高中物理和化學跨學科課程的開發(fā)與實施
——以“伏打電池”為例

◎ 張澤遠 楊國強 余 瑾

為了提升學生的學科核心素養(yǎng)，為學生的終身發(fā)展奠基，上海市風華中學在物理、化學、生命科學、通用技術等學科嘗試開發(fā)了一系列跨學科課程?？鐚W科課程通過與實際生活相關聯(lián)，更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，滿足學生個性化發(fā)展的需求。

在實踐探索過程中，團隊發(fā)現此類課程需要技術和環(huán)境的有力支撐。綜合實驗室的使用有助于促進課堂教學實現高度靈活，使得即時的探究成為可能，同時也使得個性化的課堂教學成為可能，提高資源的利用率和教學智能化程度。綜合實驗室的應用既可以促進傳統(tǒng)的各個學科教學，也為開展跨學科的綜合課程教學提供了保障。

“探秘電池”以“能源”為話題，以真實電池的發(fā)現、研究、發(fā)展作為研究內容，從生物電的發(fā)現，到伏打電池的初步認識，然后結合實際情境，設計有實用價值的“蔬果手電”。通過這樣一系列真實問題的研究、解決過程，讓學生更加透徹地了解電學發(fā)展的歷史故事，理解電學發(fā)展的科學脈絡，感悟科學研究的過程與方法，激發(fā)研究興趣，在動手實踐中提升綜合運用知識的能力。

一、問題提出

“探秘電池”融合物理、化學學科知識，以問題為核心驅動。以電池為話題，開展單學科體驗學習、跨學科引導探究和跨學科綜合三個層次的學習。

同時，對于具體的跨學科的課例設計，如何在傳統(tǒng)“學知識加練習”的思路基礎上更進一步落實“學以致用”，使得學生可以在課堂的探索中自發(fā)地建構跨學科、跨領域的知識，避免出現不同學科知識單純堆疊“拼盤”的現象，讓學生有主動去解決問題的動力，去構建解決問題的方法，同樣也是在此次課堂轉型的過程中所需要重點探索和嘗試解決的問題。

由于傳統(tǒng)的課堂硬件資源單一且無法改變，導致在傳統(tǒng)課堂教學中對于環(huán)境資源的構建和利用容易受到忽視，較少被納入教師的設計中來。因此，重視教學環(huán)境的設計和在教學中發(fā)揮重要作用，探索構建硬件的教學環(huán)境來回應教學需求，將實驗室環(huán)境設計納入教學活動的設計中來，使得教學環(huán)境可以轉變?yōu)椤皩W習空間”，并在“探秘電池”的課程實踐中加以實現。

二、跨學科設置探索過程

“拯救伏打”是“探秘電池”中的一節(jié)課，主要是利用數字化信息實驗系統(tǒng)（以下簡稱“DIS”），幫助學生制作和改進伏打電池，逐步優(yōu)化電池性能，并最終成功點亮燈珠。

在這個解決問題的過程中，我們還原生活中解決問題的一般方法：遇到問題、分析問題、尋找解決方法、嘗試解決的過程，讓學生在遇到問題后自主學習，通過小組討論、探究歸納、查閱資料等多種形式構建跨學科、跨領域解決問題的能力，整合多種學習形式，讓課堂轉變?yōu)橐詫W習者為中心，避免跨學科跨領域課程的“拼盤”現象。

我們設計了“器材超市”的實驗室環(huán)境設計，打破教師事先準備實驗器材，學生拿起來用的慣例，將選擇器材、設計實驗變?yōu)閷W習的重要的一部分，讓教學環(huán)境的設計成為重要的教學組成部分，完善了學生在課堂上的探究活動，拓寬了課堂實驗教學的邊界。

三、課堂實踐

筆者以“伏打電池”為例，通過帶領學生共同制作、改進實驗器材的方法推進學習；通過創(chuàng)新教學設計、創(chuàng)設數字實驗室環(huán)境來激活學生的思維，養(yǎng)成從跨學科視角思考的習慣，提升學生學科核心素養(yǎng)。該課程開發(fā)共經歷了四個階段，具體如圖1 所示。

（一）伏打電池1.0 的制作與分析

筆者給學生布置的本節(jié)課大任務是：自制伏打電池并點亮燈珠。學生首先嘗試制作實驗儀器：容器中倒入0.1mol/L 稀硫酸溶液，然后將鋅片和銅片插入左邊插槽中，即完成了一節(jié)原電池的制作。用導線將金屬片與容器上的小燈珠兩接線柱相連，即完成了一節(jié)伏打電池與一個燈泡串聯(lián)的簡單電路。

通過實驗發(fā)現該裝置無法點亮燈珠，因此通過DIS，進行故障分析。將電壓傳感器并聯(lián)在電源兩端，打開DIS 通用軟件，測量電池的電壓僅為0.3V 左右，發(fā)現遠遠小于燈珠所需電壓1.5V。

圖1 課程開發(fā)流程圖

接著，教師引導學生討論得到實驗改進方案：制作多節(jié)伏打電池，通過串聯(lián)增加輸出電壓滿足小燈珠所需，3—4 節(jié)伏打電池串聯(lián)，理論上即可點亮燈珠。

學生在化學學科學習過原電池的原理，在物理學科中學習過電池可以點亮燈泡，但是沒有在實際情境中把二者聯(lián)系過。這是真實情境中意料之外的失敗，會引發(fā)學生主動思考：問題可能出在哪里?需要綜合各學科知識來探索和分析，自然地打開學生跨學科、跨領域運用知識進行實踐和探究的理性思維和批判質疑能力，提升科學精神素養(yǎng)。

（二）伏打電池2.0 的制作與分析

為了找到燈泡不亮的原因，按照上述分析所得出的第二版方案，取3—4 個容器，同樣倒入0.1mol/L 稀硫酸溶液，將一片鋅片和銅片插入插槽中，分別制作3—4 節(jié)伏打電池。其中鋅片為負極，銅片為正極，用導線將電池正負依次相連，即完成了伏打電池的串聯(lián)，最后再將最外側兩金屬片與小燈珠連接，即完成了多節(jié)伏打電池串聯(lián)的電路。

通過實驗發(fā)現依然無法點亮。進一步進行分析故障，通過測量路端電壓與斷路電壓，發(fā)現核心問題是自制電池存在內阻，再增加串聯(lián)電池數不一定有效果，而需要建模分析。接下來，通過DIS 對第二版儀器進行分析，結合小組討論與教師引導，構建內阻與電動勢的概念，測定單節(jié)自制伏打電池的內阻與電動勢，并且建立電池內阻、電動勢與點亮燈珠所需電池數量的函數關系模型，從而對后續(xù)的工程優(yōu)化建立數據目標。

在伏打電池2.0 的制作中，學生會遇到第二個預料之外的失敗，通過進一步的故障分析，建構對于內阻和電動勢的認知，從而發(fā)現解決問題的關鍵。通過教師引導，建立起工程優(yōu)化建模的系統(tǒng)思維方法，為后續(xù)解決問題建立具體的量化目標方向。學生為了解決預想不到的失敗，自然需要建構對內阻電動勢的認知。同時，由于內阻和電動勢的改進是一個系統(tǒng)性的工程問題，因此在解決問題的過程中，學生也體會了從工程思維來系統(tǒng)性分析思考問題的方法，提高了問題解決和技術運用能力，提升實踐創(chuàng)新素養(yǎng)。課堂教學在“以學習者為中心”的同時，也向著“能力中心型”轉變。

（三）核心問題分析

根據理論數據找到達到這個期望值的具體方法。學生通過小組討論、理論推導、電子資料庫搜索等多種途徑，來思考改進電池性能的方法與相關理論例如影響化學反應速率的因素、影響電阻大小的因素等，并且提出猜想：極板之間距離、極板面積、溶液溫度、溶液濃度等。然后通過小組間分工合作的形式完成各個猜想的探究實驗，分別驗證各個優(yōu)化電池性能的方案的有效程度（見表1）。例如，第一組小組負責驗證兩電極間距對電池性能的影響，在容器的左邊區(qū)域，插入金屬片，記錄當中間隔的格數，然后通過DIS 測量電動勢并測算出內阻大小，再通過控制變量法，改變兩極板的間隔，記錄對應的電動勢與內阻數值，并得出結論。

在這個階段的教學設計，我們參考了在平時生活中學習新知識或者技能來解決遇到實際問題的過程：分析問題，在互聯(lián)網上搜索或者問身邊的人，然后去實踐，解決問題，下次再遇到類似問題的時候就會有獨自解決的思路了。這種能夠持續(xù)和自適應、跨學科解決實際問題的能力，希望通過跨學科、跨領域的學習來傳遞，從而提高學生樂學善學的能力。

表1 分組探究影響電池性能因素部分數據

為了支持這樣的教學過程，本環(huán)節(jié)設計了“器材超市”，將探究過程中可能用上的各種溶劑、金屬、器具等都準備好，像自助餐一樣陳列于一旁，學生在探究過程中需要什么可以直接向負責教師取用，這樣使得選擇實驗器材和設計實驗這個環(huán)節(jié)也成為了需要學生自發(fā)完成的學習過程的一部分，大大擴展了課堂探究實驗的培養(yǎng)邊界，進一步培養(yǎng)學生跨學科解決實際問題的能力。同時，還配套了即時互動文檔。將可以多人在線同時編輯的文檔作為各組的數據記錄、分析與交流的工具，讓所有學生可以在記錄分析自己小組數據的同時，實時獲得所有小組的數據與結論，使得小組間合作解決大任務成為可能。

本環(huán)節(jié)同樣讓學生在解決“提高電池性能”這個真實問題的過程中自發(fā)地以各種途徑發(fā)生學習，提高信息意識，而學習的內容又可以馬上運用于解決該困難，這樣的學習方式，知識獲取的途徑是多種多樣的，不僅僅是教師的講解，如在思考改進電池性能環(huán)節(jié)，學生就通過互相討論、理論推導、互聯(lián)網搜索等多種途徑來尋找相關理論。例如，影響化學反應速率的因素、影響電阻大小的因素等，并且提出猜想，通過小組間分工合作的形式完成探究，以多種方式分享研究過程與成果，在跨學科實踐中有效地推動學習的發(fā)生，從而提高學生自主發(fā)展的核心素養(yǎng)。

（四）伏打電池3.0 的制作與分析

每個小組根據上個環(huán)節(jié)各個小組不同方案的驗證數據，自主權衡，在其中挑選3 種方法，從工程的角度綜合考慮電池的輸出性能與持久性，在有限的時間內，制作出最終的實驗儀器3.0（如換用硫酸銅溶液、減小金屬片間距并且電池串聯(lián)三種措施相結合：取3 個容器，倒入0.1mol/L 的硫酸銅溶液，將金屬片緊貼插入插槽中，然后把3 個伏打電池依次首尾相連）。并進行一個小競賽：都只能采用3 種改進方法，看哪個小組可以將電池性能數據優(yōu)化得最棒，同時把燈珠點得最亮最持久，這在有效培養(yǎng)學生物理、化學學科核心素養(yǎng)的同時，還鍛煉學生的工程思維和理性思維，有效提升學生科學核心素養(yǎng)。

最后，教師展示伏打電池的實驗器材，從工程學的角度討論分析伏打的做法與歷史故事，與自己的制作經歷產生對比和共鳴，進一步深化思考與所學內容，提升學生的人文積淀和人文情懷。

在展示課時，最終勝利的小組代表說：“我們小組成功了，我現在好開心！啊，燈到現在還在亮！”學生能夠在學習的過程中，全身心積極地參與到活動中來，收獲知識與能力，并由衷地感受到開心，就是筆者嘗試教學設計創(chuàng)新的最大動力。

四、教學反思

“伏打電池”的逐步優(yōu)化過程是基于跨學科課程提升學生學科核心素養(yǎng)的一個例證。其中比較大的難點是要打破學科界限，融合物理、化學學科不同的學科思路，以制作改進實驗儀器為線索，真正培養(yǎng)跨學科解決問題的能力。在設計中，我們有效地解決了學科融合的難點。整堂課的知識學習都是遵循“遇到問題—發(fā)生學習—解決問題”的思路來推動的，在學習的形式上，有多種形式：小組討論、探究歸納、查閱資料，整合多種學習途徑，促進課堂教學向“學習者中心”和“能力中心”轉變。

無線套裝的DIS 為核心的數字化對課堂效率的提升、助力學生創(chuàng)造力的發(fā)展有無法取代的作用。學生在課堂上，通過DIS 使得整個環(huán)節(jié)可以快速獲取準確的數據并分享，使得通過“器材超市”來自主進行探究實驗成為可能，實質是將課堂實驗探究教學的邊界進一步拓展到了實驗設計與器材準備的環(huán)節(jié)，營造真實情境的教學，提高解決真實問題的能力。

我們認為，以跨學科課程的實踐、以數字化信息實驗系統(tǒng)為核心來設計真實情境的探究實驗是一個在新時代比較有效地創(chuàng)新教學實踐，綜合提升各個學科核心素養(yǎng)的有效方法。同時，也可以讓教師在實踐中與學生共同成長，滿足新時代教育的訴求，轉變思維，實現課堂的轉型，讓學科核心素養(yǎng)能夠在一線教學扎根。