跨學科實踐中探索物理實驗創新

梁喆

2022年4月，教育部印發《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”），在課程內容中增加了跨學科實踐這個一級主題，包括物理學與日常生活、物理學與工程實踐、物理學與社會發展，凸顯了物理實踐對建構物理觀念、認識物理規律、領會其內涵及相互聯系的重要作用。課標基于物理實驗教學，倡導教師引導學生開展跨學科實踐，進行創新探索，以培養和提高他們的各種能力。

新時代的物理教師要做創造者，而非知識“搬運工”，應守好、用好實驗教學主陣地，切實提高課堂教學質量。筆者嘗試將理論教學融于實驗生活化創新中，解決少數教師或多數學生未能深度參與的難題，喚醒師生對物理實驗的重視，建構師生實驗能力提升體系。在跨學科實踐中以解決真實生活問題為目標，筆者從物理與日常生活、物理學與工程實踐、物理學與社會發展三個維度，打開基于物理實驗創新生活化的新視角，以機械型和智能型自動停水裝置的設計與制作為例，提出太陽能熱水器、魚缸、水箱等真實情境中自動停水的簡潔方案，以提升學生的實驗素養、實驗功底、實驗意識、實驗能力，進一步落實核心素養培養要求。筆者融合創新與生活化模式，針對自動停水裝置的設計與制作，在杠桿、滑輪的生活化應用中制作機械型裝置；在液位傳感器、繼電器、控制模塊的生活化應用中制作智能型裝置，實現自動停水功能，并引導學生對機械型和智能型裝置進行比較。筆者堅持素養導向開展實驗教學，通過跨學科實踐解決問題，突破物理教學難點，讓學生感受創新實驗生活化實驗的意義，切實體味參與其中的幸福。

一、物理教師要牢牢把握跨學科實踐的時代要求

新時代，物理教師增強創新意識具有現實緊迫性，應該結合物理實驗生活化的特點，融合多元的教學方法，構建更多維的興趣指標，幫助學生提高能力。

（一）深入實踐，創新實驗，提升能力——豐富精神世界

如何提升教師實驗創新能力，促進教師積極開展實驗教學？學校應鼓勵教師將教學融入實踐，在生活化情境中采用跨學科實踐模式教學，呈現實驗器材等的創新和改進。教師要把握創新教學的時機，在融合創新與生活化實踐的教學中，逐步適應新時代的發展，努力使自己具有創新能力和管理才能。如何應用實驗生活化的創新模式？教師要具有創新意識，設計激發學生興趣的模式與方法，捕捉生活中的問題（如怎樣給水箱、魚缸等上水），借助生活化情境的小問題解決知識建構大問題。教師設置生活化問題情境，引導學生設計跨學科實踐方案，不僅可以提升學生創新實踐能力，而且可以開闊教師自身的教育教學眼界。

（二）重視發展，敢于擔當，理解教育——承擔教育責任

教師要堅守教育本真，重視學生的發展，關注各種智能技術的融合應用。以物理學科為例，教師對實驗教學進行生活化創新，更能吸引學生注意力。筆者從停水問題入手，以生活化概念拉近學生與物理的距離。物理教師要承擔起創新實驗教學的責任，在傳授學科知識以外，引導學生重構知識，通過實驗生活化創新，使教學回歸自然，融入實踐。

（三）篤信科學，堅定信念，為人師表——引領人格力量

物理教師的魅力體現為嚴密的理性思維，超強的實踐能力，超凡的人格魅力。筆者對某年級學生進行問卷調查，發現一位具有較強動手能力的物理教師能夠吸引約75%的學生的注意力，近1/3的學生表示特別有興趣并想參與該教師創設的問題情境活動。教師篤信科學，積極開展跨學科實踐，彰顯人格魅力，有利于引導學生在快樂中探究。學生參與度與教師內驅力正相關，這激勵教師設計更加“新奇特”的生活化實驗，來引導學生探究。

二、在跨學科實踐中探索物理實驗創新的路徑

瑞士心理學家讓·皮亞杰認為認識是一種以主體已有的知識和經驗為基礎的主動建構。筆者基于跨學科實踐進行實驗生活化創新，關注“探究運用—解決問題”過程，提高學生探究能力，倡導跨學科實踐：物理學與日常生活、物理學與工程實踐、物理學與社會發展。筆者引導學生設計并制作水箱、魚缸等自動上水問題的裝置，使用杠桿和滑輪制作機械型停水裝置，用液位傳感器、繼電器、控制模塊制作智能型停水裝置，解決家庭生活問題，做對比分析，進行內容設計、活動組織、學習評價、實踐評價等多維表征（如圖1），參與實驗探究。

（一）“好奇”與“想象”指向內容設計的創造

物理教師要堅持問題導向，創新跨學科實踐，在設計和開展生活化創新實驗時，要強化對學生自主創新能力和解決實際問題能力的培養。筆者結合生活經驗，提出水箱、魚缸、太陽能熱水器等自動上水問題。以太陽能熱水器為例，學生通過線上研究調查，發現市面出售的多數裝置自動上水依靠水位感應器探頭來實現，其價格高且使用超過半年就會出現水箱上水不滿等問題。主要原因是水位感應器表面積累水垢或銹蝕，造成感應數據生成有誤，系統不能正常地在上滿水后關閉電磁閥門用完后打開，而是間斷地重復開或關。筆者提出生活化問題，激發學生好奇心和想象力，讓他們針對真實情境問題設計機械型停水裝置解決上述問題。在筆者的指導下，學生繪制了裝置結構圖（如圖2）——施加一個靈巧的力將水管閥門關閉即可實現控制功能。學生用簡單的機械系統解決了上水難題。生活化創新最大的特點是成本低、效果好，回歸物理本真。

（二）“融合”與“多元”感受活動組織的綜合

教師基于跨學科實踐開展物理實驗生活化創新教學，體現物理與生活的聯系，其方式有項目式學習、創客教育等。教師要堅守物理本真，從生活實踐中提煉問題和模型，要注重活動組織安排，體現分組教學之妙。學生只有愛上動手，才會主動探究并解決問題。筆者引導學生分組探討關鍵問題：一是閥門關閉；二是滑輪和杠桿的使用；三是將力作用到閥門上。學生參照設計圖制作出機械型停水裝置，借助“鋼索—滑輪—杠桿—回水桶”這一體系實現自動上水。對于此類實驗，教師應作為指導者和啟發者，主動融入學生實踐中，與學生共同發現問題、思考問題、解決問題。學生綜合運用物理知識解決生活化問題，既能建構物理知識，又能提高協作能力、交流能力和創新能力。授人以魚不如授人以漁。使學生在活動中能組織、能融合、能創新、能合作，才是物理教育的意義所在。

（三）“個性”與“空間”表征學習評價的革新

物理實驗是以生活為源頭的實踐與應用。教師開展生活化情境創新實驗教學，有利于為學生提供個性發展的空間。教師要鼓勵學生直面問題，引導他們慎思審辯，解決問題。教師革新傳統的評價方式，在終結性考試之外，讓學生設計解決實際問題的方案，更有利于提升學生素養與能力。筆者在教學中從物理與工程實踐的視角出發，讓學生在制作機械型自動停水裝置的基礎上，分組調查，展開研討與合作。學生用液位傳感器、繼電器、控制模塊，制作了自動停水的智能型裝置（如圖3），通過“傳感器—控制模塊—繼電器—水泵或電磁閥”這一體系實現自動停水。此裝置具有智能化、簡捷、易操作、靈敏度高、成本低等特點。筆者堅持工程實踐理念，引導學生從機械型向智能型拓展，在生活化情境的體驗中，循序漸進構建起解決問題的途徑，將評價貫穿跨學科實踐整個過程。

（四）“素養”與“能力”呈現實踐評價式教育

物理與社會發展視角體現在：教師創設生活化情境，讓學生設計并制作停水裝置，參與跨學科實踐，在制作解決問題所需器材的過程中，培養動手能力和解決實際問題的能力。物理實驗生活化激發了學生學習物理的興趣，提升了學生的關鍵能力和必備品格。筆者評價時重點關注學生在解決問題過程中的參與程度，而非只看結果。同時，筆者還要看學生針對這一跨學科實踐問題提出的反思和利弊分析。在筆者指導下，學生討論后總結出機械型停水裝置的優點、缺點，智能型停水裝置的優點、缺點（見表1）。為突破局限，學生提出機械型自動停水裝置的優化方案：回水管處設置排水裝置會更方便，進水和回水管道在同一處容易安裝，要對閥門關閉的契機進行量化分析控制。智能型自動停水裝置的優化方案：防止線路老化、接線口松動，加強傳感器外殼保護等。學生深度參與活動，能解決基本問題，還能深入剖析并遷移應用。

三、跨學科實踐視角下物理教學亟須提高的四方面

創新是一個民族的靈魂。物理實驗生活化創新能在跨學科實踐中綻放光彩。跨學科實踐和學科教學互為補充：從認知加工意義上講，跨學科實踐是為解決復雜問題；中小學課程與教學中的跨學科實踐指向綜合應用多門學科知識、技能和觀念，促進學科之間的融通與整合。教師要增強創新意識和創新能力并將其應用到跨學科實踐中，以創設物理實驗情境解決生活化問題為核心，提升學生跨學科實踐能力。教師亟須從以下四個方面優化教學。

（一）提升智育水平，激發創新動力

跨學科學習能打破學科壁壘，學生在解決實際問題過程中有效地運用其他學科的知識，統整知識加深理解。跨學科學習過程是學科知識綜合運用和深度學習的過程，學生由淺層學習邁向深度學習。教師以生活化實踐模式開展實驗教學，著力培養學生認知能力，促進思維發展，激發創新動力。在教學中，教師要發揮主導作用，把握物理學科特點和知識結構，遵循學生認知規律，備好每一堂課，上好每一堂課。

（二）革新教學方式，促進思維發展

教學相長，啟發很關鍵。在探究教學的過程中，教師課前既要指導學生預習，又要提前備好課，掌握學情。課上攻難點、建體系，讓學生主動思考、自主探究。教師要融合多元智能技術，創設真實情境，組織跨學科實踐活動。教師要將工程與技術的學習聯系起來，精準分析學情，精確掌握學生的關注點，在跨學科實踐的教學中，因材施教，促進學生思維發展。

（三）加強教學管理，優化教學環節

物理學科具有實驗特質。教師要按照課標制訂學科計劃，優化教學環節，注重對學生跨學科實踐能力的考查，改變僅有終結性考試的單一局面，引導學生漸進地參與到實踐探究中，讓學生經歷設計、制作、解決生活化問題的全過程，培養協作能力。教師要設計正確合理的問題，啟發學生思考問題，自主探究，真正實現高效教學。

（四）融合教育智能，構建科學機制

信息技術與教育教學深度融合必將服務社會、服務師生，促進義務教育各學科的數字化資源體系的建立與完善。在這樣的背景下，物理跨學科實踐能夠充分發揮優勢。教師要從物理與日常生活、物理與工程實踐、物理與社會發展等維度，不斷探索智能與技術的融合，例如在工具與裝置從機械型轉向智能型的過程中加強智能型傳感器的應用。教師需要適應這樣的高速發展，融合應用數字化技術和資源，為建構生活化實踐體系奠定基礎。

總之，教師在物理教學中探索跨學科實踐和創新實驗，更能吸引學生的眼球，激發學生的探究欲望。學生設計、制作相關裝置解決生活中的問題，更好地感受物理實驗的探究過程、思維過程，實現了解決問題的終極目標。未來，教師設計基于物理實驗的跨學科實踐教學，能夠在理解物理知識的前提下，關聯更多學科的知識，并融入生活中去，讓學生學會運用所學知識解決生活化的實際問題。教師創新物理實驗生活化模式，開展融合生活化的跨學科實踐活動，對當前的教學有重要的現實意義。

注：本文系山東省教育發展研究2022年度立項微課題“Phyphox賦能科學探究實驗的實踐應用”（課題編號：FJ142）、山東省教育科學“十三五”規劃2020年度立項課題“初中物理混合式教學生態區塊鏈研究”（課題編號：2020ZC074）的研究成果。

參考文獻

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（作者系山東省淄博市淄川第二中學教師）

責任編輯：祝元志