融入科學技術史的物理跨學科實踐教學設計

聶銅鍵 袁海泉

摘? ?要：根據國內外對跨學科理論探索與實踐經驗，設計以核心素養為導向的課程目標，關注真實且富有挑戰性的跨學科實踐情境與任務，以古代的發明創造走馬燈為載體，帶領學生思考跨學科知識運用背景下的走馬燈創意設計，為基于物理的跨學科實踐教學提供參考。

關鍵詞：跨學科實踐；科學技術史；核心素養；初中物理

跨學科教學的概念是相對于分科教學的，分科教學已然是人們熟悉的教學形式，它可以讓學生更好地掌握某一學科領域內的知識內容，形成體系化的認識。但與此同時我們也要注意到其不足，分科教學有可能會導致學生看待知識的視角變得狹隘，深度有了，卻喪失了廣度，人為地隔絕了學科之間縱橫密切的關系。美國2013年制定的《下一代科學教育標準》中就已經將跨學科學習（Crosscutting）作為與實踐（Particles）和核心概念（Core ideas）并列的學習科學學科的三個維度，認為跨學科概念可以幫助學生形成對于周圍世界的連續且基于科學的觀點，強調跨學科教學具有的潛在價值也許是改革目前教育的一劑良藥，為學生提供跨學科內容、不同領域的聯系和知識，可以豐富他們對實踐的應用和對核心思想的理解，提升核心素養[ 1 ]。我國新頒布的義務教育課程標準也強調了跨學科實踐教學的重要性，指出應設立跨學科主題學習活動，加強學科間相互關聯，帶動課程綜合化實施，強化實踐性要求。物理跨學科實踐立足于物理學科教學，將實際問題融入到教學情境中，強調學習和應用相關科學知識和數學工具，通過改進和創新技術方法來解決某一具體問題，從而達到提高學生綜合學習能力的目的[ 2 ]。本文的教學設計將跨學科實踐與中國悠久的歷史相結合，以科學發展融入生產生活的科學技術史為出發點，以核心素養思想指導下發展學生跨學科運用知識的能力、動手操作的實踐能力為目標，讓學生在探究實踐的過程中了解中華民族的悠久歷史，發展核心素養，培養學生的愛國情懷和問題解決的能力。

1? 設計依據

科學技術史是人類研究認識自然、改造自然歷史的科學。它以科學發現與技術發明過程，以及發明、發現的社會條件作為研究對象，是自然科學史與技術史相交叉形成的綜合性學科。我國的科學技術史繁榮發達，自古以來各種發明創造層出不窮，如著名的冶鑄、四大發明等。基于我國科學技術史設計跨學科實踐，可以使學生體會物理學對人類生活、工程實踐和社會發展的影響，樂于思考和實踐，勇于探索，增強愛國意識和可持續發展的責任感。

義務教育課程標準（2022年版）新設立跨學科實踐為課程內容一級主題，強調注重學生經歷活動過程，強化情感價值體驗，提出以素養為導向，設計切實可行的教學實踐活動，加強學科間相互關聯，帶動課程綜合化實施，注重對價值體認與踐行、知識綜合運用、問題解決等方面的培養與考察[ 3 ]。跨學科實踐的教學過程，是一種在多學科融合下，對創造性思維、發現及解決問題的能力以及創造性想象力等方面的培養過程。學生在物理教師的帶領下進行跨學科實踐，不僅要充分理解物理學科的基本知識與核心概念，還要綜合運用其他學科的方法和技術來解決實踐中出現的真實問題，學生在實踐過程中不斷學習、主動探索，將理論與實際有機結合，真正實現“做中學”[ 4 ]。

走馬燈最早在秦漢就出現于我國歷史，文學中有許多提及，如辛棄疾的《青玉案·元夕》中以玉壺光轉形容走馬燈。其在科技發展史上也具有意義，是我國古代第一個利用熱力使一個軸帶著其他的附件轉動，是能帶動另一組件規律運動的發明，原理如圖1[ 5 ]。它可以看作是近代以來才真正達到成功應用的燃氣輪的始祖。以對我國科學技術史為源頭，引入到對走馬燈的藝術層面和技術原理層面的討論探究，進一步引導學生討論，以多學科、跨學科的視角，思考走馬燈中的動力系統，如何綜合運用學科知識，達成一個統一的目標：帶動走馬燈轉起來。不管是利用基于物理原理的方法（如經典走馬燈中的熱力系統），還是綜合運用多學科知識，在實踐中，在解決問題的過程中實現跨學科實踐教學的育人目標。

2? 跨學科實踐活動設計

教師利用融合了科學技術史的探究活動展開教學，開展基于實踐制作活動的跨學科實踐教學活動。下面以“創意設計走馬燈”為例，說明融合了科學技術史的跨學科實踐教學的階段流程，如圖2所示。

教學實踐中的具體活動和學習目標設計見表1。

3? 跨學科實踐活動的實施

3.1? 興趣階段：從探索興趣轉向認知興趣

學生起初就對于實踐活動充滿興趣，教師利用學生對于實踐活動積極性高的特點，及時將學生的興趣引導至項目和探究方面。在課前，教師向學生布置自主探索走馬燈并作主題匯報的任務，激發學生自主探索的興趣，以主題匯報為驅動力。

在走馬燈的主題匯報中，學生各顯神通，找來各種各樣的歷史資料，其中蘊含豐富的歷史與語文知識內容，也不乏科學知識并解釋其中蘊含的科學原理。在這個過程中，教師要做的是補充完善學生的匯報，對學生的勞動成果充分肯定，激勵學生，在這個過程中，將學生對于探索未知的興趣，轉入對走馬燈原理的認知興趣。基于對走馬燈原理的認識，引導學生思考如何以綜合運用多學科知識的角度讓走馬燈轉動起來？是否可以實踐制作？

3.2? 實踐階段：從科學探究到解決問題的動手實踐

（1）科學探究階段

通過學生討論，各種各樣的方案被提出，教師引導學生提出方案，分析方案的實踐可行性是本教學設計的重點內容。基于提出的跨學科應用的主題，在整個班級集體討論的氛圍下，不同學科的知識與概念通過教師的引導在學生的思維中來回流轉。跨學科實踐的教學重點不在于具體教學內容的聚焦，而應該重視在實踐過程中培養學生分析問題、解決問題能力的培養。如一位學生匯報了關于水果電池驅動小馬達來帶動走馬燈的方案，出發點為從化學課中了解的水果電池。教師提出問題：水果電池提供的電壓是否足以驅動小型馬達呢？針對這個問題，向學生進一步提出，如何才能通過查詢相關資料來解決這個問題？通過集體討論得出，應該查詢兩個參數，一是一般的水果電池能夠提供的電壓為多少，二是能夠買到的小型馬達的驅動電壓為多少。確定問題后，教師當堂查詢兩個參數，得到數據：一般的水果電池能提供的電壓在1 V左右，而在網絡上能購買到的各類小馬達的驅動電壓在3 V左右。因此，基于探究和證據，否定了這個方案。

在這個過程中，許多學生還提出為什么不同水果做的電池電壓會不同，為什么電壓不足小馬達就不轉，小馬達的原理與結構是怎樣的等問題，若有余力，教師可針對這些問題進行簡單的講解，充分落實課標提出的加強學科間相互關聯，帶動課程綜合化實施的要求，通過知識綜合運用解決問題來培養學生核心素養。

雖然課堂上創意不斷，但大多最終在實踐制作上總有各種困難，如某小組提出的小倉鼠的跑動轉輪驅動方案，大家對此非常感興趣，卻對設計連軸轉動系統一籌莫展，因此沒有實踐這個方案。大部分小組最后的方案設計都基于電動力驅動走馬燈旋轉的方案，此方案的優點在于實際操作性較強，對整體機械機構的設計較容易，只需一個轉軸系統即可，電路元件則較容易獲取和進行設計與組裝。

（2）動手實踐，解決問題

教師需在課前查閱相關資料，并咨詢相關專業人士，在教學實施前自己制作出一個電動力驅動走馬燈。同時考慮到課上時間問題，特意定制了一些部件半成品，避免木工制作耗費時間過長，以此對制作過程進行一定的簡化。雖然制作的開放性會降低，但可行性大大提高了。嘗試幾種不同的制作方案后，教師確定了材料的選擇和主要制作步驟，并將可能遇到的問題大致羅列出來，以便帶領學生探究問題以及更好地指導學生完成制作。

學生在制作的過程中遇到了很多問題，例如“馬達轉速過快導致轉軸不能承受”等，教師引導學生從物理學的視角審視問題，經歷與上述問題解決類似的過程，學生不僅利用物理知識解釋了事實現象，也在物理知識的指導下克服了實踐中的諸多困難。最終，解決多個實際問題后，各小組完成了制作。

學生感悟：“將方案落實，動手實踐的過程是一個不斷發現問題、解決問題的過程。”有學生表示，“實踐是檢驗真理的唯一標準，不親身經歷過就無法想象可能遇到的問題，雖然已經盡力簡化設計，努力提高方案的可操作性，但實際制作中仍有不少困擾，通過靈活運用所學到的知識解決問題，提高了我們的思維能力。”“在動手制作前的方案設計和分工非常重要，后面的工作能否順利進行，問題能否順利解決都依賴是否有提前的準備。在設計方面的用心能極大地提高工作的效率”。

由此可見，學生在設計方案和落實方案的實踐過程中，不僅深化了對課上所講的知識的理解，鍛煉了科學思維模式，實現了知識的遷移和應用，更培養了學生問題解決、技術應用、自我管理等核心素養。

3.3? 評價階段：項目成果展示與評價

學生分組匯報，展示成果，說明本組的設計巧思，團隊配合與分工及遇到的問題和問題解決過程。教師對工程進行結項點評，引導學生提出適當的建設性改進意見，實施多元化評價。為落實豐富跨學科教學實踐的評價內容與評價維度的要求，教師制定評分表進行量化打分，作為最終評定優秀項目的依據，如表2。應注意表2的打分不是在最后一蹴而就的，而是追蹤整個教學過程，全面而整體的進行打分，如設計巧思部分的打分主要依據在階段2和階段3的表現。問題解決部分的打分主要依據在階段3、階段4的表現。教師要重視評價的客觀中肯，確保教、學、評的一致性。最終打分應參考義務教育課程標準中對跨學科實踐的學業要求與教學提示部分，符合課程標準，落實課標要求。

4? 教學反思與改進

隨著新義務教育課程標準的頒布，跨學科實踐將逐步落地實施，最終呈現怎樣的面貌還不得而知。為了促進跨學科教學實踐順利落實，積極地進行教學反思與改進是促進跨學科教學實踐正向發展的必行之策。教師在實施跨學科實踐教學過程中以及教學完成后，應根據課堂觀察、學生反饋，對自己的教學過程進行回顧思考，尋找教學的改進點。進一步通過反思，教研組研討，專題學習等方式優化教學設計，豐富教學策略。當前的研究認為，教學反思是教師專業發展的核心要素，尤其是針對新提出的跨學科實踐教學要求。珍惜實踐教學機會，重視反思，以更好地適應新課標對教師提出的新要求。

經過對教學過程的反思，“多學科創意設計走馬燈”跨學科實踐可在以下幾個方面進一步完善改進：一是壓縮課時要求，目前的課程設計不計算課下的任務布置，需要兩個課時。這對于只占百分之十的跨學科實踐課程來說，實施起來時間跨度較長。可進一步精簡壓縮為一課時內容，課上著重于綜合化的指導，課下用于“工程”的實施。二是，靈活點評對教師的知識儲備水平要求較高，應加強與化學、生物等其他學科教師的聯系溝通，尤其是綜合實踐活動課和勞動課的教師，與其協調配合是高效落實跨學科實踐的一個好方法。三是教學評價方面，除了進一步完善教師評價的專業性與客觀性，發揮評價育人功能外，應加強學生互評環節，讓學生也參與到對其他小組工作的評價中，互相學習借鑒。四是在實際動手操作方面，通過學校資源為學生提供更多的原材料與技術支持，如3D打印設備和完成度適中的實踐原材料，培養學生模型設計與機械加工能力，給學生更加開放的平臺，讓他們的創造力自由發揮。

參考文獻：

［1］ 熊國勇.美國《下一代科學標準》核心內容與特征分析[J].基礎教育，2016，13（2）：97-103.

［2］ 范文翔，張一春.STEAM教育：發展、內涵與可能路徑[J].現代教育技術，2018，28（3）：99-105.

［3］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022 年版）[M].北京：人民教育出版社，2022.

［4］ 裴鈺鑫，汪惠芬，李強.新工科背景下跨學科人才培養的探索與實踐[J].高等工程教育研究，2021（2）：62-68，98.

［5］ 魏司琪，馬川月，姜成果，等.創新型走馬燈的設計與實現[J].科技創新導報，2019，16（36）：97-99.