◎ 張澤遠(yuǎn) 楊國強 余 瑾

為了提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠基，上海市風(fēng)華中學(xué)在物理、化學(xué)、生命科學(xué)、通用技術(shù)等學(xué)科嘗試開發(fā)了一系列跨學(xué)科課程?？鐚W(xué)科課程通過與實際生活相關(guān)聯(lián)，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，滿足學(xué)生個性化發(fā)展的需求。

在實踐探索過程中，團隊發(fā)現(xiàn)此類課程需要技術(shù)和環(huán)境的有力支撐。綜合實驗室的使用有助于促進課堂教學(xué)實現(xiàn)高度靈活，使得即時的探究成為可能，同時也使得個性化的課堂教學(xué)成為可能，提高資源的利用率和教學(xué)智能化程度。綜合實驗室的應(yīng)用既可以促進傳統(tǒng)的各個學(xué)科教學(xué)，也為開展跨學(xué)科的綜合課程教學(xué)提供了保障。

“探秘電池”以“能源”為話題，以真實電池的發(fā)現(xiàn)、研究、發(fā)展作為研究內(nèi)容，從生物電的發(fā)現(xiàn)，到伏打電池的初步認(rèn)識，然后結(jié)合實際情境，設(shè)計有實用價值的“蔬果手電”。通過這樣一系列真實問題的研究、解決過程，讓學(xué)生更加透徹地了解電學(xué)發(fā)展的歷史故事，理解電學(xué)發(fā)展的科學(xué)脈絡(luò)，感悟科學(xué)研究的過程與方法，激發(fā)研究興趣，在動手實踐中提升綜合運用知識的能力。

一、問題提出

“探秘電池”融合物理、化學(xué)學(xué)科知識，以問題為核心驅(qū)動。以電池為話題，開展單學(xué)科體驗學(xué)習(xí)、跨學(xué)科引導(dǎo)探究和跨學(xué)科綜合三個層次的學(xué)習(xí)。

同時，對于具體的跨學(xué)科的課例設(shè)計，如何在傳統(tǒng)“學(xué)知識加練習(xí)”的思路基礎(chǔ)上更進一步落實“學(xué)以致用”，使得學(xué)生可以在課堂的探索中自發(fā)地建構(gòu)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的知識，避免出現(xiàn)不同學(xué)科知識單純堆疊“拼盤”的現(xiàn)象，讓學(xué)生有主動去解決問題的動力，去構(gòu)建解決問題的方法，同樣也是在此次課堂轉(zhuǎn)型的過程中所需要重點探索和嘗試解決的問題。

由于傳統(tǒng)的課堂硬件資源單一且無法改變，導(dǎo)致在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中對于環(huán)境資源的構(gòu)建和利用容易受到忽視，較少被納入教師的設(shè)計中來。因此，重視教學(xué)環(huán)境的設(shè)計和在教學(xué)中發(fā)揮重要作用，探索構(gòu)建硬件的教學(xué)環(huán)境來回應(yīng)教學(xué)需求，將實驗室環(huán)境設(shè)計納入教學(xué)活動的設(shè)計中來，使得教學(xué)環(huán)境可以轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)習(xí)空間”，并在“探秘電池”的課程實踐中加以實現(xiàn)。

二、跨學(xué)科設(shè)置探索過程

“拯救伏打”是“探秘電池”中的一節(jié)課，主要是利用數(shù)字化信息實驗系統(tǒng)（以下簡稱“DIS”），幫助學(xué)生制作和改進伏打電池，逐步優(yōu)化電池性能，并最終成功點亮燈珠。

在這個解決問題的過程中，我們還原生活中解決問題的一般方法：遇到問題、分析問題、尋找解決方法、嘗試解決的過程，讓學(xué)生在遇到問題后自主學(xué)習(xí)，通過小組討論、探究歸納、查閱資料等多種形式構(gòu)建跨學(xué)科、跨領(lǐng)域解決問題的能力，整合多種學(xué)習(xí)形式，讓課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)習(xí)者為中心，避免跨學(xué)科跨領(lǐng)域課程的“拼盤”現(xiàn)象。

我們設(shè)計了“器材超市”的實驗室環(huán)境設(shè)計，打破教師事先準(zhǔn)備實驗器材，學(xué)生拿起來用的慣例，將選擇器材、設(shè)計實驗變?yōu)閷W(xué)習(xí)的重要的一部分，讓教學(xué)環(huán)境的設(shè)計成為重要的教學(xué)組成部分，完善了學(xué)生在課堂上的探究活動，拓寬了課堂實驗教學(xué)的邊界。

三、課堂實踐

筆者以“伏打電池”為例，通過帶領(lǐng)學(xué)生共同制作、改進實驗器材的方法推進學(xué)習(xí)；通過創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計、創(chuàng)設(shè)數(shù)字實驗室環(huán)境來激活學(xué)生的思維，養(yǎng)成從跨學(xué)科視角思考的習(xí)慣，提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。該課程開發(fā)共經(jīng)歷了四個階段，具體如圖1 所示。

（一）伏打電池1.0 的制作與分析

筆者給學(xué)生布置的本節(jié)課大任務(wù)是：自制伏打電池并點亮燈珠。學(xué)生首先嘗試制作實驗儀器：容器中倒入0.1mol/L 稀硫酸溶液，然后將鋅片和銅片插入左邊插槽中，即完成了一節(jié)原電池的制作。用導(dǎo)線將金屬片與容器上的小燈珠兩接線柱相連，即完成了一節(jié)伏打電池與一個燈泡串聯(lián)的簡單電路。

通過實驗發(fā)現(xiàn)該裝置無法點亮燈珠，因此通過DIS，進行故障分析。將電壓傳感器并聯(lián)在電源兩端，打開DIS 通用軟件，測量電池的電壓僅為0.3V 左右，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燈珠所需電壓1.5V。

圖1 課程開發(fā)流程圖

接著，教師引導(dǎo)學(xué)生討論得到實驗改進方案：制作多節(jié)伏打電池，通過串聯(lián)增加輸出電壓滿足小燈珠所需，3—4 節(jié)伏打電池串聯(lián)，理論上即可點亮燈珠。

學(xué)生在化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)過原電池的原理，在物理學(xué)科中學(xué)習(xí)過電池可以點亮燈泡，但是沒有在實際情境中把二者聯(lián)系過。這是真實情境中意料之外的失敗，會引發(fā)學(xué)生主動思考：問題可能出在哪里?需要綜合各學(xué)科知識來探索和分析，自然地打開學(xué)生跨學(xué)科、跨領(lǐng)域運用知識進行實踐和探究的理性思維和批判質(zhì)疑能力，提升科學(xué)精神素養(yǎng)。

（二）伏打電池2.0 的制作與分析

為了找到燈泡不亮的原因，按照上述分析所得出的第二版方案，取3—4 個容器，同樣倒入0.1mol/L 稀硫酸溶液，將一片鋅片和銅片插入插槽中，分別制作3—4 節(jié)伏打電池。其中鋅片為負(fù)極，銅片為正極，用導(dǎo)線將電池正負(fù)依次相連，即完成了伏打電池的串聯(lián)，最后再將最外側(cè)兩金屬片與小燈珠連接，即完成了多節(jié)伏打電池串聯(lián)的電路。

通過實驗發(fā)現(xiàn)依然無法點亮。進一步進行分析故障，通過測量路端電壓與斷路電壓，發(fā)現(xiàn)核心問題是自制電池存在內(nèi)阻，再增加串聯(lián)電池數(shù)不一定有效果，而需要建模分析。接下來，通過DIS 對第二版儀器進行分析，結(jié)合小組討論與教師引導(dǎo)，構(gòu)建內(nèi)阻與電動勢的概念，測定單節(jié)自制伏打電池的內(nèi)阻與電動勢，并且建立電池內(nèi)阻、電動勢與點亮燈珠所需電池數(shù)量的函數(shù)關(guān)系模型，從而對后續(xù)的工程優(yōu)化建立數(shù)據(jù)目標(biāo)。

在伏打電池2.0 的制作中，學(xué)生會遇到第二個預(yù)料之外的失敗，通過進一步的故障分析，建構(gòu)對于內(nèi)阻和電動勢的認(rèn)知，從而發(fā)現(xiàn)解決問題的關(guān)鍵。通過教師引導(dǎo)，建立起工程優(yōu)化建模的系統(tǒng)思維方法，為后續(xù)解決問題建立具體的量化目標(biāo)方向。學(xué)生為了解決預(yù)想不到的失敗，自然需要建構(gòu)對內(nèi)阻電動勢的認(rèn)知。同時，由于內(nèi)阻和電動勢的改進是一個系統(tǒng)性的工程問題，因此在解決問題的過程中，學(xué)生也體會了從工程思維來系統(tǒng)性分析思考問題的方法，提高了問題解決和技術(shù)運用能力，提升實踐創(chuàng)新素養(yǎng)。課堂教學(xué)在“以學(xué)習(xí)者為中心”的同時，也向著“能力中心型”轉(zhuǎn)變。

（三）核心問題分析

根據(jù)理論數(shù)據(jù)找到達到這個期望值的具體方法。學(xué)生通過小組討論、理論推導(dǎo)、電子資料庫搜索等多種途徑，來思考改進電池性能的方法與相關(guān)理論例如影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素、影響電阻大小的因素等，并且提出猜想：極板之間距離、極板面積、溶液溫度、溶液濃度等。然后通過小組間分工合作的形式完成各個猜想的探究實驗，分別驗證各個優(yōu)化電池性能的方案的有效程度（見表1）。例如，第一組小組負(fù)責(zé)驗證兩電極間距對電池性能的影響，在容器的左邊區(qū)域，插入金屬片，記錄當(dāng)中間隔的格數(shù)，然后通過DIS 測量電動勢并測算出內(nèi)阻大小，再通過控制變量法，改變兩極板的間隔，記錄對應(yīng)的電動勢與內(nèi)阻數(shù)值，并得出結(jié)論。

在這個階段的教學(xué)設(shè)計，我們參考了在平時生活中學(xué)習(xí)新知識或者技能來解決遇到實際問題的過程：分析問題，在互聯(lián)網(wǎng)上搜索或者問身邊的人，然后去實踐，解決問題，下次再遇到類似問題的時候就會有獨自解決的思路了。這種能夠持續(xù)和自適應(yīng)、跨學(xué)科解決實際問題的能力，希望通過跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的學(xué)習(xí)來傳遞，從而提高學(xué)生樂學(xué)善學(xué)的能力。

表1 分組探究影響電池性能因素部分?jǐn)?shù)據(jù)

為了支持這樣的教學(xué)過程，本環(huán)節(jié)設(shè)計了“器材超市”，將探究過程中可能用上的各種溶劑、金屬、器具等都準(zhǔn)備好，像自助餐一樣陳列于一旁，學(xué)生在探究過程中需要什么可以直接向負(fù)責(zé)教師取用，這樣使得選擇實驗器材和設(shè)計實驗這個環(huán)節(jié)也成為了需要學(xué)生自發(fā)完成的學(xué)習(xí)過程的一部分，大大擴展了課堂探究實驗的培養(yǎng)邊界，進一步培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科解決實際問題的能力。同時，還配套了即時互動文檔。將可以多人在線同時編輯的文檔作為各組的數(shù)據(jù)記錄、分析與交流的工具，讓所有學(xué)生可以在記錄分析自己小組數(shù)據(jù)的同時，實時獲得所有小組的數(shù)據(jù)與結(jié)論，使得小組間合作解決大任務(wù)成為可能。

本環(huán)節(jié)同樣讓學(xué)生在解決“提高電池性能”這個真實問題的過程中自發(fā)地以各種途徑發(fā)生學(xué)習(xí)，提高信息意識，而學(xué)習(xí)的內(nèi)容又可以馬上運用于解決該困難，這樣的學(xué)習(xí)方式，知識獲取的途徑是多種多樣的，不僅僅是教師的講解，如在思考改進電池性能環(huán)節(jié)，學(xué)生就通過互相討論、理論推導(dǎo)、互聯(lián)網(wǎng)搜索等多種途徑來尋找相關(guān)理論。例如，影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素、影響電阻大小的因素等，并且提出猜想，通過小組間分工合作的形式完成探究，以多種方式分享研究過程與成果，在跨學(xué)科實踐中有效地推動學(xué)習(xí)的發(fā)生，從而提高學(xué)生自主發(fā)展的核心素養(yǎng)。

（四）伏打電池3.0 的制作與分析

每個小組根據(jù)上個環(huán)節(jié)各個小組不同方案的驗證數(shù)據(jù)，自主權(quán)衡，在其中挑選3 種方法，從工程的角度綜合考慮電池的輸出性能與持久性，在有限的時間內(nèi)，制作出最終的實驗儀器3.0（如換用硫酸銅溶液、減小金屬片間距并且電池串聯(lián)三種措施相結(jié)合：取3 個容器，倒入0.1mol/L 的硫酸銅溶液，將金屬片緊貼插入插槽中，然后把3 個伏打電池依次首尾相連）。并進行一個小競賽：都只能采用3 種改進方法，看哪個小組可以將電池性能數(shù)據(jù)優(yōu)化得最棒，同時把燈珠點得最亮最持久，這在有效培養(yǎng)學(xué)生物理、化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的同時，還鍛煉學(xué)生的工程思維和理性思維，有效提升學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)。

最后，教師展示伏打電池的實驗器材，從工程學(xué)的角度討論分析伏打的做法與歷史故事，與自己的制作經(jīng)歷產(chǎn)生對比和共鳴，進一步深化思考與所學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生的人文積淀和人文情懷。

在展示課時，最終勝利的小組代表說：“我們小組成功了，我現(xiàn)在好開心！啊，燈到現(xiàn)在還在亮！”學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)的過程中，全身心積極地參與到活動中來，收獲知識與能力，并由衷地感受到開心，就是筆者嘗試教學(xué)設(shè)計創(chuàng)新的最大動力。

四、教學(xué)反思

“伏打電池”的逐步優(yōu)化過程是基于跨學(xué)科課程提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的一個例證。其中比較大的難點是要打破學(xué)科界限，融合物理、化學(xué)學(xué)科不同的學(xué)科思路，以制作改進實驗儀器為線索，真正培養(yǎng)跨學(xué)科解決問題的能力。在設(shè)計中，我們有效地解決了學(xué)科融合的難點。整堂課的知識學(xué)習(xí)都是遵循“遇到問題—發(fā)生學(xué)習(xí)—解決問題”的思路來推動的，在學(xué)習(xí)的形式上，有多種形式：小組討論、探究歸納、查閱資料，整合多種學(xué)習(xí)途徑，促進課堂教學(xué)向“學(xué)習(xí)者中心”和“能力中心”轉(zhuǎn)變。

無線套裝的DIS 為核心的數(shù)字化對課堂效率的提升、助力學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)展有無法取代的作用。學(xué)生在課堂上，通過DIS 使得整個環(huán)節(jié)可以快速獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)并分享，使得通過“器材超市”來自主進行探究實驗成為可能，實質(zhì)是將課堂實驗探究教學(xué)的邊界進一步拓展到了實驗設(shè)計與器材準(zhǔn)備的環(huán)節(jié)，營造真實情境的教學(xué)，提高解決真實問題的能力。

我們認(rèn)為，以跨學(xué)科課程的實踐、以數(shù)字化信息實驗系統(tǒng)為核心來設(shè)計真實情境的探究實驗是一個在新時代比較有效地創(chuàng)新教學(xué)實踐，綜合提升各個學(xué)科核心素養(yǎng)的有效方法。同時，也可以讓教師在實踐中與學(xué)生共同成長，滿足新時代教育的訴求，轉(zhuǎn)變思維，實現(xiàn)課堂的轉(zhuǎn)型，讓學(xué)科核心素養(yǎng)能夠在一線教學(xué)扎根。