方面的用心能极大地提高工作的效率”。

由此可见，学生在设计方案和落实方案的实践过程中，不仅深化了对课上所讲的知识的理解，锻炼了科学思维模式，实现了知识的迁移和应用，更培养了学生问题解决、技术应用、自我管理等核心素养。

3.3  评价阶段：项目成果展示与评价

学生分组汇报，展示成果，说明本组的设计巧思，团队配合与分工及遇到的问题和问题解决过程。教师对工程进行结项点评，引导学生提出适当的建设性改进意见，实施多元化评价。为落实丰富跨学科教学实践的评价内容与评价维度的要求，教师制定评分表进行量化打分，作为最终评定优秀项目的依据，如表2。应注意表2的打分不是在最后一蹴而就的，而是追踪整个教学过程，全面而整体的进行打分，如设计巧思部分的打分主要依据在阶段2和阶段3的表现。问题解决部分的打分主要依据在阶段3、阶段4的表现。教师要重视评价的客观中肯，确保教、学、评的一致性。最终打分应参考义务教育课程标准中对跨学科实践的学业要求与教学提示部分，符合课程标准，落实课标要求。

4  教学反思与改进

随着新义务教育课程标准的颁布，跨学科实践将逐步落地实施，最终呈现怎样的面貌还不得而知。为了促进跨学科教学实践顺利落实，积极地进行教学反思与改进是促进跨学科教学实践正向发展的必行之策。教师在实施跨学科实践教学过程中以及教学完成后，应根据课堂观察、学生反馈，对自己的教学过程进行回顾思考，寻找教学的改进点。进一步通过反思，教研组研讨，专题学习等方式优化教学设计，丰富教学策略。当前的研究认为，教学反思是教师专业发展的核心要素，尤其是针对新提出的跨学科实践教学要求。珍惜实践教学机会，重视反思，以更好地适应新课标对教师提出的新要求。

经过对教学过程的反思，“多学科创意设计走马灯”跨学科实践可在以下几个方面进一步完善改进：一是压缩课时要求，目前的课程设计不计算课下的任务布置，需要两个课时。这对于只占百分之十的跨学科实践课程来说，实施起来时间跨度较长。可进一步精简压缩为一课时内容，课上着重于综合化的指导，课下用于“工程”的实施。二是，灵活点评对教师的知识储备水平要求较高，应加强与化学、生物等其他学科教師的联系沟通，尤其是综合实践活动课和劳动课的教师，与其协调配合是高效落实跨学科实践的一个好方法。三是教学评价方面，除了进一步完善教师评价的专业性与客观性，发挥评价育人功能外，应加强学生互评环节，让学生也参与到对其他小组工作的评价中，互相学习借鉴。四是在实际动手操作方面，通过学校资源为学生提供更多的原材料与技术支持，如3D打印设备和完成度适中的实践原材料，培养学生模型设计与机械加工能力，给学生更加开放的平台，让他们的创造力自由发挥。

参考文献：

［1］ 熊国勇.美国《下一代科学标准》核心内容与特征分析[J].基础教育，2016，13（2）：97-103.

［2］ 范文翔，张一春.STEAM教育：发展、内涵与可能路径[J].现代教育技术，2018，28（3）：99-105.

［3］ 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022 年版）[M].北京：人民教育出版社，2022.

［4］ 裴钰鑫，汪惠芬，李强.新工科背景下跨学科人才培养的探索与实践[J].高等工程教育研究，2021（2）：62-68，98.

［5］ 魏司琪，马川月，姜成果，等.创新型走马灯的设计与实现[J].科技创新导报，2019，16（36）：97-99.