信息技術支持下物理跨學科實踐教學設計與實施策略
——以“人體中的杠桿及預防中學生頸椎勞損”教學設計為例

林 軍

(合肥市包河區教育體育局教學研究室,安徽 合肥 230051)

新的義務教育課程方案明確提出了“加強課程綜合,注重關聯”的基本原則,同時要求各門課程將總課時的10%用于跨學科主題學習,[1]這是這次新課程改革的一大“亮點”.在義務教育物理課程標準中將“跨學科實踐”作為5個一級主題之一,[2]成為課程內容的重要組成部分,以此加強學科之間緊密聯系來彌補單一學科教學存在的局限性,通過圍繞現實世界中真實問題開展自主實踐與學習探索,提升學生分析、解決問題的綜合能力,培養學生的批判性思維等高階思維能力與創新精神,為國家培養創新人才打下堅實的基礎.

1 對跨學科實踐活動的認識

“跨學科實踐”主題內容具有跨學科性、實踐性和開放性的顯著特點,與日常生活、工程實踐及社會熱點問題密切相關.[1]跨學科主題實踐活動是指將兩種或兩種以上的學科統整,所有學科圍繞同一主題組織教學,各個學科相互融合,最終達成或超越原課程設置目標的主題實踐活動.“跨學科實踐”可以理解為不同學科領域之間的交叉合作并強化學科間的相互關聯,增強了課程的綜合性和實踐性.[3]

新課標理念下的初中物理教學,一定要摒棄“知識為中心”的舊觀念行為,踐行在具體的主題任務下開展基于知識、能力與素養之間的相互轉化,設立跨學科主題學習活動,強化學科之間的相互聯動;引導學生從“碎片化”的零散知識的記憶向跨越知識網絡的整體建構體系,側重于“以學為本”的學科知識整體性、綜合性與遷移性新觀念.

在當今大數據平臺、人工智能高度發展的社會背景下,信息技術支持下的教育教學資源為跨學科實踐賦能.基于主題任務與學生已有的認知開展探究真實物理問題的跨學科實踐活動,可以強化學科間的貫通,讓學生在跨學科的互動和整合中學習知識和解決問題,實現學科之間的統整,有效發展學生的核心素養.

2 跨學科實踐活動設計理念與設計思路

2.1 設計理念

浙江省教育廳教研室黃小平教師認為:跨學科實踐是課程與生活結合的必然,是貫徹落實黨和國家教育方針的必然,更是知識平民化與人才創新的必然.華東師范大學課程與教學研究所安桂清教授也指出,跨學科主題學習主要是指基于學生的核心素養發展需求,圍繞某一研究主題,以本學科課程內容為主干,運用并整合其他學科的知識與方法,開展綜合學習的一種方式.

基于以上兩位專家的觀點及新的義務教育物理課程標準可知:跨學科實踐活動設計要以物理教材和現實生活為藍本,跨出學科本位,體現不同學科的融合,以有價值的實踐主題為突破口,聚焦真實情境中實際的問題;設置一系列的活動任務,驅動學生自主學習和合作探究,實施跨學科實踐活動的開展,讓學生在完成任務中實現問題的解決,體現跨學科主題實踐活動的育人價值.

跨學科主題實踐活動的設計在教學目標上要基于課程標準,凸顯學科特質;在實踐活動設計上要強化主題統領,優化課程結構;在實施上要注重學科實踐,創新課堂教學.跨學科實踐活動的開展,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水平顯著提升.[4]

2.2 設計思路

新的義務教育物理課程標準中明確提出:一級主題“跨學科實踐”包含3個二級主題“物理與日常生活”“物理學與工程實踐”“物理學與社會發展”.新課標強調跨學科實踐一定要立足于本學科視角,在整合學科內容的基礎上,實施綜合課程的統籌設計和面對真實問題解決的跨學科主題學習活動,凸顯課程協同育人功能,體現跨學科性和實踐性的基本特征.[5]以“人體中的杠桿和預防中學生頸椎勞損”現實生活中的問題為研究主題,首先建構數字動畫模型,實現物理學與生物學融合;建構杠桿模型,實現與工程技術融合,通過設計數字化創新實驗操作裝置,探究頸椎病的形成機理;最后與社會發展融合,查閱電子資料找尋頸椎病的科學防治方法,設計思路如圖1所示.

圖1 跨學科實踐案例設計思路

3 基于任務驅動的跨學科實踐活動設計

國家課標組核心成員黃恕伯教師強調,跨學科實踐活動應讓學生立足于物理學科自身,在熟練掌握所學的物理概念和方法的基礎上,“跨出”本學科知識的視野,把物理學科知識與二級主題中的3個要素結合起來,展開綜合分析和直面解決真實的現實問題,在質疑創新意識的引領下,喚醒學生的創新創造能力.其根本宗旨是幫助學生形成物理觀念;訓練科學探究能力;提升科學思維能力;培養科學態度與責任.下面以初中物理“杠桿”章節中“人體中的杠桿以及如何預防中學生頸椎勞損”課堂教學為例,運用數字化傳感器裝置開展具體的活動設計.

3.1 物理學與生物學的融合

在“杠桿的分類”內容學習的基礎上,學生提出探究“人體中杠桿的組成結構”專題.該知識點涉及人體骨骼、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.讓學生從中抽象出杠桿模型,立足于物理學科,“跨入”到生物學科中,基于跨學科的視角,設計跨學科實踐活動任務單,在課堂上實施探究活動.[7]

任務1:探究手臂提物、提踵、抬下巴動作中的杠桿原理.

要求:

(1) 了解手臂提物、提踵、抬下巴這些動作,查閱其涉及的骨骼與肌肉名稱.

(2) 運用信息技術展示以上動作中的骨骼與肌肉是如何共同協助完成的.

(3) 運用信息技術抽象模擬出以上動作人體中的杠桿類型.列舉生活中類似實例.

實驗器材:《生物學》教材、連有互聯網的電腦、數字化軟件、筆、紙與刻度尺.

活動過程:全班學生每3人一組,按照要求,將任務1進行拆解,閱讀《生物學》教材.指導學生上網查閱人體運動骨骼與肌肉名稱,在小組內交流討論,了解完成手臂提物、提踵、抬下巴這些動作的骨骼與肌肉的協調過程,運用數字化軟件繪畫實物模型來展示完成這些動作中骨骼與肌肉的協調過程,抽象出杠桿模型并加以分類,列舉生活中同類杠桿實例等.在教師指導下,讓學生設計個性化任務單,將各組探究成果進行收集與整理后填入表1中.

表1 人體中杠桿(手臂提物、提踵、抬下巴)的運動機理與分類

學生通過任務驅動,完成任務單各項內容.由于“跨學科”是解決真實問題的必然路徑,將物理學科主題跨入到生物學科,甚至還運用信息技術學科內容,實現多學科的有機融合,建構有效的知識架構,幫助學生從多視角、多層次、多手段去經歷科學探究過程,學會多種科學探究方法,提升高階思維能力,培養正確的科學態度.

3.2 物理學與工程技術相互融合

工程技術內容來源于STEM物理教學理念,其是以科學、技術、工程與數學學科為基礎,打破各學科領域的邊界,實現多學科之間有效的融合,是跨學科實踐研究的重要方式.針對“人體中的杠桿”這些結構,其力學本質是杠桿,其工作機理是相應部位的肌肉收縮與擴張而產生力的作用,促使骨骼繞關節轉動來完成各種動作.從學生思維由淺入深的認知特點出發,教師首先用數字化拉力傳感器,建立“手臂提物”簡單杠桿模型進行探究.

任務2:設計“手臂提物”模型,探究它是什么類型的杠桿.

要求:運用工程技術手段組裝手臂模型,探究提起鋼球動作過程的力學特點.

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.

實驗探究過程:學生展示用木條制作的人體前臂模型,進行分組實驗.(1) 打開電腦桌面的軟件界面,將儀器“校零”,用拉力傳感器測出鋼珠重為G;(2) 如圖2所示,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重物(杠桿的阻力大小)動作;(3) 拉力傳感器鉤住木條后端的細線,模擬肱二頭肌收縮時提起前臂,電腦顯示傳感器拉力F(杠桿的動力大小).

圖2 模擬“手臂提物”的實驗裝置

學生分組反復實驗,發現該類型杠桿的動力始終大于阻力,于是得出探究結論:人體的前臂(手臂提物)是費力杠桿.

在日常生活中,中學生由于課業負擔重,要長時間伏案寫字、看書,有些學生常常坐姿不太端正.教師可以發問:當人在低頭時候,頸部的肌肉要承受多大的力呢?人們由于長時間坐辦公室工作,致使頸部肌肉勞損導致的頸椎病的比例為何高居不下?頸部肌肉勞損產生的原因是什么呢?經調查,有大量年輕人出現頸椎勞損現象,還有進一步年輕化的趨勢,對人體健康危害性極大,如何運用所學的知識解釋這些現象?怎樣預防與緩解這些癥狀呢?如果僅僅從杠桿平衡理論上進行分析,思維的坡度較陡,學生難以理解與接受.為了在課堂教學中降低思維臺階,幫助學生弄清這些疑問,教師指導學生設計數字化創新實驗展開自主探究實踐活動.

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作用.

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裝置系統,測量人在低頭時頸椎的受力大小.

(2) 為了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) 要求學生了解人體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:

(1) 人體頭部頸椎中杠桿及模型的組裝.

如圖3甲所示為人在抬頭時的狀況,A點為頭顱的重心;頭顱模型繞支點O轉動;B點為頸部肌肉收縮時拉力作用點;如圖3乙所示為人低頭時的狀況,頭顱從豎直位置轉動的角度為θ;頸部肌肉收縮時拉力大小為F.為了研究方便,首先取來塑料圓盤,將塑料尺沿半徑的方向用熱熔膠棒槍固定在圓盤上,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.用充電鉆在塑料尺前段打一小孔,將細線穿過小孔,下端懸掛200 g的鉤碼,模擬人頭顱的重量(杠桿的阻力大小);在圓盤靠近外側再打一小孔,將自攻螺絲旋入孔中,在螺絲上系好細線,用拉力傳感器鉤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(杠桿的動力大小).

圖3 人體頸椎中杠桿受力裝置圖

(2) 組裝量角器與數據采集裝置.

取來帶十字支架的鐵架臺,將組裝好的人體頭部頸椎模型豎直固定在轉軸上,再將量角器的頂點與頸椎模型共軸,豎直固定在鐵架臺上(如圖4左所示),剪出微型紅色箭頭粘在塑料尺上端作為標記,量角器可以測量人頭低下的角度大小.用數據線將拉力傳感器、采集器與電腦連接好備用(如圖4右所示).

圖4 模擬人體頸椎受力實驗裝置

實驗探究過程:

(1) 打開電腦桌面的軟件界面,“校零”儀器.用拉力傳感器測出鉤碼重為G=1.98 N.(2) 將拉力傳感器鉤住轉盤自攻螺絲上的細線,讓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°角,拉力傳感器沿與塑料尺平行方向拉住,待靜止時讀出示數為F1=4.28 N,模擬人低頭時頸部肌肉承受的拉力大小.

(3) 繼續讓圓盤上的塑料尺由豎直位置輕輕轉過45°角,仍然使拉力傳感器拉力方向與塑料尺平行,靜止時讀出示數為F2=4.80 N.

(4)再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F3=5.71 N、F4=6.39 N(如圖5所示).將測得數據填入表2中.

表2 人體頸椎承受拉力大小與頭部低下的角度的關系

圖5 探究人體頭部低頭的角度與頸椎的受力大小關系實驗

實驗結論:人體頸椎承受的拉力大小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也越大.頸椎承受的拉力也越大,對人頸椎損傷越大,造成的危害也越大.

在教師引導下,學生自主建構一些由簡單到較復雜的物理實驗模型展開深度探究,符合義務教育物理新課程標準的內容與要求.因為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.通過學生自主探究活動,極大提高課堂教學效率,順利實現思維進階,整個探究過程實質是高階思維主導的自主式學習,更是一種接近知識本質和智慧內核的學習方式.[2]在一系列實驗數據的比較分析中,將看似有些棘手的問題進行可視化處理,得益于工程技術融入物理教學中.因此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,培養學生積極認真的學習態度和樂于實踐、敢于創新的精神.[6]

3.3 物理學與社會發展的相互融合

新的義務教育物理課程標準特別注重培養學生的“知行合一、學以致用”的教學原則.我們在跨學科實踐中面對生活中的真實問題時,一定要不避諱矛盾,要知難而上去直面解決問題.通過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很大,必須高度重視.下面繼續設計跨學科主題任務進行探究.

任務4:頸椎病的癥狀及其產生原因有哪些?如何預防和緩解頸椎病,減輕頸椎勞損的預防措施有哪些?

要求:(1) 針對中學生群體,收集整理預防頸椎勞損的措施;(2) 通過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:網絡大數據平臺、醫院、學校、按摩店、養老中心等.

探究過程:首先,放手讓學生基于大數據平臺自主查詢并了解頸椎病的癥狀,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、有頭暈、惡心、嘔吐等癥狀,接著,讓學生在全校進行調查走訪,并結伴深入按摩店、醫院骨科門診和住院部等機構,開展產生頸椎勞損問卷調查統計.最后,再從云平臺上查閱頸椎問題的年齡分布及其產生的原因,設計好統計圖并做好數據分析得出探究結論.

探究結論:頸椎病是人體公害,有年輕化的趨勢,必須高度重視.

預防措施: 廣泛做好預防頸椎病的宣傳,要求學生不要長時間低頭伏案寫字、杜絕做看手機短視頻的“低頭族”;切記不要一個姿勢工作太久;要養成良好的生活和工作習慣,保護好自己的頸椎.另外,可以適量參加體育運動,如:做廣播體操、跳繩、打羽毛球等體育活動,也可以練習中國傳統的保健氣功——“五禽戲”和“八段錦”等,開展多種形式的中醫養生運動,積極預防頸椎病的產生或復發.

4 結語

跨學科實踐活動的有效實施有助于學生形成積極的態度和正確的價值觀;有助于培養正確的行為規范和創新的精神;有助于培育學生可持續發展的必備品格與關鍵能力.跨學科實踐活動的實施要緊密結合物理教學內容,體現綜合性和實踐性,注重激發學生的求知欲和學習熱情.作為一線物理教師可將先進的信息化教育教學手段與物理學科教學資源深度融合,選擇具有綜合性、實踐性的跨學科實踐課題,制訂跨學科實踐方案,科學引導學生循序漸進實施跨學科實踐,促進學生物理學科核心素養的發展,賦能創新人才的培養.

在實施跨學科實踐主題教學過程中,必須要體現“立足本學科”與“減負提質”的教學原則,同時,在開展跨學科實踐教學中一定要有物化成果的呈現和交流,物化的成果可以是數字化模型、創新實驗裝置、具體解決方案、活動總結、網絡調查報告等多種形式的呈現.[8]

總之,跨學科實踐活動的實施要求教師轉變教學觀念和教學方式,也要求學生學習方式做深度變革.在信息技術支持下的物理學科跨學科實踐活動的實施,旨在建構培養學生科學思維的“腳手架”;發展學生跨學科運用知識的能力、分析和解決真實問題的綜合能力、動手操作的實踐能力;培養學生積極認真的學習態度和樂于實踐、敢于創新的精神;培育學生物理學科核心素養,凸顯物理課程的實踐育人功能.