基于社会性科学议题的物理跨学科实践课程设计——以“雾霾的危害、防护与治理”为例

李宇炜 冯 爽 (北京师范大学附属实验中学 100032 北京教育学院 100120)

在物理课程中开展跨学科实践活动,分析解决与日常生活、工程实践、社会发展等有关的问题,可以培养学生物理学科核心素养,促进各学科知识相互关联。社会性科学议题是社会生活中与科学、技术、经济、环境、道德及价值观相关的问题,这些问题既是科学问题也是社会问题,不同的文化背景、立场方法和价值取向等均有可能影响到对此类问题的解决方式。

基于社会性科学议题开展物理跨学科实践课程,制定与学生认识水平和素养发展相匹配的教学目标,鼓励学生完成挑战性学习任务,对学习效果进行多元评价,可以引导学生关注身边真实存在的问题,发展科学探究能力,培养批判性思维,强化社会责任感,进而实现立德树人的根本任务。

一、跨学科实践课程中选择社会性科学议题的原则

结合跨学科实践课程的特点,社会性科学议题可以从综合性、真实性、应用性三个原则出发来选择合适的研究问题。综合性指研究问题与多个学科知识相互关联,这是跨学科课程的基本特征,学生在综合运用多学科知识解决问题的过程中会促进各种的知识关联整合,形成结构化的知识体系。真实性指的是选取学生身边真实存在的、熟悉的问题作为研究主题,引导学生关注生活、关注社会,学会在真实情境中思考和解决问题。应用性指研究问题对个体生活和社会发展影响较大、有较强实际意义和应用价值,学生尝试解决此类问题可以帮助他们学会进行价值判断,将更多的精力聚焦于重要而紧迫的问题。

以“雾霾的危害、防护与治理”这节课为例,雾霾是一种常见的高污染、灾害性的天气现象,随着工业化、城市化的进程,雾霾天气频发且愈加严重,给人们的身心健康带来了巨大伤害,对社会经济发展也造成了诸多负面影响。雾霾的形成、危害与物理、数学、化学、生物、地理、工程经济、社会等多个学科知识相关,防护和治理雾霾需要综合应用各种手段相互配合、协同推进,才能在不影响社会经济发展大局的前提下取得成效。雾霾发生在学生身边,他们对雾霾的影响和危害有着切身的感受,选择雾霾的危害、防护与治理作为研究主题,有利于学生全面了解与雾霾有关的知识,科学认识雾霾的危害,以更加积极的态度参与到环境保护和污染治理中去。

二、以培养物理学科核心素养为重点确定教学目标

基于社会性科学议题开展跨学科实践,需要紧紧围绕培养学生物理学科核心素养这一目标展开。在《普通高中物理课程标准(2017 年版2020 年修订)》《义务教育物理课程标准(2022年版)》中提出物理课程要培养学生物理观念、科学思维、科学探究和科学态度四个方面的核心素养。《义务教育物理课程标准(2022年版)》把跨学科实践列为物理课程内容的五大主题之一,提出学生能用物理及其他学科知识解释与健康、安全有关的日常生活问题,初步具有运用跨学科知识解决简单问题的能力,具有促进可持续发展的社会责任感。教师在制定教学目标时,要强化培养物理学科核心素养,将学科间相互关联的知识、方法纳入学习目标,提高学生在科学探究活动中的证据意识和利用科学思维方法解决问题的能力,培育科学精神和社会责任感。

围绕培养物理学科核心素养和跨学科实践能力,“雾霾的危害、防护与治理”这节课的教学目标设定如下:

教学目标物理观念(1)了解雾和霾的组成和基本特性,了解重力作用与无规则热运动对雾霾颗粒空间分布的影响(2)了解“静风”与“逆温”现象产生原因,理解节能环保与减少雾霾发生的相互关系(3)能综合运用物理及其他学科知识解释与雾霾相关的问题,初步具有运用多个学科的知识解决社会性跨学科问题的能力物理学科核心素养科学思维(1)能建构雾霾颗粒模型,尝试利用物理和数学知识推证雾霾粒子在重力和热运动作用下的空间分布规律,综合运用物理、地理等知识分析推理空气活动减弱的原因(2)能对如何提高口罩熔喷布的过滤效率提出自己的看法,能基于证据说明静电除尘的科学原理(3)能利用归纳或演绎的方法对跨学科问题进行推理并获得结论,能对如何解决雾霾问题进行独立思考,并提出自己的见解科学探究(1)能在对雾霾现象认识的基础上,结合物理和其他学科知识有针对性地提出可供探究的问题(2)调查了解防护雾霾的方法,设计相关实验进行验证,会观察现象获取证据,有安全意识(3)能对跨学科实践方案、实施过程及结果进行解释,能与同伴交流合作,评估改进与雾霾研究相关的实验方法,并撰写简单的研究报告科学态度与责任(1)通过对雾霾问题的研究,认识到解决雾霾问题的必要性和紧迫性,理解环境问题与个体健康和社会发展的相互影响(2)通过对雾霾产生原因的分析,体会综合运用多学科知识认识客观世界的方法和途径,自觉用科学的态度分析和解决问题(3)通过探寻治理雾霾的方式和手段,体会物理学对人类生活、经济建设和社会发展的影响,培养促进社会可持续发展的责任感

三、以促进自主研究为核心的课前学习指导

跨学科实践课程涉及的学科多、知识广度大,学生对综合运用多学科知识解决问题的方法掌握有限,对社会性科学议题的理解还会受到学生已有价值观和认识水平的影响。同时课堂教学时间有限,学生学习和研究活动无法全部在课堂中完成。因此,利用课余时间鼓励学生开展自主研究是跨学科实践课程的重要环节。

1.提前明确研究主题,指导学生分解主题并选择自主研究方向。

在教师向学生公布本次跨学科实践的主题后,可以指导学生将研究主题进一步细化为一级主题和二级主题,使研究问题具体化,引导学生将精力聚焦于自己感兴趣的问题。

“雾霾的危害、防护与治理”这节课的一、二级主题划分如下表:

一级主题 二级主题(1)雾霾的形成及特点(物理、化学、地理、气候)(2)雾霾对人体的危害及其作用机理(生物、物理)(3)雾霾给社会经济发展带来的负面影响(经济、社会)二、雾霾的防护一、雾霾的危害(1)个人防护方法与原理(物理、生物)(2)群体防护方法与原理(物理、环境)三、雾霾的治理(1)雾霾的成分、主要来源及空间分布特点(化学、工程、物理、数学)(2)雾霾的治理手段及其原理(化学、物理、环境、工程)

2.指导学生以个体或小组的形式通过观察、查阅、检索、归纳、假设等方式获取问题的相关信息,建立起对研究问题的初步认识。

3.指导学生结合物理和其他学科知识,对研究问题进行分析推理,必要时可以设计实验验证自己的猜想,对如何解决问题提出自己的看法。

4.指导学生撰写研究报告,对问题做出科学解释,提出解决方案。

学生提交的研究报告可以作为课堂上师生共同研究的素材,教师组织学生通过展示、汇报、质疑、答辩等方式对课前研究中存在疑问的问题进行交流讨论,形成思维碰撞,促进自我反思,提升认识水平。

学生提交的部分研究报告如图所示:

四、以提升科学思维和社会责任意识为重点的课堂教学设计

基于社会性科学议题的物理跨学科实践课程设计要突出学生的主体地位,通过一系列的研究任务和实践活动提升学生的科学思维水平和社会责任意识。

1.课程基本框架

教师在教学中提取学生自主研究报告中的关键信息和重要结论作为课堂交流讨论的素材,通过设问、反问、追问等方式推动师生间、生生间形成思维碰撞,鼓励学生追寻问题本质,生成解决方案。课程基本框架如下图所示:

2.课堂教学策略

为了顺利推进课堂教学进程,教师需要事先了解学生与研究主题相关知识的掌握情况,在课堂活动中引导学生给自己的结论和解决方案寻找证据和理论支持,适时进行换位思考,学会用不同立场和视角去分析问题。教师要精心创设情境、设计任务和安排活动,担任好引导和组织者的角色,在学生碰到困难时适时介入并协助他们突破困难。

与各个教学要素对应的教学策略见下表:

要素 教学策略情境创设 通过展示研究报告、海报、照片、视频、现场实验等方式,将学生带入到真实情境中活动设计立足于物理学科与其他学科的关联,将跨学科实践课题分解为若干驱动性任务,以研讨、推理、实验、交流等方式开展学习活动教师角色将课前研究报告转化为教学资源,通过师生对话、生生交流引导学生主动学习、深入思考,在学生研究遇到困难时给予适当的指导难点突破处理好知识建构与应用的关系,及时呈现学习成果,教学过程中的起承转合依托学生研究成果展开,及时肯定学生的独创性思维

3.课堂教学环节与活动设计

教学流程设计要遵循“从知识建构到认识深化,从实践应用到解决问题”的思路,将核心问题分解为若干具体问题,配以适当的情境、任务和活动,采用问题驱动的方式展开研究。

围绕“雾霾的危害、防护与治理”这一主题,可设计如下课堂教学过程:

教学过程教学阶段 教师活动 学生活动 设计意图引入:提出研究问题images/BZ_41_1207_807_1575_1024.png情境:雾霾天气场景展示:材料1:《北京市生态环境状况公报》——2021年空气质量首次全面达标材料2:雾霾发生时的场景材料3:央视节目《空气污染:健康的首要杀手》讨论:围绕雾霾我们可以 研 究 哪 些问题创设情境,体会研究雾霾问题必要性情境:雾霾天气场景材料:北京地区PM2.5来源示意图环节一:雾霾的形成与特点研究(知识建构)images/BZ_41_891_1266_1175_1485.png问题1:什么是雾霾,如何描述雾霾颗粒的大小问题2:形成雾霾的原因有哪些问题3:什么原因导致空气活动减弱问题4:雾霾颗粒在空中是如何分布的问题5:如何进行雾霾颗粒空间分布的模拟演示实验讨论1:什么是雾霾? 形成雾霾的原因是什么讨论2:雾霾颗粒在空中是如何分布的1.建构关于雾霾的基本知识,尝试从多学科角度分析2.体验理论分析和实验探究相结合的研究方法情境:PM2.5对人体的危害海报情境:高压输电中的“污闪”现象环节二:雾霾的危害研究(认识深化)images/BZ_41_700_1907_880_2224.pngimages/BZ_41_955_1930_1365_2224.png问题1:雾霾对人体会带来哪些危害问题2:雾霾为什么会导致近地层紫外线减弱问题3:雾霾会给社会经济带来哪些负面影响问题4:观看视频、分析讨论:雾霾对高压输电会有什么危害讨论1:雾霾给人的健康带来哪些影响讨论2:雾霾给社会经济会带来哪些负面影响1.引导学生通过自主学习补充跨学科知识2.体验用物理知识分析和解决社会性科学问题情境1:雾霾天佩戴口罩情境2:静电除尘演示实验视频环节三:雾霾的防护研究(实践应用)images/BZ_41_645_2593_1421_2812.png问题1:如何在雾霾天气做好个人防护问题2:口罩的过滤原理是怎样的问题3:公共场所如何去除雾霾颗粒问题4:高压静电空气净化器的原理是怎样的讨论1:口罩的过滤原理是怎样的讨论2:高压静电空气净化器的原理是怎样的1.通过科学推理分析静电在口罩过滤雾霾微粒时所起的作用2.通过实验探究,理解高压静电空气净化器的工作原理

五、关注研究过程和学习状态的多元评价方式

跨学科实践课程具有自主性、综合性、开放性的特征,得到正确的结果并非此类课程的唯一目标,因此不适宜采用定量化、结果导向的评价方式。要以质性评价为主,采用多元评价方式,将学生在自主研究中的主动学习状态、思维参与程度、知识的结构化程度、解决问题的能力、研究成果的规范性和科学价值、在研究过程中表现出的社会责任意识和家国情怀等作为评价要素,用过程性评价引导学生自主改进。

跨学科实践评价标准样例如下表:

评价内容 评价标准 得分学习主动性(20分)能在课前按要求展开自主研究,课堂上积极参与讨论,与其他同学合作学习研究能力(30分)能以多学科视角对研究问题进行分析推理、科学探究,能对现象和事实做出科学解释,对解决问题有自己独特的见解研究成果(30分)能在课前开展初步研究并提交课题研究报告,课后能对研究报告进行调整改进,研究报告具有一定的科学性和规范性社会责任意识(20分)具有一定的辩证思考和价值判断能力,在解决社会性科学议题过程中表现出责任担当和主动精神

社会生活中的真实问题往往涉及多个学科的知识方法,依托社会性科学议题开展跨学科实践是培养学生自主研究能力、系统思维和社会责任感的重要途径。选题时要关注问题的综合性、真实性、应用性,通过开展实践性、研究性学习活动,引导学生掌握科学研究的基本方法,提升解决复杂社会性科学问题的能力。