基于單元任務(wù)驅(qū)動(dòng)的物理跨學(xué)科教學(xué)實(shí)踐研究
——以“能量與物質(zhì)”為例

楊學(xué)友 陳紅君 魏鑫

(1. 長春師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林 長春 130032; 2. 長春市凈月開發(fā)區(qū)明澤學(xué)校,吉林 長春 130032)

1 問題提出

跨學(xué)科概念于20世紀(jì)60年代開始萌芽,經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,在科學(xué)教育中的重要價(jià)值越來越被認(rèn)可.國內(nèi)外關(guān)于跨學(xué)科概念的研究,重點(diǎn)集中于跨學(xué)科概念的內(nèi)涵、跨學(xué)科概念的教育價(jià)值以及跨學(xué)科概念融入分科教學(xué)的思路與方法等方面.研究結(jié)果表明跨學(xué)科概念具有貫穿各學(xué)科領(lǐng)域、整合學(xué)科知識(shí)、有利于開展跨學(xué)科科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)等功能,對(duì)有效促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展具有重要的教育價(jià)值.尤其近幾年來,我國的教育研究者一直在尋求能夠解決分科教學(xué)弊端,又不似綜合教學(xué)一般繁瑣的教育教學(xué)方法.跨學(xué)科概念的出現(xiàn)為該問題的解決提供了重要線索.[1]

2022年4月,教育部發(fā)布的《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》中,以發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為中心,首次在課程標(biāo)準(zhǔn)層面提出4個(gè)跨學(xué)科概念,與課程標(biāo)準(zhǔn)中的13個(gè)學(xué)科核心概念共同組成科學(xué)課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容.[2]但是,2022年版課程標(biāo)準(zhǔn)并沒有給出跨學(xué)科概念的內(nèi)涵與外延,也沒有明確給出跨學(xué)科概念的學(xué)習(xí)內(nèi)容和內(nèi)容要求.因此,跨學(xué)科概念的教學(xué)在具體實(shí)施過程中存在一定的困難.同時(shí),物質(zhì)和能量在美國提出的AFrameworkforK-12ScienceEducation(theFramework)(簡稱《框架》)中既作為學(xué)科核心概念又作為跨學(xué)科概念出現(xiàn),會(huì)給一線教師和學(xué)生增加理解的困難.[3]

因此,本文以跨學(xué)科概念“能量和物質(zhì)”為例,旨在闡述跨學(xué)科概念是什么,它與學(xué)科核心概念有什么區(qū)別,以及我們?nèi)绾螌⒖鐚W(xué)科概念應(yīng)用到跨學(xué)科實(shí)踐的教學(xué)研究.

2 跨學(xué)科概念“能量與物質(zhì)”的內(nèi)涵和特征

2011年7月,美國出版了《框架》,[3]該框架介紹了跨學(xué)科概念(Crosscutting Concepts, CCCs),《框架》中對(duì)于“跨學(xué)科概念”做出了以下定義:能夠廣泛應(yīng)用于科學(xué)與工程領(lǐng)域的概念,具備解釋科學(xué)本質(zhì)的重要價(jià)值.因此,他們提供了一種連接各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域核心概念的方法.[2]Helen Quinn在CrosscuttingConceptsStrengtheningScienceandEngineeringLearning一書前言中指出,CCCs是概念性的工具,用于研究不熟悉的情況,并找到一種有助于發(fā)展理解的方法.每個(gè)CCC都是看待問題的一個(gè)鏡頭,每個(gè)鏡頭都突出了一個(gè)獨(dú)特的視角,從而引導(dǎo)學(xué)生提出基于這個(gè)觀點(diǎn)產(chǎn)生的在引導(dǎo)和擴(kuò)展思維方面有用和有效的問題,有助于創(chuàng)造意義和解決問題,因而提高學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解決生產(chǎn)生活中實(shí)際問題的能力.[4]

物質(zhì)和能量在不同學(xué)科中的概念和表現(xiàn)是不同的,但守恒定律適用于跨學(xué)科的廣泛現(xiàn)象,這也是它們被稱為跨學(xué)科概念的原因.在學(xué)科核心概念中,能量和物質(zhì)主要用來解釋變化;在跨學(xué)科概念中,很多人誤認(rèn)為是能量和物質(zhì)的概念交叉,因此CrosscuttingConceptsStrengtheningScienceandEngineeringLearning對(duì)能量和物質(zhì)采取重新命名的方式去作為區(qū)別,能量和物質(zhì):流動(dòng)、循環(huán)和守恒.因而,跨學(xué)科概念的內(nèi)涵是在冒號(hào)之后去闡述.此外,跨學(xué)科概念能量和物質(zhì)主要包括兩個(gè)方面的特征.第一,守恒律作為規(guī)則去使用.科學(xué)模型、解釋、假設(shè)和工程設(shè)計(jì)必須符合守恒定律.守恒定律的作用是約束系統(tǒng)行為可能性范圍的規(guī)則.第二,把追蹤物質(zhì)和能量作為啟發(fā)式的方法.無論所考慮的現(xiàn)象或系統(tǒng)多么復(fù)雜,物質(zhì)和能量守恒都可以提出問題,從而闡述現(xiàn)象如何發(fā)生以及系統(tǒng)如何運(yùn)作.

3 跨學(xué)科概念的教學(xué)模式

現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展到今天,遠(yuǎn)比初中階段劃分的物理、化學(xué)、生物更加詳細(xì),某種意義上講,初中物理本身實(shí)際上就兼具跨學(xué)科的特點(diǎn).同時(shí)《框架》強(qiáng)調(diào),無論課程結(jié)構(gòu)如何,無論單一學(xué)科還是跨學(xué)科,科學(xué)總體上都需要以這樣一種方式進(jìn)行教學(xué),即支持學(xué)生建立跨學(xué)科的相關(guān)知識(shí),并在相關(guān)時(shí)間和地點(diǎn)將來自一個(gè)學(xué)科的知識(shí)用于另一個(gè)學(xué)科的背景下.因此,選取初中階段單一學(xué)科或者選取多學(xué)科去構(gòu)建課程架構(gòu)都是可行的.此外,目前國外科學(xué)教學(xué)過程中最常采用的兩種方式:一種是基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí),這類學(xué)習(xí)往往以當(dāng)?shù)卣鎸?shí)情境為基礎(chǔ)來解決實(shí)際問題,設(shè)計(jì)出方案或制作出產(chǎn)品,實(shí)施周期較長;另外一種是基于問題的學(xué)習(xí),這種學(xué)習(xí)方式更多的是對(duì)虛擬情景進(jìn)行研究,主要是對(duì)某個(gè)問題提出解決方案或者觀點(diǎn),不一定與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況有關(guān),實(shí)施周期較短.[5]

由于我國的教育環(huán)境和教學(xué)計(jì)劃與國外有所不同,同時(shí)跨學(xué)科概念強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過真實(shí)情景,解決實(shí)際問題,把跨學(xué)科概念作為工具去使用,從而形成有用的知識(shí).為了克服項(xiàng)目學(xué)習(xí)周期較長,以及問題學(xué)習(xí)和實(shí)際聯(lián)系較弱的缺點(diǎn),基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式,將項(xiàng)目拆解成連續(xù)的任務(wù)單元,形成單元任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法.基于單元任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教與學(xué)的方法,在教學(xué)周期較短的情況下,也能夠?yàn)閷W(xué)生提供體驗(yàn)實(shí)踐的情境和感悟問題的情境,使學(xué)生圍繞任務(wù)展開學(xué)習(xí),以任務(wù)的完成結(jié)果檢驗(yàn)和總結(jié)學(xué)習(xí)過程,同時(shí)可改變學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài),提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,使學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)探究、實(shí)踐、思考、運(yùn)用、解決的高智慧學(xué)習(xí)體系.[6]因此,本文選取人教版九年級(jí)(全一冊)13章“內(nèi)能”部分作為教學(xué)內(nèi)容,采用單元任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方式來進(jìn)行能量和物質(zhì)跨學(xué)科概念運(yùn)用的教學(xué)實(shí)踐.

4 “能量和物質(zhì)”跨學(xué)科概念實(shí)踐課例設(shè)計(jì),實(shí)施與評(píng)價(jià)

4.1 課例設(shè)計(jì)分析

“人造草坪vs天然草坪”課例開展依托于九年級(jí)(全一冊)13章“內(nèi)能”部分.在“能量和物質(zhì)”跨學(xué)科概念實(shí)踐的課例中,學(xué)生將參與感受真實(shí)的情境,小組討論現(xiàn)實(shí)問題,為自己的學(xué)校運(yùn)動(dòng)場選擇合適的草坪給出自己合理的建議.在這個(gè)任務(wù)中,要求學(xué)生運(yùn)用能量和物質(zhì)跨學(xué)科概念內(nèi)容:系統(tǒng)中能量和物質(zhì)的變化可以用能量和物質(zhì)流入、流出該系統(tǒng)來描述.通過批判性地閱讀科學(xué)文獻(xiàn),分析數(shù)據(jù),建構(gòu)模型對(duì)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的流動(dòng)進(jìn)行定性描述和定量分析,從而解釋為什么人造草坪比天然草坪更熱,對(duì)運(yùn)動(dòng)員來說更危險(xiǎn).最后利用能量流動(dòng)的相關(guān)知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問題,該課例具有應(yīng)用跨學(xué)科概念整合、解決真實(shí)問題、通過小組合作來發(fā)展學(xué)生分析和解決問題的綜合能力,動(dòng)手操作的實(shí)踐能力.綜合以上,“人造草坪VS天然草坪”滿足跨學(xué)科實(shí)踐課例的要求.

4.2 課例設(shè)計(jì)

(1)情境引入.

(a) 人造草坪上的高溫引發(fā)安全問題.

許多學(xué)校選擇用人造草坪代替天然草地,這樣球員們在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候腳下可以更穩(wěn),而且人造草坪也可以在天氣較差的時(shí)候使用.很多教練和球員都喜歡人造草地,因?yàn)樗鼈儾粫?huì)因?yàn)殛幱晏鞖鈱?dǎo)致場地泥濘而取消比賽,同時(shí)也不需要?dú)⑾x劑或水來維護(hù).但是,當(dāng)天氣晴朗炎熱時(shí),人們越來越擔(dān)心人造草坪賽場上的極端的高溫.

幾年前,廣州大學(xué)氣候研究人員分析了廣州市衛(wèi)星地圖生成的熱圖像,這是“熱島”效應(yīng)的第一個(gè)證據(jù).他們想弄清楚城市樹木如何幫助社區(qū)降溫,當(dāng)研究人員注意到地圖上的一堆熱點(diǎn)時(shí),他以為它們是屋頂.同時(shí),他們也想知道熱點(diǎn)到底是什么?所以挑選了其中五六個(gè)熱點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地考察,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中兩個(gè)是人造草坪的地面.

(b) 溫度檢測.

為了弄清楚人造草坪地面到底有多熱,研究人員來到了廣州大學(xué)的足球場.當(dāng)他們處在外圍陰涼的地方時(shí),溫度顯示30 ℃,但是在人造草坪足球場的中央,太陽直射頭頂,他們把溫度計(jì)放在腰部一樣高的位置時(shí),溫度計(jì)讀數(shù)為71 ℃.研究人員很驚訝,“它比我想象的要高得多”.當(dāng)教練們每15 min左右進(jìn)行一次休息時(shí),一群8歲和9歲的孩子站在那里,汗流浹背.“天氣很熱”,其中一個(gè)孩子說道.由于橡膠屑草坪吸收并保留熱量,國際足聯(lián)的報(bào)告稱,熱量是與在球場上比賽相關(guān)的主要健康問題,并且當(dāng)人們處于高于45 ℃的環(huán)境中可能會(huì)遭受脫水、中暑和熱灼傷.

(2) 任務(wù)設(shè)計(jì).

任務(wù)1: 利用上述文章中的科學(xué)證據(jù)和概念,系統(tǒng)之間的能量流動(dòng),以及你對(duì)物質(zhì)之間能量轉(zhuǎn)移的認(rèn)識(shí),來解釋為什么人造草坪比天然草坪的表面更熱.(解釋必須直接引用文章中的文本或者數(shù)據(jù))

任務(wù)2: 使用圖1中的數(shù)據(jù), 使用方程Q=cmΔT,計(jì)算人造草坪和天然草坪的比熱(1 kg的人造草坪或天然草坪樣本產(chǎn)生36.48 kJ的熱量).然后通過數(shù)學(xué)計(jì)算、圖表和比熱概念等信息來解釋為什么人造草坪比天然草坪更熱.

圖1 不同表面的溫度/℃

任務(wù)3: 許多運(yùn)動(dòng)員在人造草坪上比在草地上更容易脫水和抽筋,用如圖2中粒子圖來匹配圖3中的模型圖,以顯示熱傳遞是如何發(fā)生的.使用傳熱知識(shí)和完整的系統(tǒng)模型,解釋為什么運(yùn)動(dòng)員在天然草坪上運(yùn)動(dòng)會(huì)容易脫水.

圖2 粒子示意圖

圖3 模型示意圖

a. 灰點(diǎn)代表草坪或草地微粒.

b. 黑點(diǎn)代表運(yùn)動(dòng)員體內(nèi)的微粒.

c. 寬箭頭表示人造草坪/天然草坪與運(yùn)動(dòng)員之間的能量傳遞.

d. 灰色和黑色箭頭代表微粒的運(yùn)動(dòng);箭頭越長,微粒運(yùn)動(dòng)越劇烈.

實(shí)踐任務(wù):你的學(xué)校如果正在決定是否安裝人造草坪來取代天然草坪.可以采用以下2種有說服力的演示文稿來幫助校方選擇哪種表面。

選項(xiàng)1. 有說服力的廣告:你將以30～60 s的商業(yè)廣告的形式創(chuàng)建一個(gè)口頭辯論,廣告應(yīng)該根據(jù)科學(xué)聲明哪個(gè)領(lǐng)域最適合你的學(xué)校,聲明必須基于數(shù)據(jù),并得到文本/文章、圖表、計(jì)算、模型和先驗(yàn)知識(shí)的證據(jù)的支持.你還必須確定一種表面超過另一種表面的優(yōu)勢和原因.由于該廣告將向大量觀眾播放,因此需要通過視頻呈現(xiàn),并以吸引公眾注意力的方式呈現(xiàn).這項(xiàng)任務(wù)將在三四個(gè)人的小組中完成.

選項(xiàng)2. 說服信:你將以說服信的形式向您所在地區(qū)的負(fù)責(zé)人、校長和足球主教練創(chuàng)建書面論點(diǎn).你的信應(yīng)該提出一個(gè)基于科學(xué)的聲明,即哪個(gè)表面最適合你的學(xué)校.你的聲明必須基于數(shù)據(jù),并得到文本/文章、圖表、計(jì)算、模型等證據(jù)的支持.你還必須確定一種表面超過另一種表面的優(yōu)勢和原因.你必須使用專業(yè)的寫作風(fēng)格,因?yàn)檫@封信是寫給學(xué)校管理人員的.這項(xiàng)任務(wù)將在三四個(gè)人的小組中完成.

(3) 設(shè)計(jì)意圖與預(yù)期表現(xiàn)評(píng)價(jià)(如表1).

5 結(jié)束語

本文以跨學(xué)科概念“能量和物質(zhì)”切入點(diǎn),以“人造草坪VS天然草坪”任務(wù)為例,運(yùn)用單元任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法進(jìn)行跨學(xué)科實(shí)踐的初步探索,通過真實(shí)情境引入層層遞進(jìn)的任務(wù)設(shè)計(jì),最終讓學(xué)生解決實(shí)際問題.這一系列的實(shí)踐,旨在通過跨學(xué)科概念的實(shí)踐去培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科實(shí)踐能力以及工程實(shí)踐能力,進(jìn)而提升學(xué)生解決問題的能力.同時(shí)開創(chuàng)性地運(yùn)用預(yù)期表現(xiàn)對(duì)學(xué)生的跨學(xué)科實(shí)踐能力進(jìn)行評(píng)估,為跨學(xué)科實(shí)踐的量化帶來一定啟發(fā).