基于STEAM教育理念的中学物理跨学科实践设计——以“奋斗者”号与“天宫”空间站为主题.pdf

:/.教学改革与实践 年 月 第 期基于 教育理念的中学物理跨学科实践设计 以“奋斗者”号与“天宫”空间站为主题苏德炎 孙宝东 赵振宇 李 林(.哈尔滨师范大学教师教育学院 黑龙江 哈尔滨.哈尔滨师范大学物理与电子工程学院 黑龙江 哈尔滨)基金项目:年度黑龙江省高等教育教学改革重点项目“基于新时代物理学科拔尖创新人才培养模式的半导体物理课程教学案例建设”(项目编号:)作者简介:苏德炎()硕士研究生研究方向:物理学科教学赵振宇()本科教授研究方向:学科教学(物理).通讯作者:孙宝东()硕士研究方向:学科教学(物理).摘 要:基于 教育理念立足物理学科本位以社会热点议题为主题运用任务驱动、合作学习等形式进行中学物理跨学科实践设计.跨学科实践教学案例设计有效避免物理知识学习的碎片化激发学生对物理学科的学习热情增强教学趣味性使跨学科实践教学呈现多元化切实提高学生的物理学科核心素养.关键词:跨学科实践 教育理念核心素养中图分类号:文献标识码:文章编号:()近年来跨学科的教育理念在我国逐渐被教育界所接受这充分体现在最新修订的义务教育课程标准之中.义务教育物理课程标准(年版)(以下简称新课标)将“跨学科实践”作为新增的一级主题其包含“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”个二级主题这些主题可以为物理教师进行跨学科实践教学提供丰富的情境素材.案例设计的理念与思路本文基于 教育理念进行跨学科实践设计将科学、技术、工程等不同领域知识通过跨学科实践的方式进行整合跨越原有独立学科的界限培养学生运用知识解决真实问题的能力.笔者在进行跨学科实践设计时坚持从科学思维培养视角出发以物理学科知识为跨学科实践的融合点但教学视角不再局限于传统学科知识的学习以及分数的高低而是将发展学生核心素养作为根本目标通过活动引导学生从各学科知识背后找出更深层次的物理规律如“奋斗者”号潜水器所用的深海锂电池看似是科技、工程等领域的知识成果但基本原理是科学家对“能量守恒定律”的应用以此来帮助学生实现对原有学科知识体系的深化.笔者在进行跨学科实践设计时也注意到中学物理跨学科实践并不是对物理学科的抛弃与否定而是更高层级的发展.“可上九天揽月可下五洋捉鳖”一直是中华民族的梦想笔者从“社会工程实践”二级主题出发以“天宫”空间站建立与“奋斗者”号潜水器下潜万米两个社会热点话题为跨学科实践案例的主题紧紧围绕新课标深入贯彻“以主题为线索构建课程结构”这一物理教学理念.为实现主题内“分级呈现层层递进”的要求笔者以深海下潜与空间站工程所要经历的各个阶段为时间线索逐步推进.在进行案例设计时采用多种教学方法与模式如情境驱动、任务驱动、问题驱动等教学模式同时运用实验、活动、小组合作等教学方法充分体现中学物理跨学科实践设计的综合性、实践性和生成性促进学生核心素养的发展.设计中两个案例设计的框架见表、表 不同阶段在物理学知识、学科核心素养、教学手段、领域等方面的设计各不相同.表 “奋斗者”号跨学科实践设计框架表教学环节 领域教学手段物理知识学科核心素养主题引入艺术、科学等问题驱动、任务驱动等声波、太阳辐射等物理观念、科学态度与责任等 年 月 .续表 教学环节 领域教学手段物理知识学科核心素养准备下潜阶段数学、技术、工程等情境驱动、任务驱动、实验法等密度、流速等物理观念、科学探究等深海下潜阶段工程、技术等小组合作、问题驱动等能量守恒定律、声波等科学思维、科学探究等海底作业阶段艺术、技术等调查法、讨论法等光学、流体力学等科学思维、科学态度与责任等表 “天宫”空间站跨学科实践设计框架表教学环节 领域教学手段物理知识学科核心素养主题引入艺术、科学等读书指导法、任务驱动等声速、光速等物理观念、科学态度与责任等火箭发射阶段技术、工程等实验法、小组合作等力的相互作用、能量守恒定律等科学思维、科学探究等在轨运行阶段科学、数学等调查法、任务驱动等速率、向心力、机械能守恒等物理观念、科学思维等空间站工作阶段工程、科学等演示法、实验法等介质、电磁波、辐射等物理观念、科学态度与责任等“奋斗者”号跨学科实践案例.主题引入阶段主题引入:教师向学生布置任务让学生朗读毛泽东同志的词作水调歌头重上井冈山同时写下读后感并对词作所用的修辞手法进行赏析.在此基础上提出问题以问题驱动的方式引导学生进行小组交流讨论.问题及解答:这首词中哪些句子反映物理规律?哪些句子反映作者对科学发展的态度?“到处莺歌燕舞”“风雷动”中涉及声音的产生与传播.“可上九天揽月可下五洋捉鳖”一句体现科学家不怕困难、坚持真理的科学精神.设计意图:本环节从语文学科的视角出发最后回归于物理教学.教师采用任务驱动的方式引导学生交流讨论诗词中所包含的各种物理规律促进学生物理观念与科学态度与责任的形成.准备下潜阶段步骤设计:教师播放“奋斗者”号在海面漂浮的视频针对潜水器的设计制造与“奋斗者”号漂浮在海面的有关情境提出问题设置任务.学生在观看潜水器下潜视频的过程中思考教师提出的问题.问题及解答:“奋斗者”号在设计建造时工程师需要对潜水器构造的哪些方面进行重点关注?学生通过讨论交流与查阅有关文献了解到潜水器的密封性、抗压性、抗寒性等方面应在实验室反复检测同时潜水器使用的固体浮力材料也应符合标准.任务及活动:思考工作人员应对哪些海洋环境因素进行检测以保证深海下潜的顺利进行.结合之前视频中展示的真实画面学生在教师的引导下以小组为单位进行探究自主查阅相关资料借助自制实验仪器模拟海水密度变化和流速变化对“奋斗者”号下潜的影响.设计意图:教师通过播放潜水器深海下潜的有关视频创设特定的情境促进学生自发地生成知识引导学生经历实验探究的过程有助于学生核心素养的发展增强跨学科实践教学的趣味性.学生在教师的精心设计与逐步引导下体会科技成就与液体密度、温度、浮力等物理知识的密切关系.深海下潜阶段步骤设计:教师播放“奋斗者”号下潜过程的视频片段围绕深海下潜过程提出相关问题并布置任务.针对布置的任务教师引导学生采取多种方式来完成并以小组为单位对得到的结论或答案进行总结讨论问题中涉及的物理知识.任务 及活动:探明潜水器能源系统工作的基本原理找出其中的物理规律.学生通过查询相关网站了解到“奋斗者”号的能源系统是深海锂电池利用教师提供的材料制作水果电池维持小灯泡发光模拟“奋斗者”号能源系统的工作状态如图 所示.实验后学生对该实验所涉及的物理知识如能量守恒定律、电流、电路等进行归纳与记录.任务 及活动:探究“奋斗者”号在深海中实现下潜与上浮的方法.学生回顾潜艇的上浮与下潜的相关工作原理以小组合作的形式自行设计、组装小型模拟潜水器并进行实验探究对得到的结果进行归纳总结如图 所示将查阅的相关资料与实验进行结合完成教师布置的任务.图 水果电池模拟“奋斗者”号能源系统图 自行设计、组装小型模拟潜水器基于 教育理念的中学物理跨学科实践设计:/.设计意图:学生通过小组合作分工自主设计并进行水果电池的实验学习物理知识的同时提高自身的动手实践能力.本环节涉及我国在科技、工程等领域取得的巨大成就有助于提升学生的民族自信心培养学生振兴中华的科学态度与责任.实验用到的材料大多来自日常生活体现“从生活走向物理”的教育理念.图 “奋斗者”号模型.海底作业阶段步骤设计:教师向学生播放“奋斗者”号深海作业时的有关画面将实物模型带到课堂向学生展示如图 所示.围绕海底作业等有关内容布置任务和提出问题.学生近距离观察潜水器的内外部构造自主探索相关领域的一系列问题.任务及活动:从不同角度分析“奋斗者”号的形态特点猜想设计师的设计意图.学生认真观察教师提供的“奋斗者”号实物模型分别从工程、艺术等视角进行分析如载人舱的球形设计既有利于提高潜水器整体空间利用率同时又符合流体力学的有关规律.问题及解答:“奋斗者”号在海底如何探明附近的地质环境?如何与母船进行信息交流?学生思考与讨论通过类比海洋生物的声呐结合查阅相关信息了解到声学系统在潜水器海底工作时的重要性.设计意图:教师通过将“奋斗者”号的实物模型带入课堂让学生近距离地接触模型将学生的思绪引入到特定的学习情境之中增强跨学科实践的趣味性.学生探究潜水器系统的工作原理不仅能够学习各领域相关知识更有助于自身质疑、创新、推理等科学思维的发展深化对声波、光线等物理观念的理解.“天宫”空间站跨学科实践案例.主题引入阶段图 我国古代航天事业先驱万户主题引入:教师播放我国古代航天事业先驱万户的相关视频展示“万户飞天”雕塑作品如图 所示介绍“万户飞天”的历史典故并提出问题.教师指导学生阅读美国科学家基姆的著作火箭和喷气发动机了解世界对中国古代航天的看法.任务及活动:现代航天领域对“万户飞天”有怎样的评价?学生通过分工合作的形式从网络信息以及阅读教师提供的资料将各自收集到的信息进行分类汇总如万户被国际公认为“世界航天第一人”国际天文学联合会将月球上的一座环形山用“万户”命名等内容.问题及解答:探究万户乘坐的飞行器在空中爆炸后地面上的人们先看到火光后听到爆炸声的原因.学生通过对所学知识的灵活运用将物理“声现象”与“光现象”有关内容相结合空气中声音的传播速度远小于光的传播速度解释为什么人们先看到火光后听到爆炸声.设计意图:教师通过播放“万户飞天”的历史典故创设情境引入本案例设计的主题从艺术、科学等多领域进行分析万户这一历史人物呈现在学生面前增强跨学科实践的趣味性.教师根据相关历史情境提出问题帮助学生形成正确的物理观念.教师采用读书指导法让学生了解我国古代科技发展的伟大成就培养学生勇于探索自然、敢为人先的科学态度.图 “二级水火箭”演示实验.火箭发射阶段步骤设计:教师播放火箭发射的视频片段向学生介绍火箭发射的相关理论.在此基础上教师将学生带到室外围绕火箭发射这一环节布置任务为学生提供一定的材料并带领学生进行实验.学生在教师的指导下分工合作亲自动手进行“二级水火箭”实验如图 所示.任务 及活动:用身边物品制作“二级水火箭”并进行实验.学生在教师指导下分工合作逐步对“二级水火箭”进行设计、制作、发射.在学生动手实践的过程中教师对各步骤所涉及的物理知识进行总结例如作用力与反作用力对水火箭的影响等.任务 及活动:为我国未来实现一级火箭的完整回收提出建议.在实验结束后学生通过调查发现现阶段我国还不具备对一级火箭进行完整回收的能力但是可以通过远程遥控、卫星定位等手段对火箭残骸进行定点回收.学生参考美国猎鹰 号火箭完整回收的案例从落地支架设计、重启引擎等方面为我国未来火箭回收事业提出合理建议.设计意图:教师通过播放视频创设物理情境使学生初步了解火箭发射的过程促进其物理观念的形 年 月 .成.开展户外课堂使用“二级水火箭”实验来模拟真实火箭的发射过程可以激发学生的学习兴趣有助于提高科学探究能力与动手实践能力增强跨学科实践的趣味性与生成性.本环节不仅包含工程、技术等领域知识更涉及如能量守恒物理规律促进学生物理观念的形成任务 更让学生了解到我国现有科技水平与发达国家间的差距激发学生学习物理的热情.图 “天宫”空间站模型.在轨运行阶段步骤 设 计:教 师 播 放“天宫”空间站在轨运行视频现场向学生展示实物模型如图 所示围绕空间站在轨运行状态布置任务.学生认真观察空间站的外形构造特点并在教师帮助下学习使用可视化系统完成任务.任务 及活动:探究“天宫”空间站在轨运行的周期、加速度等物理量.学生通过使用卫星运行可视化系统可以得到一系列数据在头脑中对各物理量形成感性的认知.学生采用小组合作交流的方式对其中涉及的如向心力、万有引力定律等知识进行归纳总结.任务 及活动:探究“天宫”空间站上太阳能板的工作原理.在仔细观察实物模型的基础上学生从工程、科学等角度对太阳能板的工作原理进行分析经过调查发现太阳能板的工作原理是利用硅和某些金属的“光电效应”将太阳能转化为电能.设计意图:教师通过引入可视化系统采用工程、数学等领域的手段呈现出肉眼无法观察的卫星运行轨迹促进学生物理观念的形成.学生在使用可视化系统与观察“天宫”空间站实物模型的过程中既能收获感性素材又能提升科学探究能力.在完成任务 后学生对“光电效应”原理有更深入的理解加快自身物理观念的形成.空间站工作阶段步骤设计:首先教师将多种太空育种的食品带入课堂进行展示请学生品尝其次教师播放“太空授课”的视频片段围绕“太空授课”过程提出问题学生在问题的引导下自行寻找答案最后教师播放航天员出舱行走的相关视频介绍航天员出舱所面临的巨大风险.任务及活动:了解太空育种技术的原理及对日常生活的影响.学生品尝教师提供的太空育种食品感受太空育种技术给日常生活带来的变化.教师带领学生来到学校图书馆学生自主地寻找与太空育种有关的文献资料以小组为单位分享交流最终得出多元化的结论.问题及解答:在“太空授课”项目的课题选择上项目组遵循怎样的原则?学生认真观看“太空授课”视频对授课视频的部分细节进行深入思考结合自己以往的学习经验对教师提出的问题进行推理最终得出答案.总的来说项目选择按照以下原则:首先选择直观感觉对比明显的项目其次选择安全可靠的实验项目最后选择具有综合性的项目.设计意图:教师通过向学生展示太空育种的食品围绕太空育种设置相关任务激发学生学习兴趣让学生近距离地接触我国航天事业取得的成果增强学生的民族自信心.学生观看空间站内“太空授课”视频在学习各种物理知识的同时还对项目选取原则有所了解这有利于学生日后自行设计实验.教师播放“神舟飞船”航天员出舱行走的画面既能够让学生了解航天事业发展的艰辛又有利于帮助学生树立勇于探索、实事求是的科学精神.总结与反思教学中尝试将社会热点议题作为跨学科实践案例的主题基于 教育理念引入工程、技术等学科内容使教学不再是对学生进行零碎、枯燥的物理知识灌输而是以学生为中心将社会热点话题作为线索对物理知识进行串联的过程这一设计方案可以有效地避免学生知识学习的碎片化增强跨学科实践教学的趣味性.在完成跨学科实践学习后学生的收获不再只是课本上枯燥的句子与应试技巧而是与其现实生活紧密相连的知识.同时学生在实践的过程中可以提高自身的动手能力发展物理观念与科学探究等物理核心素养.参考文献:中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(年版).北京:北京师范大学出版社.刘小莲.面向创新能力培养的 跨学科融合模式研究.现代教学():.余胜泉胡翔.教育理念与跨学科整合模式.开放教育研究():.荆鹏侯恕.初中物理跨学科实践教学的内涵、价值与路径.物理教师():.钟启泉.基于“跨学科素养”的教学设计 以 与“综合学习”为例.全球教育展望():.(收稿日期:)