以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的跨學(xué)科實(shí)踐設(shè)計(jì)與實(shí)施

摘" 要：本文緊跟《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，更新教育方法，設(shè)置跨學(xué)科實(shí)踐主題，以自制直流電動機(jī)為例，構(gòu)建問題驅(qū)動模式，開展學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐研究。通過緊扣關(guān)鍵要素、抓住細(xì)節(jié)難度、構(gòu)建問題驅(qū)動模式，將核心問題轉(zhuǎn)化為具體的學(xué)習(xí)任務(wù)以推動其實(shí)施，從而培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)和創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：問題驅(qū)動模式；跨學(xué)科實(shí)踐；核心素養(yǎng)

基金項(xiàng)目：本文系廣州市教育科學(xué)規(guī)劃（Guangzhou education scientific research project）2024年度一般課題“基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的學(xué)科融合教學(xué)的實(shí)踐研究”（課題編號：202316819）的階段性研究成果。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）在教學(xué)策略建議中明確指出“關(guān)注對學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、收集證據(jù)能力的培養(yǎng)。注重發(fā)揮每個學(xué)生的創(chuàng)新潛力，鼓勵學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、自制實(shí)驗(yàn)器材、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置及操作方法，給學(xué)生提供自主探究的時間和空間。”［1］初中學(xué)生剛接觸物理時對其充滿興趣，但是隨著學(xué)習(xí)的深入，學(xué)習(xí)難度也隨之加大，學(xué)生容易失去學(xué)習(xí)的主動性，加之受到課時緊張等因素制約，教學(xué)中容易出現(xiàn)以教師為主導(dǎo)的情況，導(dǎo)致學(xué)生很難有機(jī)會發(fā)揮出自己的創(chuàng)新意識和思維能力。因此，教師要及時更新教學(xué)理念。教師可以通過開展具有物理內(nèi)涵的特色實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生構(gòu)建更完善的知識體系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究、科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面的核心素養(yǎng)。

特色實(shí)驗(yàn)是指讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，圍繞真實(shí)的問題，通過進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、觀察現(xiàn)象、優(yōu)化方法、質(zhì)疑交流等操作流程，進(jìn)一步掌握物理知識，并形成學(xué)習(xí)物理的必備品格和關(guān)鍵能力的實(shí)驗(yàn)。這樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)生對理工類學(xué)科的興趣，鍛煉與提升他們的綜合素養(yǎng)，使學(xué)生從被動接受知識的“技能型”人才轉(zhuǎn)變?yōu)椤皠?chuàng)造型”人才，從而符合人工智能制造新時代的要求。本文以人教版《義務(wù)教育教科書" 物理" 九年級" 全一冊》第二十章第4節(jié)“電動機(jī)”中的“想想做做”欄目——“讓線圈轉(zhuǎn)起來”自制電動機(jī)實(shí)驗(yàn)為例闡述

問題驅(qū)動模式下跨學(xué)科實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)策略。

1" 構(gòu)建問題驅(qū)動模式

物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)在真實(shí)情境中圍繞一個富有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目主題展開，整合學(xué)科內(nèi)或跨學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容，用問題鏈驅(qū)動學(xué)生完成子任務(wù)，從而促進(jìn)學(xué)生的綜合認(rèn)知和能力發(fā)展。問題驅(qū)動的方式偏重于培養(yǎng)學(xué)生的問題意識

以及發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)而解決問題的能力。解決問題的過程正是動手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的過程，是碰到困難、深入研究、提出問題、找尋解決問題的方法的過程。在這個過程中，可實(shí)現(xiàn)螺旋式上升教學(xué)，達(dá)到最佳的教學(xué)效果。具體流程如圖1所示。

2" 自制直流電動機(jī)實(shí)驗(yàn)案例

2.1" 扣關(guān)鍵要素，定項(xiàng)目主題

根據(jù)學(xué)情，選擇實(shí)踐項(xiàng)目主題。

實(shí)驗(yàn)主題的選擇基于教師在日常教學(xué)中對學(xué)生學(xué)情的調(diào)查，教師要捕捉并記錄學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和疑惑點(diǎn)，根據(jù)學(xué)情，選取需調(diào)動跨學(xué)科知識的實(shí)踐內(nèi)容。筆者選擇第二十章“電與磁”第4節(jié)“電動機(jī)”中的“讓線圈轉(zhuǎn)起來”自制電動機(jī)實(shí)驗(yàn)作為項(xiàng)目主題。首先，它難度適中調(diào)試，這個過程不僅要求學(xué)生理解和應(yīng)用物理原理，還涉及科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識。后期還能以“創(chuàng)新”作為亮點(diǎn)進(jìn)行拓展和提高［3］，富有挑戰(zhàn)性。關(guān)鍵要素如表1所示。

2.2" 依《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求，定項(xiàng)目內(nèi)容

教師創(chuàng)設(shè)頭腦風(fēng)暴活動，邀請學(xué)生加入到頭腦風(fēng)暴中共同討論和設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)內(nèi)容，從而充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，把項(xiàng)目總目標(biāo)拆解為多個分目標(biāo)，根據(jù)分目標(biāo)來構(gòu)建問題鏈的基本單元，以此降低難度。如表2所示是本實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的《課程標(biāo)準(zhǔn)》目標(biāo)和分目標(biāo)。如表3所示，從跨學(xué)科學(xué)習(xí)目標(biāo)的四個維度出發(fā)，分別在各學(xué)科制定出有針對性的教學(xué)目標(biāo)。

2.3" 設(shè)驅(qū)動問題，推項(xiàng)目實(shí)施

問題驅(qū)動

模

式在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施過程中起到至關(guān)重要的作用。在指導(dǎo)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時，教師應(yīng)啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題，把核心問題轉(zhuǎn)化成一系列學(xué)習(xí)任務(wù)，將其作為主線，貫穿整個項(xiàng)目。

2.3.1" 構(gòu)建模型，提出工程問題

首先，鼓勵學(xué)生在生活中尋找電動機(jī)，觀察電動機(jī)的工作特點(diǎn)，并構(gòu)建電動機(jī)模型。接著，教師展示實(shí)際的電動機(jī)模型，引導(dǎo)學(xué)生思考電動機(jī)的定義，并據(jù)此提出驅(qū)動問題一（見表4），讓學(xué)生回答以啟發(fā)學(xué)生的思考。隨后，學(xué)生分組合作，通過閱讀課本和上網(wǎng)查詢相關(guān)資料，找出答案。

2.3.2" 推理論證，解決實(shí)際問題

在實(shí)際制作過程中，學(xué)生在充分理解以上問題的基礎(chǔ)上，畫出電路圖，繞好線圈，搭好支架，然后嘗試通電，觀察線圈能否正常轉(zhuǎn)動。針對不能運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置，學(xué)生要找尋問題，并進(jìn)行猜想、推理、實(shí)驗(yàn)和論證。筆者發(fā)現(xiàn)，在平時教學(xué)中提出假設(shè)性問題時，學(xué)生通常百思不得其解；然而，置身于現(xiàn)實(shí)情境中，學(xué)生更容易發(fā)現(xiàn)問題（驅(qū)動問題二）并深入研究，從而找出解決問題的方法。通過師生之間的對話和討論，教師啟發(fā)學(xué)生

用列表法記錄問題，找尋方法并做出嘗試，經(jīng)反復(fù)改進(jìn)，取得了明顯效果。學(xué)生記錄提出問題和解決問題的過程如表5所示。

圖2為電動機(jī)的主要部件和完整的電動機(jī)。

改進(jìn)之后，大部分線圈都能轉(zhuǎn)動。線圈能轉(zhuǎn)起來相當(dāng)于完成了初級目標(biāo)。

此時，筆者繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生記錄數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生經(jīng)過討論和總結(jié)后提出猜想：電動機(jī)轉(zhuǎn)速不同的原因可能是磁場強(qiáng)弱不同。于是，學(xué)生又挖掘出了新的驅(qū)動問題（驅(qū)動問題四）：為什么增加電池?cái)?shù)量或者增強(qiáng)磁場強(qiáng)度會令線圈轉(zhuǎn)速加快？學(xué)生通過查找資料發(fā)現(xiàn)：電流或者磁場變強(qiáng)都會使安培力加大。根據(jù)歐姆定律I＝UR，當(dāng)U成倍增大時，I也成倍增大，會使安培力變大。此過程中，學(xué)生學(xué)會了運(yùn)用已學(xué)知識和方法去探索新知識、解決新問題，實(shí)現(xiàn)了知識的遷移，能夠進(jìn)行反復(fù)推理并驗(yàn)證猜想，學(xué)生的科學(xué)思維得到了培養(yǎng)。正如愛因斯坦曾經(jīng)說過：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要。”問題是思維的起點(diǎn)，它能激發(fā)學(xué)生的思維活動，讓學(xué)生產(chǎn)生內(nèi)驅(qū)力，激勵他們積極自主地探索，直到解決問題。［3］

2.3.3" 探究思考，挖掘創(chuàng)新問題

學(xué)生完成了第一步的簡單制作后，筆者繼續(xù)激勵學(xué)生改進(jìn)原有結(jié)構(gòu)，深入挖掘平時不會想到的問題（創(chuàng)新驅(qū)動問題五）。首先，筆者提出能否簡化電動機(jī)的結(jié)構(gòu)，把線圈的圈數(shù)由多匝減少到一匝？其次，傳統(tǒng)永磁鐵的形狀單一且不易擺放，能否改成用釹鐵硼新型材料的圓形磁鐵？

在問題的驅(qū)動下，學(xué)生動手實(shí)踐，但是并未成功。網(wǎng)絡(luò)資料中的簡易型電動機(jī)線圈轉(zhuǎn)動得很好，而實(shí)際的線圈卻無法轉(zhuǎn)動。多次實(shí)驗(yàn)均以失敗告終，學(xué)生面臨選擇：是放棄，還是繼續(xù)嘗試？最終，學(xué)生決定繼續(xù)挑戰(zhàn)，解決任務(wù)。筆者發(fā)現(xiàn)這次學(xué)生觀察得更加仔細(xì)，發(fā)現(xiàn)問題的能力有所加強(qiáng)，信心也明顯增強(qiáng)。如圖3所示是改進(jìn)接觸位置的示意圖。簡化結(jié)構(gòu)后的電動機(jī)更輕盈，線圈轉(zhuǎn)動得很平穩(wěn)，改進(jìn)效果顯著。記錄的改進(jìn)過程如表7所示。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行

到這一步已經(jīng)非常成功了。然而，有些愛思考的學(xué)生又繼續(xù)查閱資料，并提出了新的問題（驅(qū)動問題六）：能否交換一下，固定線圈，而讓磁鐵轉(zhuǎn)動（之前電動機(jī)的設(shè)計(jì)是磁鐵固定，線圈轉(zhuǎn)動）？筆者鼓勵學(xué)生利用新型磁鐵繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，在確保原理正確的基礎(chǔ)上，觀察安培力是如何發(fā)揮作用的。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)硬幣大小的磁鐵較為適合。于是，他們在磁鐵和電池中間固定一個鐵釘，利用磁鐵的磁力讓鐵釘貼緊電池負(fù)極。接著，讓另一根導(dǎo)線的上端連接電池正極，下端連接磁鐵，從而形成閉合回路，裝置如圖4所示。在這個過程中，學(xué)生仍會出錯，但由于有前面的經(jīng)驗(yàn)，解決問題時輕松很多。這一過程充分證明了教師設(shè)計(jì)并啟發(fā)學(xué)生挖掘不同的驅(qū)動問題，是整個項(xiàng)目能夠完成的重要保障。

2.4" 設(shè)項(xiàng)目評價，促進(jìn)項(xiàng)目展示和反思

在學(xué)生完成作品之后，為了對學(xué)生進(jìn)行評價，筆者會提供組內(nèi)、課堂和校科技節(jié)等機(jī)會來展示他們的成果，或推薦學(xué)生參加市區(qū)舉辦的各種比賽，讓學(xué)生得到表達(dá)機(jī)會。前面提到的實(shí)驗(yàn)過程和記錄的數(shù)據(jù)作為學(xué)生自我評價的一部分，結(jié)合生生和師生之間的互相評價，進(jìn)行共同評估，增強(qiáng)學(xué)生的個人成就感和集體榮譽(yù)感，并在反思和改進(jìn)中培養(yǎng)學(xué)生交流、評估和反思的科學(xué)探究能力。

2.4.1" 學(xué)生反思

從學(xué)生提交的反思報告中可以歸納出以下三點(diǎn)收獲：①書上得來終覺淺，凡事都需要自己親自動手實(shí)踐才

能有所收獲。②在實(shí)踐過程中總會碰到困難，但要仔細(xì)觀察和研究，并思考解決的方法。在這個過程中，可以查閱資料，也可以團(tuán)隊(duì)合作，集思廣益，直至問題得到解決。③當(dāng)自己不斷努力，最終成功解決問題的時候，既能享受成功的喜悅，增強(qiáng)自信心，還能培養(yǎng)自己的創(chuàng)新思維，要敢想敢做。

2.4.2" 教師反思

與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，開展具有跨學(xué)科特色的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠讓學(xué)生體驗(yàn)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程的多元性和靈活性，其核心就是通過學(xué)生的自主動手、小組合作來解決問題，培養(yǎng)他們良好的意志力，實(shí)現(xiàn)了自制電動機(jī)實(shí)驗(yàn)令人驚艷的“三級跳”。筆者選擇自制電動機(jī)作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有三重原因，一是它置身于常見的生活情境中，實(shí)施起來難度適中且富有挑戰(zhàn)性；二是在制作電動機(jī)的過程中，學(xué)生能夠自主設(shè)計(jì)并充分發(fā)揮想象力，體現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)思想，學(xué)生在完成電動機(jī)制作后，還能利用電池、磁鐵、螺線管等器材制作電池火車，或繼續(xù)深入研究解決電動機(jī)易受風(fēng)力影響的問題，這些獨(dú)特的想法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了筆者的設(shè)想；三是自制電動機(jī)項(xiàng)目將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識充分融合，達(dá)到發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科運(yùn)用知識能力的目的。

3" 總結(jié)

綜合來講，構(gòu)建問題驅(qū)動模式來開展學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和跨學(xué)科實(shí)踐研究，能讓學(xué)生圍繞電動機(jī)制作這個真實(shí)任務(wù)，經(jīng)歷制作、改進(jìn)和創(chuàng)新的過程，在實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí)。

這種模式很好地鍛煉了學(xué)生動手能力和協(xié)調(diào)合作能力，并實(shí)現(xiàn)了知識的建構(gòu)和解構(gòu)，能夠最大限度地激發(fā)學(xué)生潛能。學(xué)生在這樣的情境下學(xué)習(xí)，既體驗(yàn)到了成功的喜悅，樹立了信心，又培養(yǎng)了科學(xué)思維和創(chuàng)新思維，發(fā)展了物理核心素養(yǎng)。當(dāng)然，目前還存在很多問題需要解決，筆者將在下一步的研究中繼續(xù)完善。

參考文獻(xiàn)

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