“杠桿”觀念的跨學(xué)科建構(gòu)探索

摘 要：物理觀念不限于概念、規(guī)律，更是一種知識體系的建構(gòu)。如何將物理概念上升為物理觀念是當(dāng)下課程標(biāo)準(zhǔn)下教學(xué)研究的熱點(diǎn)?！案軛U”在教科書上是一個概念，課題組在SOLO分類評價理論的指導(dǎo)下，通過跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)的方式，讓學(xué)生經(jīng)歷“有形杠桿”“變形杠桿”“無形杠桿”三部曲；并利用“廣涉及”問題檢驗(yàn)、深化學(xué)生的認(rèn)知水平，試圖讓學(xué)生建立起“杠桿”觀念。

關(guān)鍵詞：物理觀念；跨學(xué)科實(shí)踐；SOLO分類評價理論；“廣涉及”問題

阿基米德曾說：“只要給我一個支點(diǎn)和一根足夠長的硬棒，我就可以撬起地球?！彪m然實(shí)際上無法實(shí)現(xiàn)，卻表達(dá)了他對杠桿的認(rèn)識與信念，［1］即他的物理觀念。《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）將物理學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)由三維目標(biāo)升級為核心素養(yǎng)，具體包括：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面。物理觀念是學(xué)科核心素養(yǎng)的一個組成方面，其形成和發(fā)展的過程同時承載著培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究等關(guān)鍵能力，以及培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的重要功能?？梢哉f，物理觀念的形成和發(fā)展的過程，體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的全部要求。［2］

為了培育學(xué)生的綜合能力和素養(yǎng)，課程標(biāo)準(zhǔn)要求我們跨越物理邊界，走向生活、工程與社會，進(jìn)行跨學(xué)科實(shí)踐。跨學(xué)科實(shí)踐需要匯聚兩門及兩門以上的學(xué)科概念，以多元融合的方式解決真實(shí)問題，創(chuàng)造出新產(chǎn)品（作品），更接近實(shí)際生活中復(fù)雜問題的解決過程，有助于物理觀念的形成和發(fā)展。本文以江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社出版的《義務(wù)教育教科書物理九年級上冊》（以下簡稱《蘇科版物理九上》）中“杠桿”的跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)為例，探討由知識形成觀念的方法和路徑。

1 引入藝術(shù)作品，激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)

上課伊始，以一件動態(tài)雕塑擺件引入新課（為了吸引路人的注意，街頭櫥窗里經(jīng)常擺放這種擺件），再通過短視頻介紹動態(tài)雕塑的發(fā)明者———美國著名藝術(shù)家亞歷山大·考爾德的代表作《龍蝦陷阱與魚尾》（如圖1所示），以及以電影《神偷奶爸3》中的“小黃人”為靈感的二創(chuàng)作品———當(dāng)動態(tài)雕塑旋轉(zhuǎn)到某一角度時就能組合成“小黃人”圖樣，以加深學(xué)生對動態(tài)雕塑的感知和認(rèn)識。有的學(xué)生在談感受時說：“動態(tài)雕塑的確能夠讓人感受到空間在轉(zhuǎn)換，時間在流逝，我也想要做一件。”

馬扎諾學(xué)習(xí)行為模型指出，當(dāng)一個新任務(wù)來臨時，首先被激活的不是學(xué)生的認(rèn)知系統(tǒng)，而是自我系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生對這個任務(wù)的感受、價值判斷、情感態(tài)度，激發(fā)出學(xué)習(xí)動機(jī)，學(xué)生才愿意投入其中。［3］

2 制作“動態(tài)雕塑”，體驗(yàn)“力臂”的存在

《蘇科版物理九上》“杠桿”一節(jié)中，首先通過活動與實(shí)例歸納出杠桿的定義，接著就給出了與杠桿有關(guān)的幾個概念，即杠桿五要素。由于“力臂”的概念是直接給出的，學(xué)生無法真正理解，由此課題組設(shè)計(jì)了如下的跨學(xué)科評價任務(wù)：利用竹簽、打印紙、回形針等材料和工具制作一件“會活動的雕塑”。完成后讓學(xué)生解釋：怎樣使它達(dá)到平衡的？做了哪些調(diào)整？

學(xué)生表達(dá)出動手制作的欲望后，接著展示由美術(shù)教師制作的動態(tài)雕塑作品，吸引學(xué)生眼球，學(xué)生也跟著開始制作“會活動的雕塑”，完成后組內(nèi)對作品打分，展示調(diào)節(jié)平衡的方法。

教師讓學(xué)生在長竹簽的兩端分別掛上質(zhì)量較大的A模型和質(zhì)量較小的B模型，引導(dǎo)學(xué)生探究在不增加配重的情況下，如何使作品保持平衡。

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模型到懸掛點(diǎn)的距離和

懸掛點(diǎn)的位置對調(diào)節(jié)平衡有重要作用。

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出：模型到支點(diǎn)的距離為力臂，

調(diào)節(jié)力臂的大小能夠起到調(diào)節(jié)平衡的作用。

調(diào)節(jié)懸掛點(diǎn)的位置

能同時改變動力臂和阻力臂的大小，

也能使作品平衡。

在藝術(shù)作品《龍蝦陷阱與魚尾》、“小黃人”等代入的美術(shù)手工制作氛圍中，學(xué)生“跳出物理學(xué)物理”，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的趣味性、生動性、體驗(yàn)性，容易打開學(xué)生的認(rèn)知系統(tǒng)，能有效突破“力臂”難點(diǎn)，建立杠桿模型。

學(xué)生在直杠桿模型建立的基礎(chǔ)上，再通過辨析諸如船槳、起重機(jī)、人或動物體內(nèi)的變形杠桿等，畫出它們的杠桿示意圖和力臂，完善對杠桿模型的建構(gòu)。

3 評價導(dǎo)航，探究杠桿原理

學(xué)生憑經(jīng)驗(yàn)和直覺能夠把自己的作品調(diào)節(jié)平衡，分辨出各種變形杠桿，卻無法解釋它們?yōu)槭裁磿３制胶?。根?jù)SOLO分類評價理論，可知學(xué)生在杠桿模型中，基本上還是孤立地看待“杠桿五要素”，缺乏有機(jī)整合，所以無法解釋杠桿的平衡。

SOLO分類評價理論是香港大學(xué)教育心理學(xué)教授比格斯首創(chuàng)的一種學(xué)生學(xué)業(yè)評價方法，是一種以等級描述為特征的質(zhì)性評價方法。在SOLO分類評價理論中，比格斯把學(xué)生對某個問題的學(xué)習(xí)結(jié)果由低到高劃分為五個層次：前結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和拓展抽象結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。［4］

評價方式影響、決定著教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式。課題組在 SOLO分類評價理論的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了“探究杠桿平衡條件的等級評價標(biāo)準(zhǔn)”（如表1所示），引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

評價標(biāo)準(zhǔn)中各層級水平的描述（而非評判），能夠讓學(xué)生明確其探究活動所處的水平，以及需要改進(jìn)的方法和路徑。這種為了推進(jìn)學(xué)習(xí)而進(jìn)行的評價稱為學(xué)習(xí)性評價，該評價由形成性評價發(fā)展而來，是形成性評價的一種新形式，其內(nèi)容越具體越能夠促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。如表中實(shí)驗(yàn)操作水平1所示，使用鉤碼只產(chǎn)生整倍數(shù)的動力和阻力，而水平2中用彈簧測力計(jì)替代鉤碼產(chǎn)生動力，動力大小不再按整倍數(shù)變化，數(shù)據(jù)讀取更靈活、更接近實(shí)際。實(shí)驗(yàn)操作水平3中，使用彈簧測力計(jì)傾斜上拉杠桿產(chǎn)生動力，對比豎直上拉時動力臂讀取的便利性，此時的動力臂不太好讀取，可用大三角板配合讀取動力臂，再次加深了學(xué)生對力臂的認(rèn)識。［5］最后，通過分析歸納實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出杠桿平衡條件，學(xué)生的思維水平由單點(diǎn)—多點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)階到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)探究活動既應(yīng)有外顯的動手操作，更應(yīng)有內(nèi)部的思維活動。但在課堂教學(xué)中，往往出現(xiàn)學(xué)生動手多卻動腦少的現(xiàn)象。學(xué)習(xí)性評價能夠幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)、體驗(yàn)達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)的過程，因而能夠促使學(xué)生深入開展實(shí)驗(yàn)探究活動并積極思考， 從而避免“為了活動而活動”的教學(xué)。

4 跨學(xué)科遷移，杠桿“有形”變“無形”

核心素養(yǎng)包括在真實(shí)情境中解決復(fù)雜問題的能力與品質(zhì)。由于問題情境是不確定的，用于解決新問題的知識就必須是靈活的、可用的。知識的本質(zhì)不再是確定無疑的客觀真理，而是指導(dǎo)理智行為的強(qiáng)有力的觀念。

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動和相互作用、能量等內(nèi)容的總體認(rèn)識，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)。

在給定的素材范圍內(nèi)，

杠桿原理（F1l1＝F2l2）的建立把杠桿模型推向了關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平；而拓展抽象結(jié)構(gòu)水平的學(xué)習(xí)結(jié)果則可以超越給定的素材，在更大的系統(tǒng)內(nèi)思考問題，或者跟其他的系統(tǒng)建立聯(lián)系，學(xué)習(xí)結(jié)果更加開放。因此有必要把杠桿模型從關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升到拓展抽象結(jié)構(gòu)，這也是“以觀念為中心”（idea centered）［6］的課堂教學(xué)的必然訴求和挑戰(zhàn)所在。

課題研討課上，在“拓展遷移”教學(xué)環(huán)節(jié)，課題組從不同視角、不同層次為學(xué)生安排了以下幾個拓展性問題。

第一，通過讓學(xué)生解釋藝術(shù)家亞歷山大·考爾德的動態(tài)雕塑作品中的物理學(xué)原理，讓其領(lǐng)會“物理知識居然創(chuàng)造出一種全新的藝術(shù)形式”（近遷移）。

第二，解釋金融行業(yè)里的“加杠桿”和“去杠桿”，讓其領(lǐng)會“金融杠桿”在生產(chǎn)生活中的普遍運(yùn)用（遠(yuǎn)遷移）。

第三，啟發(fā)學(xué)生討論、領(lǐng)悟諸如勤奮、機(jī)遇、才能等都可能成為撬動人生的“杠桿”（遠(yuǎn)遷移）。通過上述問題激發(fā)學(xué)生的思維從“有形杠桿”上升為“無形杠桿”，以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)結(jié)果可以跨時間、跨文化、跨情境遷移。

5 在習(xí)題的設(shè)計(jì)、演練上體現(xiàn)核心素養(yǎng)要求

在美國，很多知名物理教育專家和教師認(rèn)為，物理習(xí)題應(yīng)該是“廣涉及”問題（context-rich problem）。即習(xí)題涉及的知識面較寬且很多為需要跨學(xué)科知識的問題，在其中體現(xiàn)物理學(xué)的應(yīng)用，以此培養(yǎng)一個公民所應(yīng)具備的科學(xué)素養(yǎng)，為走出校門、進(jìn)入社會后解決實(shí)際問題打好基礎(chǔ)。解決“廣涉及”問題是在學(xué)生學(xué)習(xí)過某一物理概念、做過相應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)課本問題”的認(rèn)識基礎(chǔ)上，對學(xué)生提出的更高層次的要求。與傳統(tǒng)的物理習(xí)題相比，它為物理學(xué)習(xí)者提供了與真實(shí)問題更加相像的物理環(huán)境。［7］課題組認(rèn)為，在常規(guī)課堂教學(xué)中的“終極展示”環(huán)節(jié)，可以匹配“廣涉及”問題，以檢驗(yàn)學(xué)生物理觀念的形成情況，并深化學(xué)生物理觀念的發(fā)展。課題組為本節(jié)研討課改編的習(xí)題如下。

徐州和平大橋全長1288m，主橋?yàn)楠?dú)塔雙索面混凝土斜拉橋，橋塔采用造型美觀的“H”形，塔高101m；自塔身向兩側(cè)輻射出116條鋼絞線，拉起這座2萬噸的特大橋（如圖3所示）。徐州和平大橋是我國一次性跨鐵路軌道最多，施工難度最大的跨鐵路大橋。

（1）將大橋的一部分抽象為簡化圖中的模型（如圖3所示），其中F2為橋的重力和車輛對橋的壓力，F(xiàn)1為鋼索的拉力，這種斜拉橋用到了什么物理知識？

（2）試分析簡化圖中的模型，如果橋塔的高度降低，此條鋼索的拉力是否改變？為什么？

分析：問題（1）中根據(jù)簡化圖所提供的信息，可以看出這一段橋面在力F1、F2的作用下，可繞支點(diǎn)O轉(zhuǎn)動，符合杠桿定義，所以用到了杠桿知識。這樣僅從知識的層面分析是不夠的，要讓學(xué)生學(xué)會從物理學(xué)的視角認(rèn)識到，巍峨壯觀的鋼索斜拉橋是一種物理模型———杠桿模型，而模型研究法是一種物理研究思想和方法。將斜拉橋建構(gòu)為杠桿模型，對于學(xué)生來說屬于不熟悉的新情境、新問題，達(dá)到了SOLO分類評價理論層次中弱拓展抽象結(jié)構(gòu)水平。

問題（2）要在模型研究法的背景下，通過對動力臂兩次作圖比較，得出橋塔高度降低時動力臂l1變??；再利用杠桿原理F1＝F2l2l1

去分析推理得出，在阻力F2和阻力臂l2保持不變的情況下，動力臂l1變小了，動力F1即鋼索的拉力就會變大的結(jié)論。

通過對現(xiàn)實(shí)生活中斜拉橋工程問題的解答、展示，學(xué)生的邏輯推理能力、論證表達(dá)能力、學(xué)習(xí)反思能力、合作交流能力、質(zhì)疑創(chuàng)新能力等都得到了鍛煉和發(fā)展。由于和平大橋是徐州本地的地標(biāo)建筑，當(dāng)?shù)氐膶W(xué)生在解題過程中全程充滿了自豪感、成就感和社會責(zé)任感，這些都能夠豐富、深化學(xué)生的杠桿觀念。

在課題研究中，課題組認(rèn)識到，從物理觀念層面設(shè)計(jì)和解答物理習(xí)題，不應(yīng)是碎片化知識的再現(xiàn)與孤立的解題技能的訓(xùn)練，而應(yīng)是對學(xué)生知識理解與應(yīng)用水平的更高要求，其中也滲透著對學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng)。

6 結(jié)語

物理觀念的基本構(gòu)成單位是物理概念，但單一的物理知識（概念、規(guī)律、方法等）不能形成物理觀念，零散的知識也形成不了物理觀念。通過有形杠桿、變形杠桿到無形杠桿模型的建構(gòu)過程，學(xué)生的思維由單點(diǎn)—多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的量變到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的質(zhì)變，直至升華為更具創(chuàng)造性、開放性的拓展抽象結(jié)構(gòu)，可以看出物理觀念是一種知識建構(gòu)的體系。跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生從不同視角、不同層次研究同一個物理主題，為學(xué)生提供將物理知識遷移到其它情境和學(xué)科的機(jī)會，從而能有效促進(jìn)學(xué)生“跨學(xué)科理解”能力及物理觀念的形成。

參考文獻(xiàn)

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