陳雨晴　官文聰　郭慶　喬翠蘭

關鍵詞 跨學科實踐;大科學工程;子午工程

傳統(tǒng)分科教學模式旨在傳授單一學科的知識和經(jīng)驗，學生難以將知識轉(zhuǎn)化為專家思維以解決實際問題，并在更廣闊的現(xiàn)實世界中實現(xiàn)遷移應用。在結(jié)合試點區(qū)域的綜合課程實踐結(jié)果，并充分考慮全國義務教育的均衡性和一線教師實施的可能性后，《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“物理新課標”）中增加了“跨學科實踐”板塊，兼顧分科與綜合課程[1-2]。

大科學工程是指以前沿尖端科學技術(shù)突破為目標的、跨學科交叉、跨區(qū)域協(xié)作的大型復雜分布式協(xié)同創(chuàng)新研究項目，兼具我國科技創(chuàng)新的重要使命[3]。它綜合了多學科領域的知識觀念、思維方法以開展科學實踐與創(chuàng)新，具有豐富的跨學科實踐教育價值。我國具有眾多的大科學工程和裝置，它們是開發(fā)跨學科實踐教育資源的寶庫。本研究將以子午工程為例，設計并實踐相關的案例，探索大科學工程跨學科實踐的有效路徑。

1 問題的提出

1.1 經(jīng)濟社會發(fā)展要求教育培養(yǎng)跨學科人才

從經(jīng)濟社會發(fā)展的客觀環(huán)境層面來看，我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展受新一代信息技術(shù)的影響面臨巨大的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)，很多傳統(tǒng)行業(yè)正被時代所淘汰。傳統(tǒng)的單一操作型人才已經(jīng)不能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，具備跨學科實踐和創(chuàng)新能力是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型對人才提出的新需求。從經(jīng)濟社會發(fā)展的主觀任務層面來看，《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二0三五年遠景目標的建議》中指出“十四五”期間要堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，全面塑造發(fā)展新優(yōu)勢[4]。然而，當前科技創(chuàng)新與發(fā)展的趨勢表明：僅靠單一學科難以產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的創(chuàng)新成果，科技創(chuàng)新越來越強調(diào)跨學科融合，2020年國務院學位委員會、教育部將“交叉學科”門類為一級學科就是最好的證明。因此，培養(yǎng)跨學科的復合型、創(chuàng)新型人才是當前經(jīng)濟社會發(fā)展對教育提出的迫切要求。

2022年，教育部出臺了各學科的《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》，其中幾乎所有學科都增加了對“跨學科”的相關要求，物理新課標更是明確提出“跨學科實踐”的主題[2]，強調(diào)培養(yǎng)學生跨學科應用知識的能力、分析和解決問題的能力、動手操作的實踐能力等。跨學科實踐的教學基于學生的基礎、體驗和興趣，圍繞某一主題進行實踐活動，在活動中綜合多學科的知識、經(jīng)驗和方法去解決問題[5-6]。學生在這個過程中將自主建構(gòu)跨學科的認知體系[7-9]，更好地認識自然，理解科學本質(zhì)，發(fā)展問題解決能力、創(chuàng)造性思維、批判性思維、協(xié)作交流能力等21世紀核心素養(yǎng)[8]，成為促進我國經(jīng)濟社會發(fā)展的后備創(chuàng)新型人才。

1.2 大科學工程是跨學科實踐的可靠資源

從我國科技傳播和教育政策層面來看，基于大科學工程開發(fā)教育資源開發(fā)是符合國家戰(zhàn)略的。2015年修訂的《中華人民共和國促進科技成果轉(zhuǎn)化法》中強調(diào)要鼓勵研究開發(fā)機構(gòu)、高等院校等事業(yè)單位與生產(chǎn)企業(yè)相結(jié)合，聯(lián)合實施科技成果轉(zhuǎn)化[10]。2016年國務院印發(fā)的《促進科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化行動方案》中指出推動科技成果與產(chǎn)業(yè)、企業(yè)需求有效對接，加快科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化[11]。2021年國務院印發(fā)《全民科學素質(zhì)行動規(guī)劃綱要（2021—2035年）》強調(diào)高校、科研機構(gòu)開發(fā)開放優(yōu)質(zhì)科學教育活動和資源，支持和指導高校、科研機構(gòu)、企業(yè)、科學共同體等利用科技資源開展科普工作，開發(fā)科普資源，及時普及重大科技成果[12]。物理新課標中的“物理學與工程實踐”指出將工程技術(shù)的素材應用于教學，讓學生體會物理對工程技術(shù)發(fā)展的促進作用[2]。從上述政策內(nèi)容中不難看出，科技資源本身具備豐富的教育價值，物理教育也明確表達出對這類資源的迫切需要。大科學工程是科技創(chuàng)新的重要資源，推動并落實其教育轉(zhuǎn)化是當前國家科技政策以及人才培養(yǎng)的共同需求。

從大科學工程的本質(zhì)來看，它是科學、技術(shù)和工程交織一體的結(jié)果，具有多學科、多領域交叉融合的特征[13]，科學家通過大科學工程進行科學研究就是一項跨學科的創(chuàng)造性實踐活動。利用大科學工程開展跨學科實踐教育可以將科學家開展跨學科研究的科研資源轉(zhuǎn)化為促進學生跨學科實踐能力發(fā)展的教育資源[14]，有利于學生在實踐活動中學習大科學工程涉及的跨學科知識、積累實踐經(jīng)驗，提高問題解決能力;同時促使學生了解科學發(fā)展，提高科學興趣，建立科技自信[15]?？茖W家和教育工作者嘗試開發(fā)基于大科學工程開發(fā)跨學科實踐教育資源，例如費米實驗室利用其粒子加速器實驗數(shù)據(jù)設計了如“計算頂夸克質(zhì)量”等一系列跨學科實踐活動，并參與建設了科學資源共享網(wǎng)絡中心“夸客網(wǎng)”（QuarkNet），以促進大科學工程進入K12 課堂[16];美國國家航空航天局（NASA）利用國際空間站設計的系列教育資源“來自太空的 STEM 課程”，與亞利桑那州立大學教育專家合作開發(fā)的“火星教育項目”等都將工程實踐融入課堂[14];北京航天飛行控制中心的科技人員撰寫了“嫦娥工程”的科普圖書，從“嫦娥一號”到“嫦娥四號”全面介紹了我國探月工程[17]。但是，當前我國大科學工程的教育研發(fā)與應用還停留在大眾科普層面，層次較淺。深入挖掘大科學工程的跨學科實踐教育價值，開發(fā)符合學生身心發(fā)展水平的跨學科實踐教育資源有可能也有必要。

綜 上所述，將大科學工程融入物理課堂開展跨學科實踐活動既是對科技傳播政策和新課標理念的落實，也是大科學工程本身的跨學科實踐本質(zhì)在教育領域的深度應用，符合經(jīng)濟社會發(fā)展對跨學科人才培養(yǎng)的戰(zhàn)略需求。此外，國內(nèi)重視大科學工程的教育價值，但是基于大科學工程開展跨學科實踐教育的案例較少。因此，將大科學工程融入物理課堂，促進中學生跨學科實踐能力的發(fā)展是具有時代意義的。下以大科學工程東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測子午鏈（簡稱“子午工程”）為例，設計初中物理跨學科實踐案例并進行實踐，期望為后續(xù)大科學工程跨學科實踐教育應用提供參考和啟發(fā)。

2 案例設計

2.1 案例背景

子午工程是我國“十一五”國家重大科技基礎設施項目，是一項探測空間環(huán)境中災害性空間天氣變化規(guī)律的大科學工程。當異常太陽活動或磁暴、太陽風等異?，F(xiàn)象出現(xiàn)時，電離層電子濃度往往會劇烈變化，嚴重時可能造成通訊中斷、導航失靈等，對日常生活、軍事活動等造成巨大的影響。探測電離層電子濃度，監(jiān)測其變化是子午工程的一項重要工作。

2.2 教學目標

（1） 知道探測電離層電子濃度任務中的跨學科知識，包括激光、光的反射、無線電波、無線電波頻率和電子濃度的關系等物理知識，測距原理等工程知識，數(shù)據(jù)圖象、計算等數(shù)學知識，數(shù)字測高儀的原理等技術(shù)知識，培養(yǎng)學生跨學科理念;

（2） 通過自制實物模型類比理解數(shù)字測高儀的原理，培養(yǎng)模型構(gòu)建的科學思維;

（3） 通過完成探測電離層電子濃度的任務，經(jīng)歷完整的跨學科實踐流程，了解物理學與技術(shù)、工程、數(shù)學之間的聯(lián)系;

（4） 了解子午工程的科研項目進展，激發(fā)對我國科技工程的關注，培養(yǎng)科技自信，增強對科研的興趣。

2.3 活動方案

活動以子午工程中探測電離層電子濃度為主題進行跨學科實踐?？茖W家已經(jīng)掌握了儀器及探測原理，他們在完成這個任務時，一般直接使用探測儀器發(fā)射系列無線電脈沖，之后得到電離層頻高圖再進行數(shù)據(jù)分析，獲取電離層的電子濃度信息。對于學生來說，并未掌握儀器及探測原理，因而學習儀器及探測原理是一個必要的環(huán)節(jié)。本活動分為兩個階段，第一階段為選擇探測儀器，在此階段學習探測的原理和與之相關的跨學科知識;第二階段為分析數(shù)據(jù)圖像，在此階段分析電離層頻高圖，獲得電子濃度信息。

活動以基于問題的形式開展，如表1所示，每一個活動階段都設計了兩個問題引導學生進行跨學科實踐學習。

3活動開展

本設計在某中學初二課堂進行了實踐，主要以情境引入、選擇探測儀器和分析數(shù)據(jù)圖像三個環(huán)節(jié)展開。鑒于探測電離層電子濃度這個任務技術(shù)含量較高、學生可能存在學習困難，教師在實踐中搭建了多個腳手架，以減輕學生的認知負荷。

3.1 情境引入

（1） 創(chuàng)設導航迷途情境，提出導航偏離原因問題。課堂開始后，教師首先播放了轎車按照導航行駛結(jié)果從臺階上沖下來的視頻，創(chuàng)設導航迷途的情境，吸引學生興趣，引發(fā)學生思考，并提出了如下問題：在日常生活中我們經(jīng)常使用導航，但有時也會遇見視頻中這樣被導航帶偏離的情況，是什么原因造成導航不準確呢？

（2） 建立電離層電子濃度與導航聯(lián)系，引出探測電離層電子濃度的任務。教師播放了導航信號與電離層關系的微課視頻，學生初步了解到電離層的電子濃度會影響導航信號的傳播，為接下來探究電離層電子濃度提供了學習支架。進而提出了本節(jié)課的任務：假設你是子午工程的工作人員，你會如何完成探測電離層電子濃度的任務？

3.2 選擇探測儀器（階段1）

（1） 進行教室測距活動，第一次搭建腳手架。課堂引入之后，學生在教師的引導下開始就活動任務進行思考與討論，同時教師加以引導，減輕學生認知負荷。經(jīng)討論，學生指出要解決的首要問題是選擇何種儀器才能夠達到電離層高度以獲取相關信息。因此，教師設置了測距活動，組織學生小組合作用米尺、激光測距儀分別測量課桌和教室的高度。學生通過此活動得出了不同高度的測距應該使用不同的儀器的結(jié)論，為后續(xù)活動提供了感性的認知基礎。接著，教師進一步組織學生選擇探測電離層電子濃度的儀器。學生提出可以用激光測量，教師對此給予肯定，但指出科學家使用比激光頻率范圍更廣的無線電波測量電離層電子濃度，由此制造了認知沖突，引發(fā)學生進一步的思考。

（2） 進行模擬探測電離層電子濃度活動，第二次搭建腳手架。由于上一環(huán)節(jié)的認知沖突，學生提出了疑問：為什么要使用頻率范圍更廣的無線電波？ 針對此問題，教師組織學生開展了模擬探測電離層電子濃度的活動，為學生搭建解答疑問的腳手架。學生小組合作將多層紙巾、一定厚度的泡沫板依次放入塑料盒中，制成簡易模擬電圖1 模擬電離層剖面離層模型，如圖1 所示。再分別用前段削尖的紙棒、木棒和鐵棒豎直向下戳該模型，如圖2所示，記錄每次的穿透層和穿透深度，如表2 所示。通過實驗，學生獲得了直觀感受，發(fā)現(xiàn)不同材料的棍棒能戳破電離層深度和層數(shù)不同。

（3） 引導學生利用直觀感受類比理解使用無線電波的真實原因，第三次搭建腳手架。學生認識到：①電離層中有許多電子，這些電子會影響激光或無線電波的傳播，就像這個模型會阻礙棍棒穿透它;②激光和無線電波都屬于電磁波，不同頻率的電磁波能穿透的電子濃度不同，頻率越高穿透能力越強，就像不同材料的棍棒能穿透的模型層數(shù)不同。然而，與無線電波相比，激光的頻率范圍較窄，可以穿透的電離層電子濃度范圍也較窄，因此利用頻率范圍更寬的無線電波可以在更大范圍內(nèi)測量電離層的電子濃度。

至此，學生對選擇什么樣的儀器已經(jīng)有了較為清晰的想法，教師再引導學生明確測量儀器為數(shù)字測高儀。有了前面學習的鋪墊，學生能夠理解簡化后的數(shù)字測高儀原理。數(shù)字測高儀原理簡圖如圖3所示，頻率和電子濃度之間有對應的關系，當無線電波不能穿透某一濃度的電子層時它就會完全反射回來，被地面的接收器接收到，通過分析我們就能知道此處電子濃度和高度。

3.3 分析數(shù)據(jù)圖像（階段2）

此階段學生活動與科學家活動相似：選擇儀器并利用儀器探測后，對收集到的數(shù)據(jù)進行分析，得到電離層電子濃度。教師介紹了如圖4所示的頻高圖[18]，它是數(shù)字測高儀得到的圖像，電離層的電子濃度信息就蘊含在其中。此圖對于學生來說較為復雜，學生獲取有效信息難度較大。教師設置腳手架幫助學生獲取信息。

（1） 提問和補充知識，減輕學生認知負荷。教師引導學生認識數(shù)據(jù)，列出了頻高圖中較為重要的一些參數(shù)釋義如表3所示，并向?qū)W生提問：是否有直接表示電離層電子濃度的參數(shù)。學生發(fā)現(xiàn)沒有這樣的參數(shù)，教師進一步提問：是否有與電離層電子濃度存在對應關系的參數(shù)，學生回想起頻率與電離層電子濃度有關，尋找到了表中的頻率參數(shù)。但是表中頻率參數(shù)太多，學生不知道需要哪個參數(shù)，此時教師進行了補充介紹：電離層按照高度分為多個層級，所以會有多個頻率參數(shù)，不同頻率參數(shù)計算得出的電子濃度不同，假設我們只想知道F2層的最大電子濃度，只需要使用foF2這個參數(shù)即可。

課堂最后，帶領學生進行總結(jié)，梳理任務流程與知識脈絡，體會物理與大科學工程的聯(lián)系;布置課后作業(yè)，讓學生撰寫一份探測電離層電子濃度任務的流程圖并寫下所學到的知識與感悟，與同學進行交流討論，深化對知識的理解。

3.4 實踐反思

（1） 搭建腳手架，減輕認知負荷是大科學工程走入初中物理跨學科實踐活動的有效手段。本設計蘊含的科技工程內(nèi)容看似較為復雜，但是在實踐中教師搭建了許多腳手架，并在每個環(huán)節(jié)及時給予提示、補充相關知識，減輕了學生的認知負荷，逐步促進學生深入學習。

（2） 基于大科學工程的初中物理跨學科實踐活動能讓學生跟進前沿科學研究，提升探究能力和數(shù)據(jù)素養(yǎng)，利于科技后備人才培養(yǎng)。在實踐中學生進行了與探測電離層電子濃度有關的活動，有機會接觸科學前沿，加強了他們對科學的興趣;經(jīng)歷了科學家的探究過程，了解到物理與工程、技術(shù)、數(shù)學等學科的聯(lián)系，增進了對學科交叉的認識，提升了科學探究的能力;利用科學數(shù)據(jù)和參數(shù)之間的關系計算得出想要的電離層電子濃度，從科學數(shù)據(jù)中挖掘信息，提高了他們的數(shù)據(jù)素養(yǎng)。

（3） 教師應不斷提升跨學科實踐設計能力，架起大科學工程與青少年教育之間的橋梁。大科學工程具有重要的教育價值，但青少年沒有自主學習大科學工程的能力，因此教師需要結(jié)合青少年認知水平、課程標準要求和大科學工程的特點等進行設計，提高自身的教學設計能力，為青少年學習大科學工程架起橋梁。

4 結(jié)語

本研究基于子午工程中探測電離層電子濃度的科學任務，設計并實踐了初中物理跨學科實踐案例。具體來說，本研究以問題為驅(qū)動設計了相應的活動，首先設計了米尺和激光測距的活動，使得學生對選用無線電波探測電離層的原因有了初步的認識;其次開展了模擬探測電離層的活動，使得學生對無線電波探測電離層的原理有了清晰的認識;最后開展了認識參數(shù)和計算電離層電子濃度的活動，使得學生對科學數(shù)據(jù)有了更深刻的認識。本研究厘清了跨學科實踐的育人價值，以及大科學工程與跨學科實踐之間的耦合關系，為基于大科學工程開發(fā)跨學科實踐資源的可能性和必要性提供了理論支撐;另外，基于子午工程設計了包含物理、工程、技術(shù)、數(shù)學等學科的跨學科實踐教學案例，展現(xiàn)了大科學工程蘊含的跨學科實踐教育價值，為后續(xù)資源的開發(fā)提供了參考。

本研究認為，基于大科學工程開發(fā)跨學科實踐教育資源時，應當注意以下幾點：第一，選擇大科學工程中具體的科學任務或裝置進行跨學科實踐活動設計。整個大科學工程蘊含的跨學科知識種類繁多、層次不一，從整體進行設計難度較大，具體的科學任務和裝置包含的跨學科知識更加集中，更容易與課程標準呼應，也更容易把握;第二，以問題為主導，設置腳手架。義務教育階段學生的物理知識基礎薄弱，在設計跨學科實踐活動時可以設置層層遞進的問題鏈作為腳手架幫助學生再課堂上實現(xiàn)學習進階;第三，恰當使用科學數(shù)據(jù)。大科學工程中的科學數(shù)據(jù)是很好的教育資源，在使用時應注意科學數(shù)據(jù)的處理符合學生的認知水平，才能更好地發(fā)揮其教育價值。

值得強調(diào)的是，除本案例外，還有很多大科學工程包含眾多跨學科知識和技能，具有開發(fā)跨學科實踐教育資源的潛力，例如：三峽大壩工程包含了壓強、功與能的轉(zhuǎn)換等物理知識，模型建造等工程與地理知識，能源利用等技術(shù)知識;嫦娥工程包含力與運動等物理知識，航天器的研發(fā)等工程與藝術(shù)知識，材料性質(zhì)、燃料選擇等化學知識。大科學工程是被忽視的教育寶庫，它們蘊含著巨大的跨學科實踐教育價值?？蒲腥藛T和教育研究者應當意識到大科學工程的教育價值，通力協(xié)作，廣泛且深入地開發(fā)跨學科實踐教育資源，促進課程改革的實踐落地。

（本研究的科學數(shù)據(jù)來自國家重大科技基礎設施子午工程）