物理與工程實踐跨學科主題活動的教學設計與實施

摘" "要：2022年4月教育部發布的《義務教育物理課程標準（2022）年版》提出了跨學科實踐，“物理學與工程實踐”是其重要內容之一，探索物理與工程跨學科實踐的方法和路徑尤顯迫切。文章將工程實踐的基本過程融入物理教學，圍繞界定工程問題、開發解決方案、實施方案規劃、優化設計方案和成果展示與評價交流5個階段來設計和實施教學過程。學生以小組合作形式在其中學習并應用物理知識、參與防汛報警器的制作。教師制訂評價量表對學生的成果進行多元評價，培養學生的工程思維，做到物理學與工程實踐的有機融合。

關鍵詞：跨學科實踐；物理與工程；防汛報警器

1" 問題的提出

2022年4月教育部發布的《義務教育物理課程標準（2022）年版》提出了“跨學科實踐”，“物理學與工程實踐”是其重要內容之一[ 1 ]。“跨學科實踐”主題活動突出了課程的綜合性、實踐性特點，面向未來培養學生跨學科應用知識解決實際問題的能力。“物理與工程實踐”跨學科主題活動可以讓學生在物理學習中綜合認識物理知識在工程技術中的應用，體會科學、技術、工程之間的關系，了解發現、發明、建造之間的區別和聯系，培養學生創新與創造的能力。科學、技術與工程屬于不同的研究范疇，但三者之間又緊密相關。從概念上講，科學主要解決“為什么”的問題，從而增進對自然界的理解；技術致力于改造自然，造福社會，解決的是“怎么做”的問題；而工程研究的目的和任務不是獲得新知識，而是獲得新的人工物，是要將人們頭腦中的觀念形態的東西轉化為現實，并以物的形式呈現出來，其核心在于觀念的物化[ 2 ]。物理教學中融入工程實踐作為學生跨學科實踐的重要內容之一，學生在此過程中將物理知識與方法遷移應用于工程實踐，提升學生動手實踐的操作能力、問題解決能力和創新能力，培養學生的工程思維。

2" 跨學科實踐活動的主題確定

對于“跨學科實踐”活動主題的選取，教材與課程標準是重要依據，筆者從《義務教育物理課程標準（2022）年版》中跨學科實踐的內容要求出發，選取人教版初中物理教材中第二十章第3節“電磁鐵 電磁繼電器”作為學生“物理學與工程實踐”跨學科實踐活動的內容。防汛報警器實際上是電磁鐵與電磁繼電器的應用，學生通過學習相關知識并將知識應用于防汛報警器的制作。在此過程中，學生學習并應用物理原理與知識，參與科學與工程實踐活動。因此，本次跨學科實踐活動以“防汛報警器的制作”為主題開展，旨在發展學生解決問題和動手實踐的能力，使學生體會物理學與工程技術對社會進步的推動作用，做到物理學與工程技術的融合。

3" 物理與工程實踐跨學科主題活動的教學實施

在工程實踐中，需要經過界定工程問題、開發解決方案、實施方案規劃、優化設計方案等流程，最終制作出成品[ 3 ]。對于本次教學實施，采用圖1所示的模式整體貫通地組織教學活動，依據工程設計的思路開展跨學科主題活動。

3.1" 界定工程問題

教師展示新聞：2023年9月，受臺風“海葵”影響，福州地區降雨突破歷史極值，形勢嚴峻，相關人員立即進行防汛救災。由此引導學生思考：如何能夠發出預警信息從而做到及時救災？隨后教師提示：發出預警信息需要相應的設備——防汛報警器，進而組織學生討論：防汛報警器需要具備哪些功能？

通過創設“防汛救災”這一真實情境引導學生進行討論，學生進行防汛報警器的需求分析，將生活需求轉化為工程需求，為學生開展工程實踐做好鋪墊。同時通過社會熱點問題，將物理學與工程技術聯系進而提出驅動性問題，能夠激發學生學習的興趣，提升學習動機，并且此事件發生在福州當地，能夠增強學生的參與感，有效貫穿和驅動學生后續的學習，還能培養學生的社會責任意識以及關注社會熱點的良好習慣。

3.2" 開發解決方案

3.2.1" 明確問題，制定驗收標準和約束條件

教師提示學生，開發解決方案首先要識別待解決的問題，明確最終產品達成的標準。為了讓學生體會工程實踐中產品驗收標準和約束條件的重要作用，教師組織學生討論，確定防汛報警器模型需要達到哪些驗收標準，例如在水位達到警戒線時能夠報警。隨后，教師提示學生需要考慮過程中可能會受到的各種材料和各類資源等的限制，例如只能利用實驗室或生活中的常見材料。

3.2.2" 細分步驟，體會工程的系統性和復雜性

工程實踐具有系統性和復雜性，此實踐活動比較復雜無法一次性完成，根據制作順序，將活動拆解為“探究原理—熟悉結構—產品制作”三個步驟。其中任務1和任務2為探究原理，任務3為熟悉結構，任務4和任務5為產品制作，每個任務分別設計驅動性問題并預設學生活動，學生在逐步完成任務的過程中進行實踐活動，最終完成制作，體會工程的系統性和復雜性，具體如表1所示。

3.3實施方案規劃

3.3.1任務1：認識電磁鐵

教師播放電磁起重機工作的視頻進行新課引入，并提問：為什么電磁起重能夠將鐵塊吸起后又放下？隨后教師準備電源、開關、導線、鐵釘、大頭針等道具進行演示實驗，學生觀察實驗現象后，經過小組討論以及教師總結得出電磁起重機的工作原理及電磁鐵的組成（通電螺線管和鐵芯）。

此任務旨在讓學生回顧電流的磁效應和通電螺線管的知識，在觀察與討論中總結出電磁鐵的工作原理及組成，為順利進行后續任務做好鋪墊。

3.3.2" 任務2：自制電磁鐵并探究影響電磁鐵磁性強弱的因素

教師提示學生探明影響電磁鐵磁性的強弱是制作防汛報警器的知識基礎，學生進行小組討論，猜想可能的影響因素。接著，教師總結學生猜想并引導學生制作電磁鐵。最后，學生利用制作的電磁鐵及相關實驗器材開展實驗探究，將實驗數據記錄到表格中，得出實驗結論。實驗記錄表格如表2所示。

此任務旨在使學生通過探究實驗繼續深入學習電磁鐵相關知識，掌握控制變量和轉換的思想方法，在探究過程中鍛煉學生獲取數據、分析數據的能力。

3.3.3任務3：熟悉電磁繼電器

教師展示電磁繼電器的工作示意圖（圖2）并播放動畫演示其工作過程，幫助學生了解電磁繼電器的組件及組件之間的相互作用機制。學生小組討論后，派代表匯報電磁繼電器的工作原理。

此任務旨在令學生理解并掌握電磁繼電器的構造及工作原理，作為后續制作電磁繼電器的理論基礎。學生通過討論總結原理并上臺匯報，提升學生的語言組織和表達能力。

3.3.4" 任務4：制作電磁繼電器與防汛報警器模型

教師提醒學生根據圖2所示的電磁繼電器工作示意圖制作模型，學生根據約束條件于實驗室中選取道具或于生活中獲取廢舊材料進行制作。在制作過程中須注意將磁性調節至合適大小，能夠順利將銜鐵吸下，達到模型驗收標準。如圖3、圖4所示，是學生制作的電磁繼電器模型，在開關閉合時，電磁鐵都能將銜鐵吸下，符合模型要求。

在工程決策的過程中，應堅持可持續性原則[ 4 ]。制作電磁繼電器模型這一任務，鼓勵學生利用廢舊材料制作，遵循可持續性原則，提升學生使用道具與利用常見材料制作實物模型的能力，同時還能幫助學生樹立保護環境、廢物利用的價值觀。

3.3.5任務5：制作防汛報警器

教師展示溫度自動報警器、電鈴等的結構圖，讓學生嘗試說出它們的工作原理。隨后，學生回憶防汛報警器的功能需求，設計模型的電路圖。最后，教師收集并統一模型的設計圖，如圖5所示。統一設計圖后，學生開始制作，在制作過程中，學生需要不斷調試，確保水位超過警戒線時裝置能夠報警。圖6是學生制作的成品圖，但不論怎么調試，裝置都無法在達到水位線時報警，經過查閱相關資料以及相互討論，學生一致認為是由于水的電阻較大，流經線圈的電流較小，電磁鐵產生的磁力不足以吸下銜鐵。

科學知識是工程實踐的基礎[ 3 ]，在該任務中，教師展示相關裝置的結構圖并引導學生回顧報警器的功能需求，確保學生對科學知識已經有足夠的了解。隨后，教師鼓勵學生利用設計圖嘗試將解決方案可視化，以便分享和討論設計思想。最后，基于此設計圖與此前制作的電磁繼電器模型構建出產品模型并進行測試，但發現無法達到模型驗收標準，學生將重復改進設計。

3.4" 優化設計方案

任務5制作出的防汛報警器模型無法達到驗收標準，學生經查閱文獻發現，有學者已經設計出了改進方案[ 5 ]，通過教師與學生共同討論，統一改進后的設計圖。如圖7所示，利用廢舊泡沫B制作浮漂確保水位上升時漂浮上的鐵片能夠與鐵片A接通電路。學生根據新的設計圖改進此前制作的防汛報警器，圖8為學生改進后的裝置，當到達一定水位時，報警器能夠報警，達到模型驗收標準。

工程學注重從需求層面迭代優化[ 6 ]，這一點應用于此任務，旨在讓學生意識到一個產品的設計、制作、完善、改進需要經歷復雜的過程，加深學生對工程實踐過程和原則的理解，培養學生思維的深刻性和批判性，提升學生的創新能力。

3.5" 成果展示與評價交流

制作完畢后，以小組為單位，將成果進行全班展示，從實驗探究、材料選擇、小組分工、問題解決、效果及外觀等對制作的模型進行介紹。介紹結束后，其他同學可以對此小組提出自己的疑問，此小組對其他同學的疑問加以解答，在問答環節結束后，其他小組對此小組進行打分，評價量表如表3所示。

對成果進行全面展示及匯報，驅動學生梳理學習以及制作的過程，深化學生對相關知識的理解，在小組合作過程中，提升學生溝通交流的能力，在匯報問答環節，培養學生勇于質疑的精神，讓學生感受到組內交流，組間評價的重要意義。

4" 物理與工程實踐跨學科主題活動的教學思考

“防汛報警器的制作”是一次物理與工程跨學科教學嘗試，該實踐活動在任務鏈與問題鏈的驅動下，綜合運用跨學科的知識與方法開展工程實踐，解決真實問題。以工程實踐的模式開展教學，各個環節都有不同側重地發展學生的系統思維、決策思維和創造性思維，將工程教育與物理教學有機融合，發展學生的工程思維。當今社會科學技術飛速發展，對人才的要求越來越高，將工程實踐融入物理教學，可以幫助學生適應時代要求，為未來的發展奠定基礎。對于教師，要充分認識到工程思維對學生的重要性，積極參與物理與工程跨學科實踐的開發與教學實施。總之，將工程實踐融入物理教學，是人類步入新時代的必然要求，也是新時代背景下物理教學的必由之路。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022：33-34.

［2］ 楊水旸.論科學、技術和工程的相互關系[J].南京理工大學學報（社會科學版），2009，22（3）：84-88，123.

［3］ 張穎之.基于工程設計的跨學科實踐活動設計思路與實施策略[J].課程·教材·教法，2024，44（1）：114-119.

［4］ 張秀華.工程：具象化的科學、技術與社會[J].自然辯證法研究，2013，29（9）：46-52.

［5］ 王書方.水位自動報警器裝置的改進[J].物理教師，2000（1）：18.

［6］ 韓思思，楊杰.基于項目的初中物理與工程跨學科實踐：以“制作潛水艇模型”項目為例[J].物理教師，2023，44（1）：40-43.