基于核心素養培養的跨學科實踐研究

馬偉遠，陳 瑜，王 璐

1.南京信息工程大學教師教育學院，南京 210044

2.南京信息工程大學附屬中學，南京 210044

3.南京師范大學物理科學與技術學院，南京 210023

《義務教育物理課程標準（2022 年版）》增加了“跨學科實踐”這一一級主題，該主題包含“物理學與日常生活”“物理學與工程實踐”“物理學與社會發展”三個二級主題［1］，該變化的目的是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［2］。以知識應用為目的的跨學科實踐，要求學生掌握某一物理知識時，經過調研、考察、設計、加工、實驗與制造等一系列活動，從而運用多學科知識解決具體問題。本文以杠桿模型和氣壓差模型對呼吸模型以及飯盒提升裝置進行設計為例，嘗試開展基于核心素養培養的跨學科實踐設計、實施以及評價的研究。

1 開展跨學科實踐研究的意義

1.1 還原人類實踐活動，發展學生核心素養

在學科本位背景下，學生形成物理概念、建構物理模型、掌握物理規律，但對于產生物理概念的背景、模型的建立以及規律的論證等的理解存在不足，從而不能將所學知識有效用于解決實際問題過程之中。如何設計與實施實踐性作業，以有效促進學生關鍵能力的提升，成為物理教師必須關注的問題［3］。學生通過探索、應用物理模型，立足物理，還原生活，可以促進其學科核心素養的發展［1］。

1.2 運用跨學科知識，培養解決實際問題能力

跨學科實踐是基于問題解決的一種教學方式，物理跨學科實踐側重于同時運用物理、化學、生物、地理等學科知識去解決同一個問題。解決問題的能力主要體現在：能找到影響活動成效的因素；能運用簡單模型解決問題；能運用物理方法對跨學科問題進行推理，得出結論；能獨立思考，提出自己的見解等。

1.3 開展跨學科實踐，培養創新型人才

通過分析和挖掘物理與其他學科的內在聯系，整合相關內容，提煉跨學科概念，精心選擇和設計讓學生感興趣的研究內容，讓學生在分析問題鏈或完成任務串中發展跨學科核心素養［4］?？鐚W科實踐讓學生從不同的學科起點跨界，形成跨領域意識，這樣更有益于創新型人才的培養。

2 開展跨學科實踐的研究思路

2.1 尋找關聯點，確定實踐目標

教師通過鉆研課程標準、梳理課程邏輯以及與不同學科教師開展教研，發現本學科中學生掌握有難度并且與其他學科有交集的教學內容，引導學生運用跨學科學習的方法掌握知識。在學科與學科之間、學科與生活之間尋找知識的關聯點，生成探究主題，確定實踐目標。

2.2 創設真實情境，確定實踐任務

將上述探究主題遷移到真實生產、生活、社會情境中，其實質是在還原人類認識世界的實踐活動。例如，在“電流的磁效應”一節中，可以開展自制電磁鎖實踐活動，學生對電磁鎖有一定的真實體驗，結合物理學科的特點和學生的探索興趣，教學中就可以設計如下的實踐任務：你了解每天進出校園的電磁門鎖是如何工作的嗎？你能利用身邊的日常物品設計出一個簡易電磁鎖嗎？學生以小組為單位進行研究調查，在調查過程中實踐，在實踐過程中思考。這樣的實踐任務基于真實的情境，容易激發學生的內在學習動力。

2.3 聚焦實踐任務，設計驅動問題

學生在面對跨學科實踐任務時，通常會難以入手。這就需要教師在設計問題時從學生角度出發將抽象、深奧的問題轉化為學生感興趣、能理解的問題，既激發了學生的學習內驅力，同時又能提供探究的方向。

2.4 助力方案設計，推動產品制作

在真實情境中，學生在驅動性問題導向下，結合物理和其他學科知識，以小組合作的形式設計實踐方案，并制作相應產品，實現知識的遷移和運用。

2.5 進行綜合評估，展示實踐成果

綜合評估學生對實踐任務的理解程度，評估學生實踐的完成度，產品的效益性、創造性。通過評價，學生對跨學科實踐會有更明晰、深入的認識。

3 開展跨學科實踐的學習設計與實施

下面分別以教材中“人的呼吸”、飯盒提升裝置這兩個主題為例，闡述跨學科實踐的學習設計與實施。

3.1 呼吸運動中的杠桿模型及氣壓差模型

3．1．1 尋找關聯點，確定實踐目標

在學習“人體和外界環境的氣體交換”一節時，七年級的學生尚未接觸到物理力學的知識。通過與生物老師交流，筆者發現學生對呼吸運動中肋間肌、膈肌收縮、舒張引起肋骨的運動及胸腔的變化并不理解，對氣體的運動也僅僅只是依據吸氣、呼氣來辨別，并沒有掌握氣體運動的物理原因，其結果只能是機械記憶。肺的呼吸與人的生活和健康息息相關，能夠學以致用才是育人的真正目的。初三學生已經學習了氣體壓強、杠桿原理以及關于彈力、重力的知識，在跨學科實踐的理念下，讓學生運用物理知識來設計模型，可以幫助學生進一步理解該知識點，領悟健康生活的生命觀念及相應的社會責任感。

3．1．2 創設真實情境，設計驅動性問題

問題1：請同學們深呼吸，思考氣體是通過什么路徑進入你的身體的？

問題2：請同學們再次深呼吸，感受胸腔的體積是如何變化的？

問題3：引起胸腔變化的原因是什么？ 胸腔體積增加，空氣能夠進來的原因是什么？

問題4：引起肋骨運動的原因是什么？ 你能用物理的知識去設計模型分析呼吸運動嗎？

通過設計問題串，讓學生在研究呼吸的過程中充分挖掘物理學科知識，用物理學科知識解釋引起呼吸運動的原因。本節課的融合點就在于讓學生利用物理杠桿知識和彈力知識自制杠桿模型模擬膈肌和肋間肌的收縮、舒張引起肋骨的運動，從而改變胸廓的容積，再利用物理中壓強的知識幫助學生制作呼吸過程中膈和肺的變化示意模型，增強學生學習的能動性、實踐性。

3．1．3 制作杠桿模型和呼吸模型，模擬肋骨運動和呼吸運動

學生在九年級《物理》中學習杠桿知識時，知道人的手臂和手腕都是一個繞關節轉動的杠桿，它們都依靠肌肉伸展與收縮時產生的動力而轉動，該知識可以為學生設計肋骨的杠桿運動模型提供啟示，同時將物理知識遷移到生物呼吸系統的學習中，讓學生意識到兩個學科的內在聯系。

學生在八年級《物理》中學習彈力時，教材中定義彈力為物體發生彈性形變后，力圖恢復其原來的形狀而產生的力。肌肉收縮與伸展發生的都是彈性形變，肌肉連接著骨骼，從而對骨骼產生一個彈力，成為骨骼運動的動力。

接下來，借助于堵住易拉罐和推拉針筒實驗，幫助學生研究氣體壓強和體積的關系。當學生理解氣體壓強與體積的關系后，此時可以補充一個關于肺和胸腔的拓展知識，即肺是胸腔的鄰居，當胸廓容積增大時，胸廓與肺之間的體積增大，氣壓減小，在壓力差的作用下，肺擴張，體積也隨之變大，體積變大導致肺內氣壓變小，當肺內氣壓低于外界氣壓時，從而更多的氣體在大氣壓力的作用之下進入肺內，這就是吸氣的過程。反之就是呼氣的過程。

學生以小組合作的形式，利用身邊的物品，設計出各種杠桿模型來演示肋間肌、膈肌的收縮引起的肋骨的變化，以及肺呼吸模型。作業的形式與以往筆頭作業并不相同，學生表現出了極大的熱情與參與度。學生的想象力是無窮的，有的用筷子、木條、吃完的羊骨頭、塑料杯、燈籠骨架等來模擬肋骨；有的用橡皮筋、彈簧、干的水晶泥來模擬肌肉中肌腱的收縮與舒張；有的用塑料杯、礦泉水瓶來模擬胸腔，用橡膠手套上的皮或者大氣球的皮模擬膈肌，用塑料吸管或者醫用塑料三通管模擬呼吸道，用兩個小氣球來模擬肺。為了保證良好的密封性，許多學生在父母的幫助下使用了熱熔膠槍。圖1 和圖2 分別是學生設計的杠桿模型和呼吸模型。

圖1 木條與羊骨模擬肋骨

圖2 兩個小氣球模擬肺

3.2 飯盒提升方案中的模型

3．2．1 尋找關聯點，確定實踐目標

蘇科版《簡單機械和功》一章的綜合實踐中，讓學生設計一個機械模型，在新課標理念的啟發下，筆者嘗試將工程實踐融入到物理課程中，旨在讓學生在物理環境中體驗完整的物理思維過程，更好地建立公式與物理過程之間的聯系［5］。培養學生運用物理知識去解決問題的能力以及敢于實踐、敢于創新的精神，同時具備一定的工程素養。

3．2．2 創設真實情境，設計驅動性任務

在學習初中物理相關知識后，讓學生思考如何設計一個實用的機械模型，它由兩個或兩個以上的簡單機械組合而成，應有一定的實用功能，如提高重物、牽引物體前進、完成某些需要的動作等，從而達到省力提升重物的效果［6］。此時，如果創設一個有實際工程意義的問題情境，學生會更加積極主動地參與到模型的設計與制作中去。筆者所在學校因為沒有安裝電梯，需要工作人員將飯盒提升到不同的樓層，供學生在教室就餐。因此，學校以招標方起草了一份邀請招標文件，希望初三（7）班的學習小組充分運用物理學中簡單機械和功的知識設計出飯盒提升的方案并制作出相應的模型。邀請招標文件中包含了投標邀請公告、投標人須知事宜、合同格式及條款、評分標準、投標文件等。其中，評分標準從價格和技術思路兩個維度制訂，技術思路包含了模型的省力情況、機械效率、穩定性、安全性、新穎性、美觀性、環保性及團隊展示合作時的整體表現等，這對學生產品的設計和制作給出了參考和方向。

3．2．3 標書設計和制作提升裝置

學生在本章已經學習了杠桿、滑輪、斜面等簡單機械和功的知識，同時又了解了吊車、絞車、塔式起重機等建筑機械。因此，老師鼓勵三個學習小組象征性地購買標書，并在兩周內設計并制作出飯盒提升裝置，同時遞交投標文件。

學習小組領取到招標文件后，結合自身的能力優勢和興趣特點先分工，制訂工程實踐的方案，方案中包含小組人員的分工、時間地點的安排、成果的呈現形式等。

如圖3 是學生最終設計并制作出的三個提升模型。

圖3 學生設計的提升模型

4 跨學科實踐的評價

本文從過程性評價和應用性評價兩方面對學生實踐活動進行評價。

4.1 過程性評價

為幫助學生發現問題，及時改進實踐操作，需要對學生的實踐過程進行評價，這個評價包括方案的設計、材料的選擇、人員的分工、時間的分配等。評價的依據是課程標準中的核心素養要求。

如在設計飯盒提升裝置時，學生設計了不同的方案，畫了不同的設計圖。結合實際工程環境及簡單機械工作特點，在教師和家長的共同建議下，學生最終形成了更具可操作性的方案。

4.2 應用性評價

應用性評價是評價學生的實踐項目是否能滿足實際需求，是否具有一定的創造性。

如在飯盒提升方案中，以招標會的形式進行評審評價工作，評審方包含食堂負責人、學生家長、物理教師。一方面，讓學生初步了解工程實施階段中招標、投標的程序及方法，鍛煉學生的專業實踐能力；另一方面，提升學生將所學物理知識運用到解決實際問題中的能力。

5 結 語

跨學科實踐的核心是素質培養，目的是提升學生的綜合能力。通過跨學科實踐，將不同學科的知識點融合并應用于生產生活實踐中去，能夠有效地解決問題，發展學生綜合素養。