跨学科实践的进阶化设计
——以“流体压强与流速的关系”为例
2024-01-08王佳宁吴苏徽孙锦如
王佳宁，吴苏徽，孙锦如，王 强
扬州大学物理科学与技术学院，江苏 扬州 225009
受“学科本位”“知识本位”等传统教学思想的影响，学生会慢慢失去主动思考和实践的能力，从而不能真正做到“学以致用”，难以发展其物理综合素养。基于此，《义务教育物理课程标准（2022 年版）》将“跨学科实践”作为课程内容纳入了一级主题，并提出“注重培养学生在真实情境中综合运用知识解决问题的能力”［1］，这实际上设定了跨学科主题学习的目标。
跨学科学习具有以下特点和要求［2］：（1）在多学科交叉中形成综合知识，兼顾学习的宽度和深度；（2）关注学科关联，同时坚持学科立场；（3）面向真实问题的解决，学习过程与社会生活相关联；（4）合作学习和探究活动；（5）注重跟踪评价，凸显成长历程。要培养学生跨学科综合能力，教学中需要坚持情境的真实性和活动的开放性，学生则需要经历知识、能力和认知的逐步进阶过程。
本文以苏科版初中物理气体压强章节中的“流体压强与流速的关系”为例，基于学习进阶理论进行跨学科实践活动的进阶化设计。
1 学习进阶理论
学习进阶理论认为，学习是一个不断发展的过程，学习过程中学生的认知发展是会“进阶”的。通过一个个连接学习终点和起点的“阶梯”，实现思维和能力上质的飞跃［3］。那么，如何在跨学科实践中设置这些“阶梯”？这需要基于知识本身的逻辑结构，关注学生能力和认知发展过程的协同关系，精心设计一系列有利于学生综合能力循序进阶的“脚踏点”［4］。认知发展主要是指学习、思维和情绪等深层次、内隐性能力的发展［5］。
2 进阶分析
2.1 基于学情，分析进阶起点
2.1.1 知识起点
（1）学生已经掌握了压强的定义，了解了液体内部压强的特点，知道大气压强；
（2）之前液体和气体压强的定义是在“静止”前提下提出的，学生缺乏对流体压强的感性和理性认识。
2.1.2 能力起点
（1）经过前期对力和压强的学习，学生有一定的理论基础和实验能力，思维能力得到一定的发展。
（2）缺乏对流体现象的细致观察力、模型建构能力和抽象思维能力。
（3）缺乏综合应用所学知识解决实际问题的能力和工程实践能力。
（4）缺乏联系物理与生活、社会和工程的能力。
2.1.3 认知起点
（1）学生对物理实验充满兴趣和好奇心，愿意参与活动。
（2）缺乏深入思考问题的恒心和主动探究的意识。
2.2 预设进阶目标，搭建进阶层级
从物理学与日常生活、物理学与工程实践、物理学与社会发展三个维度出发，按照知识、能力和认知进阶的层级目标要求，充分应用“流体压强与流速的关系”的教学素材，搭建进阶层级，设计跨学科实践活动，来逐步提升学生跨学科学习的综合能力。进阶层级设计如图1 所示。
图1 进阶层级设计框图
3 跨学科实践活动过程
在活动设计中，教师需要注重学生知识、能力和认知进阶的发展性，注重教学环节设计的系统性。下面，以知识进阶为主线，描述能力和认知进阶的具体过程。在进阶过程中，兼顾生活、社会与工程三个维度，最终指向学生跨学科学习综合能力的提升。
3.1 进阶层级1——流体概念的建构
这一层级是基础的和必要的。具有流动性的液体或者气体称为流体；流体具有流速，这是显而易见的。例如，生活经验中的“顺流而下”。如何让学生定性且正确地感知流体压强呢？学生平时的生活经验是：大风更容易把房门吹开，是“空气流速越大，压力和压强越大”的直接证据。这其实是对流体压强的严重误解。当物体“表面”的流体高速流动时，流体会对物体的表面施加压强，这才是“流体压强”，它并非源于流体对障碍物的正面冲击。
（1）创设问题情境：汽车在马路上飞速行驶时，可以看到地面上的落叶飞起来并向汽车靠拢，这是为什么呢？
（2）引导学生猜想：汽车带动气体快速流动，可能导致靠近汽车侧上方的流体压强和压力变小，其他地方的压力使得落叶飞起并向汽车靠拢。让学生感受到流体的压强与流速之间应该存在密切的关系。
3.2 进阶层级2——流体压强与流速的关系
3．2．1 在活动中感受、描述并解释现象，参与活动并发展形象思维
（1）创设问题情境：展示高铁站黄白色安全线的图片（图2），提问设置安全线的原因。
图2 高铁站的安全线
（2）引导学生猜想：高铁运动，改变了周围气体的流速，可能改变其压强。
（3）模拟活动：组织学生进行实验——“吹纸片”（图3，源自人教版《初中物理》），来模拟高铁的运动情境。从两张纸片中间向下吹气，观察两张原本平行放置的纸片的运动情况，发现两纸片相互靠近。
图3 吹纸片实验示意图
（4）类比分析：离运动高铁较近的地方空气压力小，而离运动高铁较远的地方压力大，压力差可能把人“推向”高铁，这就是高铁站设置安全线的原因。
设计意图：选取生活中与“流体压强与流速的关系”相关的情境，引导学生猜想；再通过模拟实验验证猜想，引导学生描述并解释实验现象，培养学生的科学思维及表达能力。此设计可以增强学生的安全意识，让其关注社会生活并在生活中感受物理知识。参看图1，这一环节主要对应能力层级1 和认知层级1，模拟过程兼顾能力层级2。
3．2．2 在活动中模拟还原真实场景，提升探究意识
（1）创设问题情境：1912 年“奥林匹克号”轮船与“豪克号”巡洋舰并排疾速行驶，产生了“船吸”现象，并酿成一起重大海难事故。产生“船吸”现象的原因是什么呢？
（2）引导学生猜想：类比高铁进站情境，猜想“船吸”现象可能源于“流体压强与流速的关系”。
（3）模拟场景探究：组织学生利用简单器具（盆、瓶盖、吸管和水）模拟实验验证猜想（图4）。
图4 “船吸”现象实验模拟
（4）理论分析：引导学生应用所学知识解释实验现象，得出海难发生的原因，即两船之间流体速度大（为什么），压强就小，使得两船不自主地靠近。
设计意图：让学生经历“猜想—验证—结论”的过程，加深对“流体压强与流速的关系”的理解。让学生明白两船并排行驶、后船追越前船等行为须遵循航行规章制度，才能保证航行安全。参看图1，这一环节对应能力层级2 和认知层级1。
3．2．3 还原古诗词中的物理场景，提升抽象思维能力
（1）创设问题情境：回忆杜甫《茅屋为秋风所破歌》中的诗句“八月秋高风怒号，卷我屋上三重茅”，风能卷屋上三重茅的原因是什么？
（2）引导学生猜想：结合所学的流体压强与流速的关系，思考并讨论。
（3）模拟场景制作：指导学生还原“卷我屋上三重茅”场景。用纸箱制作房屋，铺上拉菲草模拟屋顶茅草，用吹风机模拟秋风（图5）。
（4）探究与分析：引导学生逐渐改变风力和风向，观察屋顶上“茅草”被风卷起的情况，研究什么样的风能轻易“卷我屋上三重茅”，最终得出定性结论。
设计意图：一方面，让学生自主动手模拟还原诗词中的场景，培养学生基本的动手实践能力。另一方面，让学生感受古诗词中蕴含的物理原理，培养其对中国古文化的科学理解。参看图1，这一环节对应能力层级2 和认知层级2，兼顾能力层级3。
3．2．4 进行作品设计和制作，提升工程意识和抽象思维能力
（1）创设问题情境：飞机很重，但它却能飞上天，飞机升力源于什么？
（2）引导学生猜想：给出机翼的横截面（图6，源自人教版《初中物理》），引导学生观察其形状，用“流体压强与流速的关系”来分析飞机升力产生的原因。
图6 机翼的横截面
（3）模拟工程制作：指导学生绘制设计图，完成机翼的模拟制作，并把机翼放上架子，用吹风机吹风，观察机翼的运动情况（图7）。
图7 机翼模型
（4）合作探究：引导学生使用控制变量法探究制作机翼材料、机翼形状、机翼仰角等因素对机翼上升效果的影响［6］。
设计意图：让学生自主动手进行有一定难度的工程设计与制作，发展其动手实践能力。引导学生科学探究，体会控制变量法的运用，进一步发展其分析和解决实际问题的能力。参看图1，这一环节对应能力层级3 和认知层级2。
3．2．5 进行较复杂的工程设计和制作，敢于迎接挑战
具体流程如下：（1）指导学生查阅滑翔机制作的相关资料；（2）指导学生确定滑翔机的制作方案和设计稿；（3）指导学生完成简易滑翔机的制作与试飞；（4）指导学生根据试飞效果改进设计；（5）安排学生汇报展示；（6）组织学生相互提问。
设计意图：通过查阅资料，培养学生获取有效资源的能力；通过自制活动，进一步培养其工程设计能力和动手实践能力；通过展示评价，培养学生的表达能力；通过学生间相互提问，提升学生的交流论证能力［7］。参看图1，这一环节对应能力层级3 和认知层级2，兼顾能力层级4。
3．2．6 阅读课外资料，深入体会物理学与科技发展的联系
选取与“流体压强与流速的关系”相关的飞行器阅读材料，从莱特兄弟的飞行者1 号开始，了解飞行器的发展历程，并了解国产大飞机C919，让学生体会科技进步对社会发展的影响。
设计意图：体会物理与社会发展的密切联系，让学生树立学习强国、科技报国的信心与决心。参看图1，这一环节对应能力层级4 和认知层级3。
3．2．7 在评价中发展跨学科综合能力，拓展认知视野并提升责任感
跨学科实践能力的发展是一个循序渐进的过程，所以应该注重跟踪评价，凸显学生成长历程。参考跨学科实践评价建议［8］，收集学生实践过程中的行为表现和活动成果，合理评价跨学科实践活动效果。评价内容包括：课堂表现、问题解答、作品设计、模型制作与展示、阅读调研报告、总结汇报交流等。
在评价环节，需要在注重学生知识、能力和认知层级发展的同时，兼顾生活、社会与工程三个维度上跨学科学习能力的提升。参看图1，这个环节对应能力层级4 和认知层级3，具体评价指标如表1 所示。
表1 基于学习进阶的跨学科实践能力评价
4 结 语
跨学科主题学习与传统学习相比，综合性和开放性更强。基于学习进阶理论进行教学活动设计，注意创设真实情境，通过环环相扣、循序渐进的实践活动，学生的理解能力和认知水平逐级进阶，跨学科综合能力得到有效提升。
