基于測量工具制作過程的初中物理跨學(xué)科實(shí)踐活動的設(shè)計(jì)
——以“自制浮力秤”為例

趙蕓赫 馬宇翰 李春密

(1.首都師范大學(xué)附屬中學(xué),北京 100048; 2.北京師范大學(xué)物理學(xué)系,北京 100875)

為響應(yīng)時代需求和培育時代新人,教育部發(fā)布的《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》在課程內(nèi)容方面明確提出在教學(xué)中需要設(shè)立跨學(xué)科的主題學(xué)習(xí)活動,強(qiáng)調(diào)學(xué)科間知識與方法的整合.這部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)旨在發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科運(yùn)用知識的能力、分析和解決問題的綜合能力等,[1]從而強(qiáng)化課程協(xié)同育人功能.

為達(dá)成上述育人效果,目前形成了4種不同的跨學(xué)科內(nèi)容整合形式:[2](1) “跨學(xué)科核心概念”,即“統(tǒng)合型”,也就是將不同學(xué)科的核心概念進(jìn)行聯(lián)系與整合,引導(dǎo)學(xué)生建立更為完整且更上位的跨學(xué)科核心概念.[3](2) 跨“學(xué)科內(nèi)容領(lǐng)域”,即“蜘蛛網(wǎng)型”,是指圍繞某個學(xué)習(xí)主題,將兩個及以上各學(xué)科不同領(lǐng)域的內(nèi)容進(jìn)行整合,此組織方式是目前跨學(xué)科教學(xué)的主要方式,[4-6]也是科學(xué)課程開展跨學(xué)科教學(xué)的獨(dú)特優(yōu)勢.(3) 跨“跨學(xué)科概念”,即“并列型”,是指基于一個或多個跨學(xué)科概念的教學(xué),如數(shù)學(xué)中的“向量”與物理學(xué)中的“矢量”.[7]它對學(xué)科核心概念的教學(xué)起到了補(bǔ)充和支撐的作用,并進(jìn)一步促進(jìn)核心概念的整體理解和發(fā)展.(4) 跨“學(xué)科研究方法”,即“共享型”,不同學(xué)科有著其獨(dú)特的研究手段和一些共通的思想方法,通過合適的內(nèi)容載體來呈現(xiàn),可以有效地提升學(xué)生分析和解決綜合問題的能力.[8]

本文整合跨“學(xué)科內(nèi)容領(lǐng)域”和跨“學(xué)科研究方法”兩種內(nèi)容組織形式,提出這種整合模式下跨學(xué)科實(shí)踐活動的整體設(shè)計(jì)思路.然后以“自制浮力秤”這一課例為例,深度剖析課例實(shí)施過程中的驅(qū)動問題設(shè)計(jì)方法以及學(xué)習(xí)活動實(shí)施策略,進(jìn)而給出在初中物理總復(fù)習(xí)階段進(jìn)行跨學(xué)科實(shí)踐的有效途徑.

1 跨學(xué)科實(shí)踐活動的整體設(shè)計(jì)思路

本文借鑒科瑞柴克等人的學(xué)習(xí)目標(biāo)驅(qū)動設(shè)計(jì)模型(Learning-Goals-Driven Design Model),[9]基于跨學(xué)科實(shí)踐活動的特點(diǎn),提出了如圖1所示的整體設(shè)計(jì)思路.

圖1 跨學(xué)科實(shí)踐活動的整體設(shè)計(jì)思路

該框架強(qiáng)調(diào)“以終為始”,首先基于各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)以及學(xué)生學(xué)情,確定各學(xué)科教學(xué)目標(biāo)并構(gòu)建跨學(xué)科實(shí)踐的學(xué)習(xí)目標(biāo).然后選擇合適的跨學(xué)科實(shí)踐的內(nèi)容載體,既能實(shí)現(xiàn)跨“學(xué)科內(nèi)容領(lǐng)域”的教學(xué)又能實(shí)現(xiàn)跨“學(xué)科研究方法”的滲透.進(jìn)而圍繞該內(nèi)容載體,規(guī)劃學(xué)習(xí)任務(wù)、設(shè)計(jì)活動情境和驅(qū)動問題,讓學(xué)生在問題解決的過程中達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo).最終通過課堂上的過程性評價以及作業(yè)設(shè)計(jì)來檢驗(yàn)跨學(xué)科實(shí)踐的學(xué)習(xí)效果.圖1中雙箭頭所指的兩個過程并非嚴(yán)格線性的,在設(shè)計(jì)過程中是互相反饋且不斷動態(tài)調(diào)整的.

2 課例設(shè)計(jì)與實(shí)施

本節(jié)課例的設(shè)計(jì)背景立足于中考總復(fù)習(xí)階段對于浮力這一核心概念的復(fù)習(xí).為了促進(jìn)學(xué)生學(xué)以致用,本節(jié)課選取與工程實(shí)踐相關(guān)的素材,將著名的歷史典故曹沖稱象作為背景引入,以“浮力秤的制作與應(yīng)用”作為跨學(xué)科實(shí)踐活動的主題,兼具人文與科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng).以測量工具的制作為載體,讓學(xué)生重演浮力秤的發(fā)明過程.從學(xué)生的認(rèn)識入手,巧設(shè)實(shí)驗(yàn)與理論探究活動,滲透跨學(xué)科的思想方法,引導(dǎo)學(xué)生解決測量過程中的實(shí)際需求問題,從而落實(shí)學(xué)生應(yīng)用阿基米德原理解決實(shí)際問題的能力.

2.1 學(xué)情分析

在設(shè)計(jì)課程前,需要綜合考慮本節(jié)課前學(xué)生所具備的跨學(xué)科知識及方法基礎(chǔ),如表1所示.如在物理學(xué)方面,初三學(xué)生具備推導(dǎo)浮力秤測量原理和刻度特點(diǎn)的基礎(chǔ)知識,如阿基米德原理的展開式等.除此之外,他們在前面的物理及數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中,經(jīng)歷過速度、密度、壓強(qiáng)等物理量的定義過程,當(dāng)面對多個變量同時改變無法比較待分析問題時,知道可以通過做比值的方法將其轉(zhuǎn)化為單位變化量下的值進(jìn)行比較,即他們具有利用比值定義法定義物理量來解決問題的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ).

表1 跨學(xué)科知識及方法基礎(chǔ)

除此之外,為了了解學(xué)生對于浮力秤制作過程的前認(rèn)識,通過收集和分析所在班級42名學(xué)生的課前探究任務(wù)單可知,學(xué)生課前對于制作浮力秤過程的認(rèn)識中,對于浮力秤的原理理解較好,但對于刻度標(biāo)定尤其是精度的提高方法的認(rèn)識不甚理想.

具體而言,在學(xué)生課前所提出的提高精度的方法中,有19%的學(xué)生認(rèn)為“減小液體密度”可以實(shí)現(xiàn),受直觀感受的影響,有49%的學(xué)生認(rèn)為“減小容器底面積”可以實(shí)現(xiàn),且仍有32%的學(xué)生無法給出任何方法,因此屬于本節(jié)課的一個難點(diǎn).

綜合以上分析,確立本節(jié)課的跨學(xué)科學(xué)習(xí)目標(biāo)如表2所示.

表2 跨學(xué)科學(xué)習(xí)目標(biāo)

2.2 驅(qū)動問題設(shè)計(jì)方法

驅(qū)動問題作為推動跨學(xué)科學(xué)習(xí)的動力來源,其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接決定了跨學(xué)科實(shí)踐的教學(xué)效果.本文借鑒戴維森提出的完整問題三要素——初始條件、目標(biāo)和障礙[10]作為跨學(xué)科實(shí)踐活動中驅(qū)動問題的設(shè)計(jì)要素.具體而言,作為實(shí)踐活動的起點(diǎn),初始條件即為學(xué)生具有的知識、方法基礎(chǔ)以及他們從已解決的問題中所得的收獲,這些都將作為問題生成的實(shí)際情境;作為實(shí)踐活動的終點(diǎn),問題目標(biāo)則是問題解決的最終方案或者產(chǎn)品,同時指向跨學(xué)科學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成;而障礙則是問題解決過程中,從初始條件到目標(biāo)方案所經(jīng)歷的所有可能障礙,它對應(yīng)著逐步遞進(jìn)的為解決驅(qū)動問題而設(shè)計(jì)的系列子問題.

由于子問題與子任務(wù)一一對應(yīng),且引領(lǐng)著子活動的開展.因此對于本課例而言,為了引領(lǐng)子任務(wù)——方案設(shè)計(jì)、模型初建、刻度標(biāo)定再到精度提高的逐級開展,特設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動問題及子問題如下所示.

“自制浮力秤”跨學(xué)科實(shí)踐活動中驅(qū)動問題及子問題的設(shè)計(jì).

驅(qū)動問題:如何基于浮力現(xiàn)象制作一個可以測量物體質(zhì)量的工具?

子問題1:基于浮力現(xiàn)象測量物體質(zhì)量的原理是什么?

對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo):能夠基于曹沖稱象的原理,構(gòu)建浮力秤的原理模型,分析并推導(dǎo)浮力秤測量質(zhì)量的原理.

問題鏈:

1.如何基于浮力現(xiàn)象比較不同物體的質(zhì)量大小?

2.構(gòu)建浮力秤的原理模型并結(jié)合浮力知識分析推導(dǎo):如何將質(zhì)量的測量轉(zhuǎn)化成長度的測量?

子問題2:如何搭建一個浮力秤的實(shí)物模型?

對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo):搭建浮力秤的實(shí)物模型,能夠分析所遇困難的原因并嘗試解決.

問題鏈:

1.你會選擇什么器材來搭建一個浮力秤?

2.如何使容器穩(wěn)定豎直漂浮于液體上?

子問題3:如何標(biāo)記浮力秤的刻度?

對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo):標(biāo)記浮力秤的刻度,能夠利用數(shù)學(xué)函數(shù)思想分析其刻度特點(diǎn).

問題鏈:

1.浮力秤的0刻度線如何標(biāo)記?

2.如何標(biāo)定浮力秤的其他刻度?

3.對于浮力秤上沒有的刻度應(yīng)如何標(biāo)定?

4.等分刻度時的基本前提是浮力秤的刻度是均勻的,那么浮力秤的刻度是均勻的嗎?如何判斷自制浮力秤的刻度是否均勻?

子問題4:如何定義及提高浮力秤的精度?

對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo):基于問題解決,能夠定義浮力秤精度并探究提高其精度的方法.

問題鏈:

1.你能否以5 g為間距補(bǔ)充浮力秤其他刻度?1 g為間距呢?

2.分析一下可能是什么原因?qū)е聼o法將刻度劃分得更細(xì)?

3.相等刻度間的寬度越大,意味著什么?

4.如何增大相等刻度間的寬度?

5.如果兩個浮力秤的Δm和Δh都不一樣,如何判斷哪個的精度高呢?

6.如何提高浮力秤的精度?觀察并計(jì)算不同小組的浮力秤的精度,驗(yàn)證自己的猜想.

7.你能否從理論模型出發(fā),推導(dǎo)出它的精度為什么與底面積和液體密度有關(guān)?

2.3 課堂實(shí)施策略

本節(jié)具體闡述一下該課例實(shí)施過程中的跨學(xué)科任務(wù)設(shè)計(jì).由于這節(jié)課是一節(jié)初三總復(fù)習(xí)階段的跨學(xué)科實(shí)踐活動課,需要讓學(xué)生體會應(yīng)用浮力解決實(shí)際問題的方法.因此教學(xué)內(nèi)容圍繞核心任務(wù)——自制浮力秤,實(shí)施過程經(jīng)歷情境引入、明確驅(qū)動問題以及問題解決3個環(huán)節(jié).下面具體呈現(xiàn)了“自制浮力秤”跨學(xué)科實(shí)踐活動的課堂實(shí)施過程.

環(huán)節(jié):課堂實(shí)施.

情境引入:

教師引導(dǎo).通過一段現(xiàn)代版“曹沖稱象”的視頻,讓學(xué)生回顧先人的智慧,分析其原理.

學(xué)生任務(wù).(1) 思考如何利用標(biāo)記線的位置來比較不同大象的質(zhì)量?(2) 建立浮力秤的原理模型并進(jìn)行分析推導(dǎo):如何將質(zhì)量的測量轉(zhuǎn)化成長度的測量?

明確驅(qū)動問題:

教師引導(dǎo).如何搭建一個浮力秤的實(shí)物模型?

學(xué)生任務(wù).(1) 選擇合適器材來搭建一個浮力秤.(2) 解決所遇到的困難:如何使容器穩(wěn)定豎直漂浮于液體上?

問題解決:

(1) 刻度標(biāo)定.

教師引導(dǎo).從比較到測量,給儀器標(biāo)定刻度是制造過程必不可少的環(huán)節(jié),如何標(biāo)記浮力秤的刻度?

學(xué)生任務(wù).① 利用現(xiàn)有實(shí)物模型及標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)刻度標(biāo)定的思路.② 利用浮力秤測量未知物體的質(zhì)量.③ 對于表盤上未標(biāo)定的刻度,思考:如何僅利用已有的表盤“畫”出該質(zhì)量所對應(yīng)的刻度線,而不是通過砝碼進(jìn)行標(biāo)注?

(2) 精度的定義.

教師引導(dǎo).請學(xué)生觀察自制的浮力秤,并針對在上述活動中有的小組學(xué)生測出“60 g”,有的小組學(xué)生測出“65 g”的實(shí)際情境,判斷能否依據(jù)刻度均勻的特點(diǎn)來以更小的分度補(bǔ)充刻度?

學(xué)生任務(wù).① 延續(xù)上一環(huán)節(jié)的任務(wù),繼續(xù)外延更精細(xì)的刻度并分析出現(xiàn)困難的原因.② 觀察不同組制作的浮力秤,在刻度間的質(zhì)量差Δm相同時,提出比較浮力秤精度的方法.③ 針對不同組浮力秤的質(zhì)量刻度差Δm和間距Δh都不一樣的情況,分析此時應(yīng)如何比較誰的精度更高?④ 提出浮力秤精度的合理定義方法.

(3) 精度的提高.

教師引導(dǎo).引導(dǎo)學(xué)生對如何提高浮力秤的精度提出猜想.

學(xué)生任務(wù).通過實(shí)驗(yàn)探究和理論分析相結(jié)合的方式探究影響浮力秤精度大小的因素.

2.3.1 “情境引入”及“明確驅(qū)動問題”部分的設(shè)計(jì)意圖

在情境引入部分,基于歷史典故“曹沖稱象”中的智慧,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步建構(gòu)出質(zhì)量稱量工具的原理模型.然后通過子任務(wù)——將質(zhì)量大小的測量轉(zhuǎn)化為長度測量的思維過程書寫下來,引導(dǎo)學(xué)生從形象思維過渡到抽象思維,培養(yǎng)模型建構(gòu)能力.

在制作原理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步明確實(shí)踐活動的核心任務(wù),即自制浮力秤.在制作過程中,學(xué)生會經(jīng)歷浮力秤不斷傾倒的困難.對于這個工程技術(shù)問題,引導(dǎo)學(xué)生利用手邊的器材并結(jié)合重心原理和技術(shù)調(diào)整解決真實(shí)問題,體會學(xué)以致用的成就感.

2.3.2 “問題解決”部分的實(shí)施策略

在問題解決的過程中逐步搭建腳手架讓學(xué)生突破刻度標(biāo)定和精度理解的難點(diǎn).其中,刻度標(biāo)定這個過程需要標(biāo)準(zhǔn)的選擇以及刻度的外延.而刻度的外延需首先判斷浮力秤的刻度是否均勻,這是學(xué)生理解的一個障礙.

因此設(shè)計(jì)活動讓學(xué)生利用已經(jīng)標(biāo)定的刻度對未知物體的質(zhì)量進(jìn)行測量,未知物體的質(zhì)量對應(yīng)表盤上未標(biāo)定的刻度,學(xué)生憑借感性認(rèn)識會很快想到通過均分距離得到未知刻度.此時再順勢讓學(xué)生借助數(shù)學(xué)函數(shù)思想補(bǔ)充說明這樣操作的依據(jù),也就是浮力秤刻度均勻的判斷依據(jù),從而達(dá)到突破學(xué)生認(rèn)知障礙的目的.

對于精度的定義和提高方法,學(xué)生從補(bǔ)充更精細(xì)刻度的困難入手,首先分析出原因是相鄰刻度之間不夠?qū)?從而引導(dǎo)學(xué)生意識到,在刻度間的質(zhì)量差Δm相同時,間距Δh越寬,儀器的精度越高.

學(xué)生通過觀察不同組制作的浮力秤可以發(fā)現(xiàn),由于每組選擇標(biāo)記的刻度有所不同,所以出現(xiàn)了不同組浮力秤的Δm和Δh都不一樣的情況,借此讓學(xué)生分析這種情況下比較精度大小的方法.學(xué)生通過類比遷移聯(lián)想到可以利用比值定義法來進(jìn)行判斷,由此得出了浮力秤精度的定義方式,并可以進(jìn)一步討論Δm/Δh和Δh/Δm哪種定義方式更好.

為了進(jìn)一步提升學(xué)生的證據(jù)意識,且為了在課堂上提質(zhì)增效,在實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)告知學(xué)生不同組制作的浮力秤的相關(guān)參數(shù)是有所不同的.學(xué)生便可以直接針對各組精度的測量值進(jìn)行對比來驗(yàn)證自己的猜想,并嘗試通過原理推導(dǎo)出精度的影響因素,在這個過程中體會理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合是物理學(xué)研究的一般方法.

3 小結(jié)

“跨學(xué)科實(shí)踐”活動為一線教師的教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn),引導(dǎo)學(xué)生參與跨學(xué)科實(shí)踐是幫助他們提高真實(shí)問題解決能力的重要途徑之一.應(yīng)對挑戰(zhàn),抓住機(jī)遇,才是教學(xué)思想和教學(xué)模式不斷更新的基礎(chǔ).近年來,各地中高考試題引導(dǎo)教學(xué)從“解題”轉(zhuǎn)向“解決實(shí)際問題”,例如2023年北京市中考26題就基于浮力秤自制過程中的真實(shí)需求創(chuàng)新了設(shè)問角度,使學(xué)生們感受到了跨學(xué)科知識和方法的應(yīng)用價值.

本文以“自制浮力秤”這一教學(xué)案例為載體,給出了在跨“內(nèi)容領(lǐng)域”及跨“學(xué)科研究方法”的整合模式下將跨學(xué)科實(shí)踐的育人功能高效融入初中物理總復(fù)習(xí)階段課堂教學(xué)的幾種有效策略,總結(jié)如下.

(1) 在內(nèi)容選題方面,可以讓學(xué)生親歷儀器的制作過程.在制作過程中逐步加深對測量工具的認(rèn)識.在此過程中,既有工程技術(shù)方面的困難與問題解決,又需結(jié)合數(shù)學(xué)函數(shù)的思想進(jìn)行理論推導(dǎo)分析問題,以及物理的思想與方法提供原理的支撐,真正實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科實(shí)踐,在實(shí)踐中提升學(xué)生的能力.

(2) 在真實(shí)問題解決過程中調(diào)用學(xué)生跨學(xué)科的思維方法.為了發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)中的主體性和主動性,在有效把握學(xué)生學(xué)情的基礎(chǔ)上,以問題驅(qū)動思維,以任務(wù)為導(dǎo)向.在實(shí)際測量的過程中遇真問題,“對于浮力秤上沒有的刻度應(yīng)如何標(biāo)定?”“如果兩個浮力秤的Δm和Δh都不一樣,如何比較誰的精度高呢?”等“問題串”觸發(fā)“知識鏈”,環(huán)環(huán)相扣,層層深入.通過學(xué)生的“疑”帶動教師的“問”,使得學(xué)生自己在選擇、創(chuàng)造和創(chuàng)新中內(nèi)化知識,感悟方法,從而實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí),培養(yǎng)核心素養(yǎng).

(3) 科學(xué)設(shè)計(jì),提質(zhì)增效.在對如何提高浮力秤的精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時,如果現(xiàn)場改變參數(shù)進(jìn)行操作,時間上不允許.但為了提升學(xué)生的證據(jù)意識,便在課堂一開始提供給不同組參數(shù)不同的儀器制作浮力秤,在課堂推進(jìn)到這一環(huán)節(jié)時,再告知學(xué)生.因此此時直接針對各組精度的測量值來驗(yàn)證自己的猜想即可,并嘗試通過原理推導(dǎo)出精度的影響因素,在這個過程中體會理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合是物理學(xué)研究的一般方法.從而通過這樣的課堂設(shè)計(jì)高效地完成教學(xué)目標(biāo).

(4) 緊扣主線,升華主題.課堂小結(jié)部分是整節(jié)課的梳理與升華,可以給學(xué)生留下較深的印象.因此在這一部分,首先請學(xué)生總結(jié)制作一個測量工具的過程,并回顧在此過程中都運(yùn)用了哪些學(xué)科的思想與方法,從而升華主題,意識到跨學(xué)科實(shí)踐的重要意義,引導(dǎo)學(xué)生今后多利用跨學(xué)科的思維來解決問題.