跨學科實踐中探索物理實驗創(chuàng)新

梁喆

2022年4月，教育部印發(fā)《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”），在課程內(nèi)容中增加了跨學科實踐這個一級主題，包括物理學與日常生活、物理學與工程實踐、物理學與社會發(fā)展，凸顯了物理實踐對建構(gòu)物理觀念、認識物理規(guī)律、領(lǐng)會其內(nèi)涵及相互聯(lián)系的重要作用。課標基于物理實驗教學，倡導教師引導學生開展跨學科實踐，進行創(chuàng)新探索，以培養(yǎng)和提高他們的各種能力。

新時代的物理教師要做創(chuàng)造者，而非知識“搬運工”，應守好、用好實驗教學主陣地，切實提高課堂教學質(zhì)量。筆者嘗試將理論教學融于實驗生活化創(chuàng)新中，解決少數(shù)教師或多數(shù)學生未能深度參與的難題，喚醒師生對物理實驗的重視，建構(gòu)師生實驗能力提升體系。在跨學科實踐中以解決真實生活問題為目標，筆者從物理與日常生活、物理學與工程實踐、物理學與社會發(fā)展三個維度，打開基于物理實驗創(chuàng)新生活化的新視角，以機械型和智能型自動停水裝置的設(shè)計與制作為例，提出太陽能熱水器、魚缸、水箱等真實情境中自動停水的簡潔方案，以提升學生的實驗素養(yǎng)、實驗功底、實驗意識、實驗能力，進一步落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求。筆者融合創(chuàng)新與生活化模式，針對自動停水裝置的設(shè)計與制作，在杠桿、滑輪的生活化應用中制作機械型裝置；在液位傳感器、繼電器、控制模塊的生活化應用中制作智能型裝置，實現(xiàn)自動停水功能，并引導學生對機械型和智能型裝置進行比較。筆者堅持素養(yǎng)導向開展實驗教學，通過跨學科實踐解決問題，突破物理教學難點，讓學生感受創(chuàng)新實驗生活化實驗的意義，切實體味參與其中的幸福。

一、物理教師要牢牢把握跨學科實踐的時代要求

新時代，物理教師增強創(chuàng)新意識具有現(xiàn)實緊迫性，應該結(jié)合物理實驗生活化的特點，融合多元的教學方法，構(gòu)建更多維的興趣指標，幫助學生提高能力。

（一）深入實踐，創(chuàng)新實驗，提升能力——豐富精神世界

如何提升教師實驗創(chuàng)新能力，促進教師積極開展實驗教學？學校應鼓勵教師將教學融入實踐，在生活化情境中采用跨學科實踐模式教學，呈現(xiàn)實驗器材等的創(chuàng)新和改進。教師要把握創(chuàng)新教學的時機，在融合創(chuàng)新與生活化實踐的教學中，逐步適應新時代的發(fā)展，努力使自己具有創(chuàng)新能力和管理才能。如何應用實驗生活化的創(chuàng)新模式？教師要具有創(chuàng)新意識，設(shè)計激發(fā)學生興趣的模式與方法，捕捉生活中的問題（如怎樣給水箱、魚缸等上水），借助生活化情境的小問題解決知識建構(gòu)大問題。教師設(shè)置生活化問題情境，引導學生設(shè)計跨學科實踐方案，不僅可以提升學生創(chuàng)新實踐能力，而且可以開闊教師自身的教育教學眼界。

（二）重視發(fā)展，敢于擔當，理解教育——承擔教育責任

教師要堅守教育本真，重視學生的發(fā)展，關(guān)注各種智能技術(shù)的融合應用。以物理學科為例，教師對實驗教學進行生活化創(chuàng)新，更能吸引學生注意力。筆者從停水問題入手，以生活化概念拉近學生與物理的距離。物理教師要承擔起創(chuàng)新實驗教學的責任，在傳授學科知識以外，引導學生重構(gòu)知識，通過實驗生活化創(chuàng)新，使教學回歸自然，融入實踐。

（三）篤信科學，堅定信念，為人師表——引領(lǐng)人格力量

物理教師的魅力體現(xiàn)為嚴密的理性思維，超強的實踐能力，超凡的人格魅力。筆者對某年級學生進行問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)一位具有較強動手能力的物理教師能夠吸引約75%的學生的注意力，近1/3的學生表示特別有興趣并想?yún)⑴c該教師創(chuàng)設(shè)的問題情境活動。教師篤信科學，積極開展跨學科實踐，彰顯人格魅力，有利于引導學生在快樂中探究。學生參與度與教師內(nèi)驅(qū)力正相關(guān)，這激勵教師設(shè)計更加“新奇特”的生活化實驗，來引導學生探究。

二、在跨學科實踐中探索物理實驗創(chuàng)新的路徑

瑞士心理學家讓·皮亞杰認為認識是一種以主體已有的知識和經(jīng)驗為基礎(chǔ)的主動建構(gòu)。筆者基于跨學科實踐進行實驗生活化創(chuàng)新，關(guān)注“探究運用—解決問題”過程，提高學生探究能力，倡導跨學科實踐：物理學與日常生活、物理學與工程實踐、物理學與社會發(fā)展。筆者引導學生設(shè)計并制作水箱、魚缸等自動上水問題的裝置，使用杠桿和滑輪制作機械型停水裝置，用液位傳感器、繼電器、控制模塊制作智能型停水裝置，解決家庭生活問題，做對比分析，進行內(nèi)容設(shè)計、活動組織、學習評價、實踐評價等多維表征（如圖1），參與實驗探究。

（一）“好奇”與“想象”指向內(nèi)容設(shè)計的創(chuàng)造

物理教師要堅持問題導向，創(chuàng)新跨學科實踐，在設(shè)計和開展生活化創(chuàng)新實驗時，要強化對學生自主創(chuàng)新能力和解決實際問題能力的培養(yǎng)。筆者結(jié)合生活經(jīng)驗，提出水箱、魚缸、太陽能熱水器等自動上水問題。以太陽能熱水器為例，學生通過線上研究調(diào)查，發(fā)現(xiàn)市面出售的多數(shù)裝置自動上水依靠水位感應器探頭來實現(xiàn)，其價格高且使用超過半年就會出現(xiàn)水箱上水不滿等問題。主要原因是水位感應器表面積累水垢或銹蝕，造成感應數(shù)據(jù)生成有誤，系統(tǒng)不能正常地在上滿水后關(guān)閉電磁閥門用完后打開，而是間斷地重復開或關(guān)。筆者提出生活化問題，激發(fā)學生好奇心和想象力，讓他們針對真實情境問題設(shè)計機械型停水裝置解決上述問題。在筆者的指導下，學生繪制了裝置結(jié)構(gòu)圖（如圖2）——施加一個靈巧的力將水管閥門關(guān)閉即可實現(xiàn)控制功能。學生用簡單的機械系統(tǒng)解決了上水難題。生活化創(chuàng)新最大的特點是成本低、效果好，回歸物理本真。

（二）“融合”與“多元”感受活動組織的綜合

教師基于跨學科實踐開展物理實驗生活化創(chuàng)新教學，體現(xiàn)物理與生活的聯(lián)系，其方式有項目式學習、創(chuàng)客教育等。教師要堅守物理本真，從生活實踐中提煉問題和模型，要注重活動組織安排，體現(xiàn)分組教學之妙。學生只有愛上動手，才會主動探究并解決問題。筆者引導學生分組探討關(guān)鍵問題：一是閥門關(guān)閉；二是滑輪和杠桿的使用；三是將力作用到閥門上。學生參照設(shè)計圖制作出機械型停水裝置，借助“鋼索—滑輪—杠桿—回水桶”這一體系實現(xiàn)自動上水。對于此類實驗，教師應作為指導者和啟發(fā)者，主動融入學生實踐中，與學生共同發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題。學生綜合運用物理知識解決生活化問題，既能建構(gòu)物理知識，又能提高協(xié)作能力、交流能力和創(chuàng)新能力。授人以魚不如授人以漁。使學生在活動中能組織、能融合、能創(chuàng)新、能合作，才是物理教育的意義所在。

（三）“個性”與“空間”表征學習評價的革新

物理實驗是以生活為源頭的實踐與應用。教師開展生活化情境創(chuàng)新實驗教學，有利于為學生提供個性發(fā)展的空間。教師要鼓勵學生直面問題，引導他們慎思審辯，解決問題。教師革新傳統(tǒng)的評價方式，在終結(jié)性考試之外，讓學生設(shè)計解決實際問題的方案，更有利于提升學生素養(yǎng)與能力。筆者在教學中從物理與工程實踐的視角出發(fā)，讓學生在制作機械型自動停水裝置的基礎(chǔ)上，分組調(diào)查，展開研討與合作。學生用液位傳感器、繼電器、控制模塊，制作了自動停水的智能型裝置（如圖3），通過“傳感器—控制模塊—繼電器—水泵或電磁閥”這一體系實現(xiàn)自動停水。此裝置具有智能化、簡捷、易操作、靈敏度高、成本低等特點。筆者堅持工程實踐理念，引導學生從機械型向智能型拓展，在生活化情境的體驗中，循序漸進構(gòu)建起解決問題的途徑，將評價貫穿跨學科實踐整個過程。

（四）“素養(yǎng)”與“能力”呈現(xiàn)實踐評價式教育

物理與社會發(fā)展視角體現(xiàn)在：教師創(chuàng)設(shè)生活化情境，讓學生設(shè)計并制作停水裝置，參與跨學科實踐，在制作解決問題所需器材的過程中，培養(yǎng)動手能力和解決實際問題的能力。物理實驗生活化激發(fā)了學生學習物理的興趣，提升了學生的關(guān)鍵能力和必備品格。筆者評價時重點關(guān)注學生在解決問題過程中的參與程度，而非只看結(jié)果。同時，筆者還要看學生針對這一跨學科實踐問題提出的反思和利弊分析。在筆者指導下，學生討論后總結(jié)出機械型停水裝置的優(yōu)點、缺點，智能型停水裝置的優(yōu)點、缺點（見表1）。為突破局限，學生提出機械型自動停水裝置的優(yōu)化方案：回水管處設(shè)置排水裝置會更方便，進水和回水管道在同一處容易安裝，要對閥門關(guān)閉的契機進行量化分析控制。智能型自動停水裝置的優(yōu)化方案：防止線路老化、接線口松動，加強傳感器外殼保護等。學生深度參與活動，能解決基本問題，還能深入剖析并遷移應用。

三、跨學科實踐視角下物理教學亟須提高的四方面

創(chuàng)新是一個民族的靈魂。物理實驗生活化創(chuàng)新能在跨學科實踐中綻放光彩。跨學科實踐和學科教學互為補充：從認知加工意義上講，跨學科實踐是為解決復雜問題；中小學課程與教學中的跨學科實踐指向綜合應用多門學科知識、技能和觀念，促進學科之間的融通與整合。教師要增強創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力并將其應用到跨學科實踐中，以創(chuàng)設(shè)物理實驗情境解決生活化問題為核心，提升學生跨學科實踐能力。教師亟須從以下四個方面優(yōu)化教學。

（一）提升智育水平，激發(fā)創(chuàng)新動力

跨學科學習能打破學科壁壘，學生在解決實際問題過程中有效地運用其他學科的知識，統(tǒng)整知識加深理解。跨學科學習過程是學科知識綜合運用和深度學習的過程，學生由淺層學習邁向深度學習。教師以生活化實踐模式開展實驗教學，著力培養(yǎng)學生認知能力，促進思維發(fā)展，激發(fā)創(chuàng)新動力。在教學中，教師要發(fā)揮主導作用，把握物理學科特點和知識結(jié)構(gòu)，遵循學生認知規(guī)律，備好每一堂課，上好每一堂課。

（二）革新教學方式，促進思維發(fā)展

教學相長，啟發(fā)很關(guān)鍵。在探究教學的過程中，教師課前既要指導學生預習，又要提前備好課，掌握學情。課上攻難點、建體系，讓學生主動思考、自主探究。教師要融合多元智能技術(shù)，創(chuàng)設(shè)真實情境，組織跨學科實踐活動。教師要將工程與技術(shù)的學習聯(lián)系起來，精準分析學情，精確掌握學生的關(guān)注點，在跨學科實踐的教學中，因材施教，促進學生思維發(fā)展。

（三）加強教學管理，優(yōu)化教學環(huán)節(jié)

物理學科具有實驗特質(zhì)。教師要按照課標制訂學科計劃，優(yōu)化教學環(huán)節(jié)，注重對學生跨學科實踐能力的考查，改變僅有終結(jié)性考試的單一局面，引導學生漸進地參與到實踐探究中，讓學生經(jīng)歷設(shè)計、制作、解決生活化問題的全過程，培養(yǎng)協(xié)作能力。教師要設(shè)計正確合理的問題，啟發(fā)學生思考問題，自主探究，真正實現(xiàn)高效教學。

（四）融合教育智能，構(gòu)建科學機制

信息技術(shù)與教育教學深度融合必將服務社會、服務師生，促進義務教育各學科的數(shù)字化資源體系的建立與完善。在這樣的背景下，物理跨學科實踐能夠充分發(fā)揮優(yōu)勢。教師要從物理與日常生活、物理與工程實踐、物理與社會發(fā)展等維度，不斷探索智能與技術(shù)的融合，例如在工具與裝置從機械型轉(zhuǎn)向智能型的過程中加強智能型傳感器的應用。教師需要適應這樣的高速發(fā)展，融合應用數(shù)字化技術(shù)和資源，為建構(gòu)生活化實踐體系奠定基礎(chǔ)。

總之，教師在物理教學中探索跨學科實踐和創(chuàng)新實驗，更能吸引學生的眼球，激發(fā)學生的探究欲望。學生設(shè)計、制作相關(guān)裝置解決生活中的問題，更好地感受物理實驗的探究過程、思維過程，實現(xiàn)了解決問題的終極目標。未來，教師設(shè)計基于物理實驗的跨學科實踐教學，能夠在理解物理知識的前提下，關(guān)聯(lián)更多學科的知識，并融入生活中去，讓學生學會運用所學知識解決生活化的實際問題。教師創(chuàng)新物理實驗生活化模式，開展融合生活化的跨學科實踐活動，對當前的教學有重要的現(xiàn)實意義。

注：本文系山東省教育發(fā)展研究2022年度立項微課題“Phyphox賦能科學探究實驗的實踐應用”（課題編號：FJ142）、山東省教育科學“十三五”規(guī)劃2020年度立項課題“初中物理混合式教學生態(tài)區(qū)塊鏈研究”（課題編號：2020ZC074）的研究成果。

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（作者系山東省淄博市淄川第二中學教師）

責任編輯：祝元志