物理跨学科案例研究论文

在学生学习过程中，如果学科过于割裂，学生则通常难以理解各个学科之间是如何联系的。比如，初中生学完二次函数，可能要到高中后才能从物理学科中找到二次函数的实际用途；高中生学完虚数，只有将来上大学学习电子专业时才能发现虚数的实际功用。学习短期内看不到实际意义的知识，会明显降低学生的兴趣，也会让知识变得更加抽象而难以理解。这时，跨学科学习的优势就显现出来了。 多学科是不是跨学科 在我们深入思考跨学科整合的课程和教学前，需要厘清一些关于跨学科的概念与认知，避免走弯路。 什么是跨学科？笔者选出四种学界广泛认同的跨学科定义，我们可以从中正确理解跨学科的概念。 第一个定义是由戴安娜·罗顿、马克·秦等人提出的，他们将跨学科教育定义为：一种课程设计与教学模式，由单个教师或教师团队对两门及以上的学科知识、资料、技术、工具、观点、概念或理论进行辨识、评价与整合，以提高学生理解问题、处理问题、创造性地使用多学科的新方法解决问题的能力。 第二个定义由维罗妮卡·曼西拉提出：整合两门及两门以上的学科知识与思维模式以推动学生认知进步的能力，例如解释现象、解决问题、创造产品或提出新问题。 第三个定义是由美国国家科学院在《促进跨学科研究》中提出：由个人或团体对两门及以上学科的信息、资料、技术、工具、观点及理论进行整合的研究模式，为了提升基本认识或解决问题，而那些问题的解决方案通常超出了单学科或单个研究实践领域的范畴。 第四个定义是最权威的，由艾伦·雷普克在《如何进行跨学科研究》中提出：跨学科研究是回答问题、解决问题、处理问题的进程，这些问题太宽泛、太复杂，靠单门学科不足以解决；它以学科为依托，以整合见解、构建更全面认识为目的。 从以上定义中，我们不难抽取跨学科概念的几大要素：跨学科要以现实问题的研究和解决为依托；跨学科要以学科为依托，但要超出单学科研究的视野，关注复杂问题或课题的全面认识与解决；跨学科要有明确的、整合的研究方法与思维模式；跨学科还旨在推动新认知、新产品的出现，鼓励在跨学科基础上完成创新与创造。 在操作过程中，很多人把多学科与跨学科混为一谈。多学科通常指两门及以上学科的见解并置于一起。比如，针对“水”的主题课程，语文教师介绍与水有关的诗词、文化，物理教师介绍水的三态变化，生物教师介绍水对于生物体的巨大作用，地理教师介绍水在地球系统中的重要作用……但是课程到此为止，不进行整合，学科间是相邻关系。多学科课程好比一盘水果沙拉，不同种类的水果只是被沙拉酱混合在一起而已。而跨学科恰恰要求有真正意义上的整合，并且选题更加具体。美国国家科学院专门指出：只要不是仅仅把两门学科粘在一起创造一个新产品，而是思想和方法的整合、综合，那就是真正的跨学科。 真正的跨学科主题学习需要从现实情境中提炼出更多的跨学科课程研究的视角，进而整合生成全新的课程。比如，围绕水这个主题，可以研究水的物理、化学性质与生产生活；水与生命的关系(动物、植物、微生物)；水与地球的各个系统(大气、生态、地质、气候、土壤、热力)；水资源研究(淡水、污水处理、灌溉、净化、污染、再利用)；水资源管理(水坝、节水、发电、引水、现代农业、雨水收集)；水与社会、经济的相互作用(价值观、城市、运动、信仰、治水、航行、运输、运河、起源、一带一路、国家边界、迁徙、战争)；水与文化的共生(艺术、语言、风俗、音乐、茶艺、庆祝活动、诗歌、摄影)。 设计跨学科课程要注重三方面内容 搞清楚“什么是跨学科”后，“如何设计一个好的跨学科课程”这个问题就摆在了我们面前。根据跨学科概念的几大要素，笔者认为要重点关注以下三方面内容： 1.选题上要注重现实情境下真实问题的研究与解决 真实合理的情境是学习的重要一环，在情境中解决真实的问题，可以帮助学生明晰学习目的，进而提高学习兴趣。在跨学科课程设计实践中，很多教师都觉得现实情境中的真实问题难以寻找。笔者根据帮助国内学校构建跨学科课程的经验，在这里给出几种常见角度供选择： 一是有效利用国家课程标准或重要知识点。课标呈现的是各个学科下重要的能力范畴，会涉及项目实施操作中的相关知识、技能、方法、策略的目标要求。比如开展语文与其他学科结合的跨学科写作课程，写各种主题、话题的研究报告或者小论文。 二是利用网络搜索。目前，许多网站有针对各个年级、各个学科开展得十分成熟的项目介绍，可以借此激发灵感，形成自己的跨学科研究选题。比如，研究水果电池、太阳能应用、3D打印、Arduino、传感器与物联网等。 三是联系人们的日常工作。跨学科学习的核心目标是以解决日常生活中最实际的问题为出发点，所以要把关注点聚焦到校园外的社会环境下，寻找人们在各行各业工作时遇到的实际问题并给予解决办法。比如，桥梁的设计与搭建、能源的生产与使用等问题。 四是结合当地或国家大事。跨学科的项目学习，要培养学生关注国家大事、城市大事、身边大事。比如，如何更好地向北京市民宣传南水北调工程进而影响市民的节水行为？如何实现校园内的垃圾分类与回收？ 五是结合服务于社区的理念，调研一些非营利机构、公司、政府、高校，从他们现阶段的需求中寻找跨学科项目灵感。比如，从身边人的健康问题想到如何寻找并引导人们健康的生活方式。 六是充分调动其他可利用的资源。比如，又雾霾了，我爸爸今天开车走西直门桥又绕晕了，我们学校有一半的同学戴眼镜，科学家发现了引力波，等等。这些真实的事件都可以提炼出非常好的研究主题作为课程选题。 2.内容上要注重学科核心概念及学科间的大概念 学科不扎实，跨学科也就无从谈起。学科之所以自成体系是因为其具备完整的知识架构和研究方法，这是完成跨学科的基础。因此，即便是跨学科课程，其涉及的学科核心概念与研究方法也必须是严谨的、经得住推敲的。 对于跨学科课程而言，除了学科内容精准、选题真实外，还要利用学科间的大概念来支撑。大概念一词伴随STEM教育的兴起而进入公众视野，是指能够用于解释和预测较大范围自然界现象的概念。温·哈伦在《科学教育的原则和大概念》一书中就明确提出了科学教育的14个大概念，例如“科学的应用经常会对伦理、社会、经济和政治产生影响”就是一个大概念，与此相对应，我们很容易在美国的初高中学校发现学生在研究《寻找替代能源》《医学发展和立法以及社会伦理的关系》等研究课题。 3.设计上要注重学生高阶思维能力的培养 伊万尼特斯卡雅、克拉克等人在《跨学科学习：过程与结果》中提出，跨学科学习可以帮助学生强化高阶思维技能，也可以帮助学生在不同学科领域之间建立更完善的知识体系和更有意义的研究。所谓高阶思维，是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力，它在教学目标分类中表现为分析、综合、评价和创造。 布卢姆的教育目标分类理论(1956)及其修订版(2001)对高阶思维有详细的阐述，很多教师对此并不陌生，但是难点在于理论如何应用于实践？因篇幅有限，笔者会在后面的典型案例中给出一种美国教师经常使用的方式，帮助教师探究学生高阶思维能力的培养这个问题，即跨学科课程中问题的设定。 从三个典型案例看跨学科课程的设计与教学 课例观察一：《我是勤劳的劳动者》 这是小学高年级的视觉艺术语文课，即语文与美术整合课程，需要3课时180分钟完成，我们只看其教学目标： ●学生要学会分析让·弗朗索瓦·米勒的名画《扶锄的男子》； ●学生学习画家怎样用线条与空间强调主题； ●学生将就怎样理解油画、如何使用视觉证据证明自己的观点等问题展开讨论； ●学生对画中人物进行情感揣测，并写一首小诗表达自己的观点； ●学生通过为一位辛苦工作的家庭成员作画，来证明自己已经理解如何使用线条及空间强调主题。 从这份教学目标中，我们可以看到有历史、美术知识与创作、讨论、诗的写作、德育等要素。很多老师都好奇，这些内容是怎么有机整合到一起的呢？我们看这张艺术与其他学科整合模型(见图1)，想必大家一定有所收获。 ​在本课中，学生要了解艺术史方面的内容，不但要学会从作品当时的社会、宗教、物质、事件等多个角度对名作《扶锄的男子》进行分析，还要了解艺术家的生平与作品特点；学生学习审美，练习美术方面的基本功，通过观察画家对于空间和线条的把握来学习怎样用线条与空间强调主题；学生还需要猜测画中人物的内心与情感，但这种猜测要建立在丰富细节的基础上，包括成画的年代、画作的主题、画作中的矛盾与冲突、画作中的远近虚实对比等，学生要用细节作为论据证明自己对于画中人的情感揣测并与他人分享、讨论乃至辩论，这就是分析、评价与综合，展示了对学生高阶思维能力的培养；在充分了解的基础上，学生要写一首小诗描写画中人物；最后，通过要求学生为一位辛苦工作的家庭成员作画，又巧妙地将创作与德育进行了融合。这个课程非常经典，它告诉我们，通过教师的有效合作，传统的课程也可以改良成跨学科课程。 课例观察二：《桥梁中的悬臂》 这是一个5-6年级混龄教学的STEM课程，取自学校桥梁项目课程。本课需要3课时完成。我们用布鲁姆教学目标分类理论分析教师在本课程中预置的全部问题分别属于哪一层次。 ●塔吊的结构为什么能够吊起重物？(理解) ●吊起重物时有没有最大重量限制？(应用) ●吊臂远端还是近端更能吊起重物？为什么？(应用) ●用自己的话说出什么是悬臂？对照塔吊寻找什么是梁，哪里是固定点？(理解) ●说说塔吊的结构原理是什么？(应用) ●[高年级拓展问题]塔吊的原理和杠杆有什么相同点和不同点？(分析) ●给出一部分悬臂结构的图片，让学生辨认。(应用) ●进一步思考生活中哪些地方应用到了悬臂结构，并阐述。(应用) ●思考塔吊的吊臂为何有那么多三角形？起什么作用？(分析) ●吸管之间有哪些连接方式？(分析与创造) ●吸管的哪个部位受力最大？如何将受力分散？(分析) ●吸管搭建的悬臂结构受到哪些方面的力？(应用) ●参考实际生活中的例子，除了受力，悬臂还会受哪些方面的扰动？(应用与分析) ●怎么克服这些各个方向的扰动？(评价与创造) ●悬臂结构可以下垂吗？(分析) ●下垂幅度大好还是小好？(分析) ●下垂是否有利于整体的结构稳定？(评价) ●你们组怎么分工的，每个人的职责是什么？(应用) ●你们组的悬臂包含了哪些结构元素？(应用) ●实验中出现了哪些问题？怎么解决的？(分析、综合与评价) ●怎样尽量少使用吸管以节省材料？(评价与创造) ●你们图纸上的计划行得通吗？(分析与综合) ●是否应该在搭建过程中不断测试承重情况？(应用) ●搭建中做了哪些改变和调整？(分析与综合) ●务必记得把你们组在进行过程中遇到的问题记录下来。(记忆与理解) ●遇到问题后，你们是如何解决的，说说流程？(应用) ●你从别的组的结构中学到了什么？(评价) ●哪些组的结构好用？什么使悬臂承重更大？更小？(评价) ●哪个组的设计你认为最好？为什么？(综合与评价) ●你认为你们的结构过一段时间后还能完好无损吗？(评价) ●下次再做悬臂结构你们会有哪些改变？试着通过写作说明一下。(综合与评价) 从预置的问题中可以看到大量的锻炼高阶思维能力(分析、综合、评价与创造)的问题，这些能力靠传统的做题方式是难以获得的。最为关键的是，教师在设计课程的时候就要思考问题如何设定，而不是结束后思考。这个课例同样经典，它告诉我们怎样才能问出高质量的问题，同时还告诉我们，好的课程需要成为学校课程的一部分才有长久的生命力。 课例观察三：项目式学习课程 以北京市广渠门中学项目式学习课程——《如何更好地向北京市民宣传南水北调工程进而影响市民的节水行为项目》为例，通过本项目课程的学习和推进，学生深入了解了南水北调的科学知识(北京水资源动态统计、北京地理和人口情况对水资源的影响、水输送过程中的三态变化问题、水的指标和净化问题、连通器、动能势能能量转化、对照实验设计等)、工程知识(三线工程施工难点、泵站提水、暗涵送水、倒虹吸结构等)，社会研究(移民搬迁、民众对工程的了解情况，问卷设计与调查，数学分析、数据交叉分析等)。学生们在研究中发现：如此利国利民的工程许多北京市民竟然知者寥寥，于是学生们将最终的视角定位于针对不同的目标人群做好宣传并手机推广家庭节水方法，并制作了微信公众号南水北调与北京(微信号：nsbdybj)，取得了很好的效果。 在下一步的课程设计中，教师将逐步引导学生，尝试设计改造方案和预算，说服校领导，争取经费真实地、试验性地改造学校的一部分设施来节水，并向学校各年级推广节水方法，以达成节水的目的。该课程让学生参与研究过程，使学生参与最大化，让学生利用对照实验和证据提高思维能力，为学生创造机会分享想法、使用各种方式和工具陈述数据、口头介绍，并利用互联网进行传播。课程打破了学科界限，将分析思维应用于项目研究，让学生从更高的视角去综合信息，建立联系，得出结论，鼓励学生分析历史和时事，培养学生研究、写作与展示意愿。 这个项目式学习课程不但很好地诠释了“科学的应用经常会对伦理、社会、经济和政治产生影响”这个大概念，还提升了学生的核心素养，让学生文理兼修，全面发展。 学校落实跨学科课程的路径建议 学校落实任何类型的校本课程，本质上都是学生学习时间的再分配，更何况跨学科课程本身研发设计技术含量较高，这对教师队伍是一个巨大的挑战。学校落实跨学科课程在教师发展、课程体系建设、学生时间分配上存在不少难点，因此在本文的最后，就学校如何落实跨学科课程问题，笔者给出一些实施上的建议，这也是近年来国内众多学校在摸索过程中得出的经验，与读者分享。 1.教师观念更新、加深跨学科合作与提升跨学科能力是重中之重 跨学科课程实施需要加深不同学科间的教师合作。目前，很多学校教师是按照年级组办公，但是这不代表跨学科整合，仍是前文所说的那盘“水果沙拉”。我们需要用多种形式促进不同学科的教师合作起来设计课程，让教师在设计课程中发展提升，打造教师专业发展共同体。在全新的理念面前，教师能够保持空杯心态并投入精力研究合作是至关重要的。 跨学科课程需要创造性地实施。一方面，可以针对现有学科课程升级改造。文中课例一给我们的启示就在于此，教师可以先从国家课程的内容开始尝试，逐步进化到自选课程主题设计。另一方面，可以对国外成熟课程消化吸收，并进行新的创造。 2.纳入学校课程体系是跨学科课程顺利落实的基本保障 学校的课程体系要给跨学科整合课程留有一席之地至关重要。综合而言，有以下方式可供选择：学校可以将跨学科课程纳入校本课程，以北京市为例，可以根据《北京市实施教育部〈义务教育课程设置实验方案〉的课程计划(修订)》的要求，综合利用规定的10%课时加以落实；学校还可以利用每天的“三点半”时间落实跨学科课程；学校可以与专业机构合作，利用寒暑假开展跨学科研学旅行课程；学校可以在学生社团开展跨学科课程。 如有使用不当的情况，请相关权利人与我们联系。