跨学科实践中探索物理实验创新

梁喆

2022年4月，教育部印发《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”），在课程内容中增加了跨学科实践这个一级主题，包括物理学与日常生活、物理学与工程实践、物理学与社会发展，凸显了物理实践对建构物理观念、认识物理规律、领会其内涵及相互联系的重要作用。课标基于物理实验教学，倡导教师引导学生开展跨学科实践，进行创新探索，以培养和提高他们的各种能力。

新时代的物理教师要做创造者，而非知识“搬运工”，应守好、用好实验教学主阵地，切实提高课堂教学质量。笔者尝试将理论教学融于实验生活化创新中，解决少数教师或多数学生未能深度参与的难题，唤醒师生对物理实验的重视，建构师生实验能力提升体系。在跨学科实践中以解决真实生活问题为目标，笔者从物理与日常生活、物理学与工程实践、物理学与社会发展三个维度，打开基于物理实验创新生活化的新视角，以机械型和智能型自动停水装置的设计与制作为例，提出太阳能热水器、鱼缸、水箱等真实情境中自动停水的简洁方案，以提升学生的实验素养、实验功底、实验意识、实验能力，进一步落实核心素养培养要求。笔者融合创新与生活化模式，针对自动停水装置的设计与制作，在杠杆、滑轮的生活化应用中制作机械型装置；在液位传感器、继电器、控制模块的生活化应用中制作智能型装置，实现自动停水功能，并引导学生对机械型和智能型装置进行比较。笔者坚持素养导向开展实验教学，通过跨学科实践解决问题，突破物理教学难点，让学生感受创新实验生活化实验的意义，切实体味参与其中的幸福。

一、物理教师要牢牢把握跨学科实践的时代要求

新时代，物理教师增强创新意识具有现实紧迫性，应该结合物理实验生活化的特点，融合多元的教学方法，构建更多维的兴趣指标，帮助学生提高能力。

（一）深入实践，创新实验，提升能力——丰富精神世界

如何提升教师实验创新能力，促进教师积极开展实验教学？学校应鼓励教师将教学融入实践，在生活化情境中采用跨学科实践模式教学，呈现实验器材等的创新和改进。教师要把握创新教学的时机，在融合创新与生活化实践的教学中，逐步适应新时代的发展，努力使自己具有创新能力和管理才能。如何应用实验生活化的创新模式？教师要具有创新意识，设计激发学生兴趣的模式与方法，捕捉生活中的问题（如怎样给水箱、鱼缸等上水），借助生活化情境的小问题解决知识建构大问题。教师设置生活化问题情境，引导学生设计跨学科实践方案，不仅可以提升学生创新实践能力，而且可以开阔教师自身的教育教学眼界。

（二）重视发展，敢于担当，理解教育——承担教育责任

教师要坚守教育本真，重视学生的发展，关注各种智能技术的融合应用。以物理学科为例，教师对实验教学进行生活化创新，更能吸引学生注意力。笔者从停水问题入手，以生活化概念拉近学生与物理的距离。物理教师要承担起创新实验教学的责任，在传授学科知识以外，引导学生重构知识，通过实验生活化创新，使教学回归自然，融入实践。

（三）篤信科学，坚定信念，为人师表——引领人格力量

物理教师的魅力体现为严密的理性思维，超强的实践能力，超凡的人格魅力。笔者对某年级学生进行问卷调查，发现一位具有较强动手能力的物理教师能够吸引约75%的学生的注意力，近1/3的学生表示特别有兴趣并想参与该教师创设的问题情境活动。教师笃信科学，积极开展跨学科实践，彰显人格魅力，有利于引导学生在快乐中探究。学生参与度与教师内驱力正相关，这激励教师设计更加“新奇特”的生活化实验，来引导学生探究。

二、在跨学科实践中探索物理实验创新的路径

瑞士心理学家让·皮亚杰认为认识是一种以主体已有的知识和经验为基础的主动建构。笔者基于跨学科实践进行实验生活化创新，关注“探究运用—解决问题”过程，提高学生探究能力，倡导跨学科实践：物理学与日常生活、物理学与工程实践、物理学与社会发展。笔者引导学生设计并制作水箱、鱼缸等自动上水问题的装置，使用杠杆和滑轮制作机械型停水装置，用液位传感器、继电器、控制模块制作智能型停水装置，解决家庭生活问题，做对比分析，进行内容设计、活动组织、学习评价、实践评价等多维表征（如图1），参与实验探究。

（一）“好奇”与“想象”指向内容设计的创造

物理教师要坚持问题导向，创新跨学科实践，在设计和开展生活化创新实验时，要强化对学生自主创新能力和解决实际问题能力的培养。笔者结合生活经验，提出水箱、鱼缸、太阳能热水器等自动上水问题。以太阳能热水器为例，学生通过线上研究调查，发现市面出售的多数装置自动上水依靠水位感应器探头来实现，其价格高且使用超过半年就会出现水箱上水不满等问题。主要原因是水位感应器表面积累水垢或锈蚀，造成感应数据生成有误，系统不能正常地在上满水后关闭电磁阀门用完后打开，而是间断地重复开或关。笔者提出生活化问题，激发学生好奇心和想象力，让他们针对真实情境问题设计机械型停水装置解决上述问题。在笔者的指导下，学生绘制了装置结构图（如图2）——施加一个灵巧的力将水管阀门关闭即可实现控制功能。学生用简单的机械系统解决了上水难题。生活化创新最大的特点是成本低、效果好，回归物理本真。

（二）“融合”与“多元”感受活动组织的综合

教师基于跨学科实践开展物理实验生活化创新教学，体现物理与生活的联系，其方式有项目式学习、创客教育等。教师要坚守物理本真，从生活实践中提炼问题和模型，要注重活动组织安排，体现分组教学之妙。学生只有爱上动手，才会主动探究并解决问题。笔者引导学生分组探讨关键问题：一是阀门关闭；二是滑轮和杠杆的使用；三是将力作用到阀门上。学生参照设计图制作出机械型停水装置，借助“钢索—滑轮—杠杆—回水桶”这一体系实现自动上水。对于此类实验，教师应作为指导者和启发者，主动融入学生实践中，与学生共同发现问题、思考问题、解决问题。学生综合运用物理知识解决生活化问题，既能建构物理知识，又能提高协作能力、交流能力和创新能力。授人以鱼不如授人以渔。使学生在活动中能组织、能融合、能创新、能合作，才是物理教育的意义所在。

（三）“个性”与“空间”表征学习评价的革新

物理实验是以生活为源头的实践与应用。教师开展生活化情境创新实验教学，有利于为学生提供个性发展的空间。教师要鼓励学生直面问题，引导他们慎思审辩，解决问题。教师革新传统的评价方式，在终结性考试之外，让学生设计解决实际问题的方案，更有利于提升学生素养与能力。笔者在教学中从物理与工程实践的视角出发，让学生在制作机械型自动停水装置的基础上，分组调查，展开研讨与合作。学生用液位传感器、继电器、控制模块，制作了自动停水的智能型装置（如图3），通过“传感器—控制模块—继电器—水泵或电磁阀”这一体系实现自动停水。此装置具有智能化、简捷、易操作、灵敏度高、成本低等特点。笔者坚持工程实践理念，引导学生从机械型向智能型拓展，在生活化情境的体验中，循序渐进构建起解决问题的途径，将评价贯穿跨学科实践整个过程。

（四）“素养”与“能力”呈现实践评价式教育

物理与社会发展视角体现在：教师创设生活化情境，让学生设计并制作停水装置，参与跨学科实践，在制作解决问题所需器材的过程中，培养动手能力和解决实际问题的能力。物理实验生活化激发了学生学习物理的兴趣，提升了学生的关键能力和必备品格。笔者评价时重点关注学生在解决问题过程中的参与程度，而非只看结果。同时，笔者还要看学生针对这一跨学科实践问题提出的反思和利弊分析。在笔者指导下，学生讨论后总结出机械型停水装置的优点、缺点，智能型停水装置的优点、缺点（见表1）。为突破局限，学生提出机械型自动停水装置的优化方案：回水管处设置排水装置会更方便，进水和回水管道在同一处容易安装，要对阀门关闭的契机进行量化分析控制。智能型自动停水装置的优化方案：防止线路老化、接线口松动，加强传感器外壳保护等。学生深度参与活动，能解决基本问题，还能深入剖析并迁移应用。

三、跨学科实践视角下物理教学亟须提高的四方面

创新是一个民族的灵魂。物理实验生活化创新能在跨学科实践中绽放光彩。跨学科实践和学科教学互为补充：从认知加工意义上讲，跨学科实践是为解决复杂问题；中小学课程与教学中的跨学科实践指向综合应用多门学科知识、技能和观念，促进学科之间的融通与整合。教师要增强创新意识和创新能力并将其应用到跨学科实践中，以创设物理实验情境解决生活化问题为核心，提升学生跨学科实践能力。教师亟须从以下四个方面优化教学。

（一）提升智育水平，激发创新动力

跨学科学习能打破学科壁垒，学生在解决实际问题过程中有效地运用其他学科的知识，统整知识加深理解。跨学科学习过程是学科知识综合运用和深度学习的过程，学生由浅层学习迈向深度学习。教师以生活化实践模式开展实验教学，着力培养学生认知能力，促进思维发展，激发创新动力。在教学中，教师要发挥主导作用，把握物理学科特点和知识结构，遵循学生认知规律，备好每一堂课，上好每一堂课。

（二）革新教学方式，促进思维发展

教学相長，启发很关键。在探究教学的过程中，教师课前既要指导学生预习，又要提前备好课，掌握学情。课上攻难点、建体系，让学生主动思考、自主探究。教师要融合多元智能技术，创设真实情境，组织跨学科实践活动。教师要将工程与技术的学习联系起来，精准分析学情，精确掌握学生的关注点，在跨学科实践的教学中，因材施教，促进学生思维发展。

（三）加强教学管理，优化教学环节

物理学科具有实验特质。教师要按照课标制订学科计划，优化教学环节，注重对学生跨学科实践能力的考查，改变仅有终结性考试的单一局面，引导学生渐进地参与到实践探究中，让学生经历设计、制作、解决生活化问题的全过程，培养协作能力。教师要设计正确合理的问题，启发学生思考问题，自主探究，真正实现高效教学。

（四）融合教育智能，构建科学机制

信息技术与教育教学深度融合必将服务社会、服务师生，促进义务教育各学科的数字化资源体系的建立与完善。在这样的背景下，物理跨学科实践能够充分发挥优势。教师要从物理与日常生活、物理与工程实践、物理与社会发展等维度，不断探索智能与技术的融合，例如在工具与装置从机械型转向智能型的过程中加强智能型传感器的应用。教师需要适应这样的高速发展，融合应用数字化技术和资源，为建构生活化实践体系奠定基础。

总之，教师在物理教学中探索跨学科实践和创新实验，更能吸引学生的眼球，激发学生的探究欲望。学生设计、制作相关装置解决生活中的问题，更好地感受物理实验的探究过程、思维过程，实现了解决问题的终极目标。未来，教师设计基于物理实验的跨学科实践教学，能够在理解物理知识的前提下，关联更多学科的知识，并融入生活中去，让学生学会运用所学知识解决生活化的实际问题。教师创新物理实验生活化模式，开展融合生活化的跨学科实践活动，对当前的教学有重要的现实意义。

注：本文系山东省教育发展研究2022年度立项微课题“Phyphox赋能科学探究实验的实践应用”（课题编号：FJ142）、山东省教育科学“十三五”规划2020年度立项课题“初中物理混合式教学生态区块链研究”（课题编号：2020ZC074）的研究成果。

参考文献

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[4] 张玉华.核心素养视域下跨学科学习的内涵认识与实践路径[J].上海教育科研，2022（5）：57-63.

（作者系山东省淄博市淄川第二中学教师）

责任编辑：祝元志