基于核心素养培养的跨学科实践研究

2024-01-08马伟远

物理教学探讨 2023年12期

马伟远，陈瑜，王璐

1.南京信息工程大学教师教育学院，南京 210044

2.南京信息工程大学附属中学，南京 210044

3.南京师范大学物理科学与技术学院，南京 210023

《义务教育物理课程标准（2022 年版）》增加了“跨学科实践”这一一级主题，该主题包含“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”三个二级主题［1］，该变化的目的是发展学生跨学科运用知识的能力、分析和解决问题的综合能力、动手操作的实践能力［2］。以知识应用为目的的跨学科实践，要求学生掌握某一物理知识时，经过调研、考察、设计、加工、实验与制造等一系列活动，从而运用多学科知识解决具体问题。本文以杠杆模型和气压差模型对呼吸模型以及饭盒提升装置进行设计为例，尝试开展基于核心素养培养的跨学科实践设计、实施以及评价的研究。

1 开展跨学科实践研究的意义

1.1 还原人类实践活动，发展学生核心素养

在学科本位背景下，学生形成物理概念、建构物理模型、掌握物理规律，但对于产生物理概念的背景、模型的建立以及规律的论证等的理解存在不足，从而不能将所学知识有效用于解决实际问题过程之中。如何设计与实施实践性作业，以有效促进学生关键能力的提升，成为物理教师必须关注的问题［3］。学生通过探索、应用物理模型，立足物理，还原生活，可以促进其学科核心素养的发展［1］。

1.2 运用跨学科知识，培养解决实际问题能力

跨学科实践是基于问题解决的一种教学方式，物理跨学科实践侧重于同时运用物理、化学、生物、地理等学科知识去解决同一个问题。解决问题的能力主要体现在：能找到影响活动成效的因素；能运用简单模型解决问题；能运用物理方法对跨学科问题进行推理，得出结论；能独立思考，提出自己的见解等。

1.3 开展跨学科实践，培养创新型人才

通过分析和挖掘物理与其他学科的内在联系，整合相关内容，提炼跨学科概念，精心选择和设计让学生感兴趣的研究内容，让学生在分析问题链或完成任务串中发展跨学科核心素养［4］。跨学科实践让学生从不同的学科起点跨界，形成跨领域意识，这样更有益于创新型人才的培养。

2 开展跨学科实践的研究思路

2.1 寻找关联点，确定实践目标

教师通过钻研课程标准、梳理课程逻辑以及与不同学科教师开展教研，发现本学科中学生掌握有难度并且与其他学科有交集的教学内容，引导学生运用跨学科学习的方法掌握知识。在学科与学科之间、学科与生活之间寻找知识的关联点，生成探究主题，确定实践目标。

2.2 创设真实情境，确定实践任务

将上述探究主题迁移到真实生产、生活、社会情境中，其实质是在还原人类认识世界的实践活动。例如，在“电流的磁效应”一节中，可以开展自制电磁锁实践活动，学生对电磁锁有一定的真实体验，结合物理学科的特点和学生的探索兴趣，教学中就可以设计如下的实践任务：你了解每天进出校园的电磁门锁是如何工作的吗？你能利用身边的日常物品设计出一个简易电磁锁吗？学生以小组为单位进行研究调查，在调查过程中实践，在实践过程中思考。这样的实践任务基于真实的情境，容易激发学生的内在学习动力。

2.3 聚焦实践任务，设计驱动问题

学生在面对跨学科实践任务时，通常会难以入手。这就需要教师在设计问题时从学生角度出发将抽象、深奥的问题转化为学生感兴趣、能理解的问题，既激发了学生的学习内驱力，同时又能提供探究的方向。

2.4 助力方案设计，推动产品制作

在真实情境中，学生在驱动性问题导向下，结合物理和其他学科知识，以小组合作的形式设计实践方案，并制作相应产品，实现知识的迁移和运用。

2.5 进行综合评估，展示实践成果

综合评估学生对实践任务的理解程度，评估学生实践的完成度，产品的效益性、创造性。通过评价，学生对跨学科实践会有更明晰、深入的认识。

3 开展跨学科实践的学习设计与实施

下面分别以教材中“人的呼吸”、饭盒提升装置这两个主题为例，阐述跨学科实践的学习设计与实施。

3.1 呼吸运动中的杠杆模型及气压差模型

3．1．1 寻找关联点，确定实践目标

在学习“人体和外界环境的气体交换”一节时，七年级的学生尚未接触到物理力学的知识。通过与生物老师交流，笔者发现学生对呼吸运动中肋间肌、膈肌收缩、舒张引起肋骨的运动及胸腔的变化并不理解，对气体的运动也仅仅只是依据吸气、呼气来辨别，并没有掌握气体运动的物理原因，其结果只能是机械记忆。肺的呼吸与人的生活和健康息息相关，能够学以致用才是育人的真正目的。初三学生已经学习了气体压强、杠杆原理以及关于弹力、重力的知识，在跨学科实践的理念下，让学生运用物理知识来设计模型，可以帮助学生进一步理解该知识点，领悟健康生活的生命观念及相应的社会责任感。

3．1．2 创设真实情境，设计驱动性问题

问题1：请同学们深呼吸，思考气体是通过什么路径进入你的身体的？

问题2：请同学们再次深呼吸，感受胸腔的体积是如何变化的？

问题3：引起胸腔变化的原因是什么？胸腔体积增加，空气能够进来的原因是什么？

问题4：引起肋骨运动的原因是什么？你能用物理的知识去设计模型分析呼吸运动吗？

通过设计问题串，让学生在研究呼吸的过程中充分挖掘物理学科知识，用物理学科知识解释引起呼吸运动的原因。本节课的融合点就在于让学生利用物理杠杆知识和弹力知识自制杠杆模型模拟膈肌和肋间肌的收缩、舒张引起肋骨的运动，从而改变胸廓的容积，再利用物理中压强的知识帮助学生制作呼吸过程中膈和肺的变化示意模型，增强学生学习的能动性、实践性。

3．1．3 制作杠杆模型和呼吸模型，模拟肋骨运动和呼吸运动

学生在九年级《物理》中学习杠杆知识时，知道人的手臂和手腕都是一个绕关节转动的杠杆，它们都依靠肌肉伸展与收缩时产生的动力而转动，该知识可以为学生设计肋骨的杠杆运动模型提供启示，同时将物理知识迁移到生物呼吸系统的学习中，让学生意识到两个学科的内在联系。

学生在八年级《物理》中学习弹力时，教材中定义弹力为物体发生弹性形变后，力图恢复其原来的形状而产生的力。肌肉收缩与伸展发生的都是弹性形变，肌肉连接着骨骼，从而对骨骼产生一个弹力，成为骨骼运动的动力。

接下来，借助于堵住易拉罐和推拉针筒实验，帮助学生研究气体压强和体积的关系。当学生理解气体压强与体积的关系后，此时可以补充一个关于肺和胸腔的拓展知识，即肺是胸腔的邻居，当胸廓容积增大时，胸廓与肺之间的体积增大，气压减小，在压力差的作用下，肺扩张，体积也随之变大，体积变大导致肺内气压变小，当肺内气压低于外界气压时，从而更多的气体在大气压力的作用之下进入肺内，这就是吸气的过程。反之就是呼气的过程。

学生以小组合作的形式，利用身边的物品，设计出各种杠杆模型来演示肋间肌、膈肌的收缩引起的肋骨的变化，以及肺呼吸模型。作业的形式与以往笔头作业并不相同，学生表现出了极大的热情与参与度。学生的想象力是无穷的，有的用筷子、木条、吃完的羊骨头、塑料杯、灯笼骨架等来模拟肋骨；有的用橡皮筋、弹簧、干的水晶泥来模拟肌肉中肌腱的收缩与舒张；有的用塑料杯、矿泉水瓶来模拟胸腔，用橡胶手套上的皮或者大气球的皮模拟膈肌，用塑料吸管或者医用塑料三通管模拟呼吸道，用两个小气球来模拟肺。为了保证良好的密封性，许多学生在父母的帮助下使用了热熔胶枪。图1 和图2 分别是学生设计的杠杆模型和呼吸模型。

图1 木条与羊骨模拟肋骨

图2 两个小气球模拟肺

3.2 饭盒提升方案中的模型

3．2．1 寻找关联点，确定实践目标

苏科版《简单机械和功》一章的综合实践中，让学生设计一个机械模型，在新课标理念的启发下，笔者尝试将工程实践融入到物理课程中，旨在让学生在物理环境中体验完整的物理思维过程，更好地建立公式与物理过程之间的联系［5］。培养学生运用物理知识去解决问题的能力以及敢于实践、敢于创新的精神，同时具备一定的工程素养。

3．2．2 创设真实情境，设计驱动性任务

在学习初中物理相关知识后，让学生思考如何设计一个实用的机械模型，它由两个或两个以上的简单机械组合而成，应有一定的实用功能，如提高重物、牵引物体前进、完成某些需要的动作等，从而达到省力提升重物的效果［6］。此时，如果创设一个有实际工程意义的问题情境，学生会更加积极主动地参与到模型的设计与制作中去。笔者所在学校因为没有安装电梯，需要工作人员将饭盒提升到不同的楼层，供学生在教室就餐。因此，学校以招标方起草了一份邀请招标文件，希望初三（7）班的学习小组充分运用物理学中简单机械和功的知识设计出饭盒提升的方案并制作出相应的模型。邀请招标文件中包含了投标邀请公告、投标人须知事宜、合同格式及条款、评分标准、投标文件等。其中，评分标准从价格和技术思路两个维度制订，技术思路包含了模型的省力情况、机械效率、稳定性、安全性、新颖性、美观性、环保性及团队展示合作时的整体表现等，这对学生产品的设计和制作给出了参考和方向。

3．2．3 标书设计和制作提升装置

学生在本章已经学习了杠杆、滑轮、斜面等简单机械和功的知识，同时又了解了吊车、绞车、塔式起重机等建筑机械。因此，老师鼓励三个学习小组象征性地购买标书，并在两周内设计并制作出饭盒提升装置，同时递交投标文件。

学习小组领取到招标文件后，结合自身的能力优势和兴趣特点先分工，制订工程实践的方案，方案中包含小组人员的分工、时间地点的安排、成果的呈现形式等。

如图3 是学生最终设计并制作出的三个提升模型。