跨學科視角下的物理數字化教學設計

楊國平 劉信生

《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》明確提出了“加強課程綜合，注重關聯”的基本原則，同時要求各門課程將不少于10%的課時用于跨學科主題學習。《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）將跨學科實踐作為義務教育物理課程內容的重要組成部分，以加強學科之間緊密聯系來彌補單一學科教學的不足，旨在提煉現實世界中的真實問題，引導學生自主實踐與學習探索，提升分析、解決問題的能力，培養批判性思維與創新能力。將跨學科實踐作為義務教育物理課程內容的五個一級主題之一，是課程改革的重點和亮點。筆者在信息技術支持下，開發數字化創新實驗平臺，以“人體中的杠桿、預防中學生頸椎勞損”跨學科實踐活動為例，基于主題任務驅動設計理念與流程，促進物理與生物學科融合、與工程技術融合、與社會發展融合，優化教學方式、方法，實現跨學科實踐教學素養目標與價值。

一、問題的緣起

跨學科實踐指教師基于兩種及兩種以上的學科核心概念和能力，以整合的方式在各學科之間建立聯系，指導學生將在不同學科中學到的知識、技能和態度整合到一起，并且在解決問題的過程中加深對項目主題的理解，最終實現心智轉換，創造出新成果。課標要求教師在開展初中物理教學時，摒棄低端重復，機械式講知識、記知識、套知識與練知識的舊觀念；在具體的主題任務下促進從知識到能力與素養的轉化，設立跨學科主題學習活動，強化學科聯動；堅持學科知識整體性、綜合性與遷移性，引導學生從碎片化、零散的知識記憶向知識網絡的體系建構跨越。當今大數據、人工智能等信息技術快速發展，數字化教學正在為跨學科實踐賦能。如何在主題任務驅動下開展教學，實施好占總課時10％的跨學科實踐課程，革新教學觀念與方法，讓學生基于已有認知來探究真實物理問題，提高核心素養，以此撬動其他90％課程的教學方法改革？這是需要教師破解的時代命題。筆者結合案例開展跨學科實踐活動，不斷升級迭代，引導學生高效、自主學習，提高綜合能力。

二、跨學科實踐活動的設計理念與設計流程

（一）設計理念

筆者落實物理課改精神，設置恰當的跨學科實踐活動主題，優化項目設計、任務驅動、主題活動、實踐探究、感悟反思等環節。以物理教材和現實生活為藍本，筆者設計系列創新實驗案例和作品制作等內容，將實驗活動與解決情境中的實際問題結合在一起，以有價值的、真實的主題為突破口，開展跨學科實踐活動，促使學生在多學科知識理解、科學技術改變人類生活、應用科學進行生活決策、深化對科學研究方法的認識等方面獲得顯著提升。

（二）設計流程

課標中一級主題跨學科實踐包含三個二級主題，即“物理學與日常生活”“物理學與工程實踐”“物理學與社會發展”。筆者立足物理學科，在整合學科內容的基礎上，統籌設計綜合課程，在真實問題情境下開展跨學科主題學習活動，凸顯課程協同育人功能。筆者將“人體中的杠桿、預防中學生頸椎勞損”這一實際問題作為研究主題，建構動畫模型，實現物理與生物學科融合；建構杠桿模型，實現與工程技術融合，指導學生設計數字化創新實驗操作裝置，探究頸椎病的形成機理；將科學知識與社會發展融合，讓學生查閱資料尋找頸椎病的防治方法。按以上思路，筆者設計了教學流程（如圖1）。

三、任務驅動下的跨學科實踐案例分析

黃恕伯強調，教師開展跨學科實踐活動，應立足于物理學科自身，讓學生在熟練掌握所學的物理概念和方法的基礎上，“跨出”學科視野。筆者將物理學科知識與二級主題中的三個要素結合起來，基于現實問題，引導學生質疑與創新，激發創造力。基于物理的跨學科實踐教學宗旨：一是幫助建立物理觀念；二是訓練科學探究能力；三是提升科學思維能力；四是培養科學態度與責任。筆者以初中物理杠桿模塊中“人體中的杠桿、預防中學生頸椎勞損”教學為例，應用數字化傳感器裝置開展跨學科實踐活動。

（一）物理與生物學融合

在學習“杠桿的分類”內容的基礎上，學生提出“人體中杠桿的結構”專題。學生探究此專題涉及如下知識：人體骨骼、關節與肌肉的組成，以及通過人體肌肉的收縮與舒張帶動骨骼運動等生物學原理。筆者帶領學生抽象出杠桿模型，立足于物理，“跨入”生物學中。基于新的學科視角，筆者設計了跨學科實踐活動任務單，在課堂上開展探究活動。

任務1：如何探究提物、提踵、抬頭（低頭）動作中的杠桿原理？

設計要求：（1）了解提物、提踵、抬頭（低頭）這些動作，查閱其涉及哪些骨骼與肌肉；（2）運用數字技術展示以上動作中的骨骼與肌肉是如何協作的；（3）運用數字技術抽象出以上人體中的杠桿類型，列舉生活中的類似實例。

筆者為學生提供學科教材、連接互聯網的電腦、相關軟件、筆、紙與刻度尺，讓他們開始探究。學生分組（三人一組）操作，按照設計要求，對任務單進行拆解。筆者指導學生上網查閱人體運動骨骼與肌肉名稱，讓學生研討人類完成提物、提踵、抬頭（低頭）這些動作時骨骼與肌肉是如何協調的，隨后運用軟件繪制實物模型，演示骨骼與肌肉的協調過程。在筆者的引導下，學生抽象出杠桿模型并加以分類，列舉了生活中同類杠桿實例。在筆者指導下，學生設計出個性化任務單，將探究成果進行收集與整理（見表1）。

學生在問題驅動下完成各項任務。跨學科是解決真實問題的必然路徑。筆者將物理學科主題延伸到生物學，甚至與信息技術學科相融。筆者基于案例實現多學科的有機融合，建構有效的知識架構，幫助學生多視角、多層次、多手段進行科學探究，讓他們學會多種科學探究方法，提升高階思維能力，樹立正確科學態度。

（二）物理與工程技術融合

筆者基于科學、技術、工程與數學（STEM）教育理念，設計工程技術內容，打破學科邊界，實現多學科融合。“人體中的杠桿”涉及多個結構，它們的力學本質是杠桿，其運動機理為相應部位的肌肉收縮與舒張帶動骨骼或有關肌肉群運動而產生力的作用，促使骨骼繞關節轉動來完成各項動作。針對學生思維由淺入深的認知特點，筆者用數字化拉力傳感器建立手臂提物簡單杠桿模型引導學生探究。

任務2：設計手臂提物模型，探究它是什么類型的杠桿。

設計要求：運用工程技術手段組裝手臂模型，探究提起鋼球動作的力學特點。

實驗器材：拉力傳感器、數據采集器與筆記本電腦，繞軸轉動的木條，小鋼球等。

探究過程：學生展示用木條制作的人體前臂模型，分組實驗。（1）打開軟件界面，將儀器“校零”，用拉力傳感器測出鋼珠自重為。（2）將木條穿在支架上繞軸轉動，模擬人肘關節（杠桿支點），將鋼球懸掛在繞軸轉動的木條前端細線上，用來模擬人手心托起的重物（杠桿的阻力）（如圖2）。（3）用拉力傳感器勾住木條后端的細線，模擬手臂上肌肉群收縮時提起前臂的力，借助電腦顯示傳感器拉力（杠桿的動力）。

學生反復實驗，發現杠桿的動力始終大于阻力，得出結論：人體的前臂（手臂提物）是費力杠桿。

在生活中，一些學生長時間伏案學習，坐姿不端正。筆者發問：當人低頭時，頸部的肌肉要承受多大的力呢？長時間坐在辦公室工作的人患頸椎病的比例居高不下，原因何在？經調查，大量年輕人出現頸椎勞損現象，且這一現象還有進一步年輕化的趨勢，社會危害性極大，如何運用所學知識解釋這些現象？怎樣預防與緩解這些癥狀呢？如果單從杠桿理論進行分析，思維坡度較陡，學生難以接受。為了降低思維臺階，筆者指導學生設計數字化創新實驗，自主探究。

任務3：設計人體頭部頸椎模型，探究人在低頭情況下頸椎會承受多大的力。

設計要求：（1）運用工程技術手段組裝一套能夠體現人體頭部及頸椎活動的裝置系統，測量人在低頭時頸椎的受力大小；（2）為使實驗效果更加明顯，用數字化傳感器技術取代彈簧測力計，體現前沿信息技術的應用；（3）了解長時間伏案低頭對頸椎的危害性。

實驗器材：拉力傳感器、數據采集器與筆記本電腦，直徑為10 cm帶轉軸的塑料圓盤、教學用量角器、長25 cm塑料尺、200 g鉤碼、帶十字支架的鐵架臺、膠棒槍、充電鉆各一件，打印人體頭部圖片、紅色的圓形紙、自攻螺絲與細線等。

實驗裝置組裝過程如下。

第一步，組裝人體頭部頸椎中的杠桿模型。

人在抬頭時，點為頭顱的重心；頭顱模型繞支點轉動；點為頸部肌肉收縮時拉力作用點；人低頭時，頭顱從豎直位置轉動的角度為；頸部肌肉收縮時拉力為（如圖3）。為便于探究，取塑料圓盤，用熱熔膠棒槍將塑料尺沿半徑的方向固定在圓盤上；將紅色紙貼在圓盤上，用膠棒槍將人體頭部圖片固定在塑料尺后面；將鋼軸穿過圓盤圓心（杠桿支點），用來模擬轉動的頸椎。學生在塑料尺前端打一個小孔，將細線穿過小孔，下端懸掛200 g的鉤碼，模擬人頭顱的重力（杠桿的阻力）；在圓盤靠近外側再打一個小孔，將自攻螺絲旋入孔中，在螺絲上系好細線，用拉力傳感器勾住自攻螺絲上的細線，用來測量頸部肌肉伸縮時對頸椎的拉力（杠桿的動力）。

第二步，組裝量角器與數據采集裝置。

取帶十字支架的鐵架臺，先將組裝好的人體頭部頸椎模型豎直固定在轉軸上，再調整裝置使量角器的頂點與頸椎模型共軸，將其豎直固定在鐵架臺上（如圖4左），剪出微型紅色箭頭粘在塑料尺上端作為標記，用量角器測量人頭低下的角度。用數據線將拉力傳感器、采集器與電腦連接好備用（如圖4右）。

探究步驟如下。

（1） 打開電腦桌面上的軟件，“校零”儀器。用拉力傳感器測出鉤碼重為=1.98 N。

（2）用拉力傳感器鉤住轉盤自攻螺絲上的細線，當圓盤上的塑料尺處于豎直位置時，拉力傳感器的示數為零；讓圓盤上的塑料尺由豎直位置輕輕轉過30°，沿與塑料尺平行的方向拉住拉力傳感器，待靜止時讀出=4.28 N，模擬人低頭時頸部肌肉承受的拉力。

（3）讓圓盤上的塑料尺由豎直位置輕輕轉過45°，仍然使拉力傳感器拉力方向與塑料尺平行，靜止時讀出=4.80 N。

（4）讓圓盤上的塑料尺由豎直位置輕輕轉過60°、70°，重復以上實驗，分別讀出拉力傳感器上的拉力=5.71 N、=6.39 N（如圖5），將測得數據填入表2中。

實驗結論：人體頸椎承受的拉力與頭部低下的角度有關系，人頭部沿豎直方向低下的角度越大，頸部肌肉承受的拉力越大。頸椎承受的拉力越大，對人頸椎損傷越大，危害也越大。

在筆者引導下，學生自主建構一系列由簡單到復雜的物理實驗模型進行深度探究，這是對課標的實質響應。模型建構是科學思維的核心要素，建模能力是科學思維的重要能力指標。學生自主探究，提高了學習效率，順利實現思維進階。整個探究過程實質上是以高階思維為主導的自主學習，更是一種接近知識本質和智慧內核的學習方式。在一系列實驗數據的比較分析中，筆者將工程技術融入物理教學，對看似棘手的問題進行可視化處理。筆者將落腳點放在發展學生跨學科運用知識的能力、分析和解決問題的綜合能力、動手操作的實踐能力上，培養學生積極的學習態度和樂于實踐、敢于創新的精神。

（三）物理與社會發展融合

課標特別注重培養學生“知行合一、學以致用”的品質。教師在跨學科實踐中面對真實生活問題時，一定要知難而上，引導學生解決問題。學生參與以上人體頸椎數字化模型探究活動，發現從事腦力勞動的人們由于坐姿不正確而導致頸椎勞損的危害性很大，必須加以重視。下面，筆者繼續帶領學生設計跨學科主題任務進行探究。

任務3：如何預防頸椎病的發生，可以采取哪些干預手段減輕頸椎勞損？

設計要求：（1）針對中學生群體，收集整理預防頸椎勞損的措施；（2）借助網絡大數據平臺查詢緩解頸椎病痛苦的綠色方法。

教學資源：大數據平臺、醫院、學校、按摩店、養老中心等。

探究過程如下。學生利用大數據平臺查詢頸椎病的癥狀：長時間低頭工作導致頸椎變直，甚至發生反弓；椎體病變，嚴重勞損，壓迫神經，導致頭部供血不足；站立不穩、上肢發麻、頭暈、惡心、嘔吐。學生在全校進行調查走訪，深入按摩店、醫院等機構，開展問卷調查，統計頸椎勞損數據，再利用云平臺查詢頸椎勞損者年齡分布和患病原因，生成統計圖。

探究結論：頸椎病是人類公害，呈現年輕化趨勢，必須高度重視。

解決策略：學生一定要保護好頸椎，不要長時間伏案低頭寫字、不做看手機的“低頭族”；切記不要一個姿勢工作太久；養成良好的生活和工作習慣。此外，適量參加體育運動，如參與跳繩等活動，也可以開展“五禽戲”等傳統體育運動，預防頸椎病。

在當今信息技術迅猛發展的智能時代，教師將先進的數字化教學手段融入多學科教學，建構思維腳手架，促進學生物理學科知識的理解與應用，這是明智之舉。教師開展跨學科實踐活動必須堅持“立足本學科”與“減負增效”的教學原則，體現跨學科實踐的綜合性、應用性和真實性。跨學科實踐一定要有物化的成果，如數字化模型、創新實驗裝置、具體解決方案或網絡調查報告等。教師無論用何種方法開展跨學科實踐活動，一定要在分析問題與解決問題的實踐中培養學生的分析、創造、綜合、批判思維能力，不斷提升學生的實踐創新能力和核心素養。

注：本文系甘肅省教育科學“十三五”規劃2020年度立項重點課題“開展學生物理自主創新實驗，促進學生深度學習的策略研究”（項目編號：GS[2020]GHBZ 076）、安徽省教育信息技術研究2021年度立項課題“TPACK理論框架下初中物理創新實驗教學的行動研究”（項目編號：AH2021026）階段性研究成果。

參考文獻

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（作者楊國平系甘肅省嘉峪關市第五中學教師；劉信生系安徽省合肥市廬江縣龍橋鎮初級中學高級教師）

責任編輯：祝元志