物理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的體驗教室建設(shè)與教學(xué)模式構(gòu)建

【摘要】本文結(jié)合物理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)課程建設(shè)，從跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)載體的選擇原則，到“做中學(xué)”教學(xué)模式流程再造，再到實踐中的初期成效以及建構(gòu)課程體系四個維度，介紹了建設(shè)創(chuàng)新體驗教室、智慧課堂賦能創(chuàng)新人才培養(yǎng)的理論依據(jù)和實踐效果?！娟P(guān)鍵詞】跨學(xué)科；主題學(xué)習(xí)；體驗教室；項目式學(xué)習(xí)；研究性學(xué)習(xí)；真實問題解決隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、新一代通信技術(shù)的高速發(fā)展，人類社會的工業(yè)化已經(jīng)進入4.0時代，特別是近期GPT-4的發(fā)布，標(biāo)志著人工智能技術(shù)已經(jīng)達到了一個空前水平。黨的二十大報告將教育、科技、人才單獨設(shè)立了單元，強調(diào)教育要在全面人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)上更加關(guān)注科技人才培養(yǎng)。同時，我們中小學(xué)要在教育“雙減”中做好科學(xué)教育加法，激發(fā)學(xué)生的好奇心、想象力、探求欲，培育具備科學(xué)家潛質(zhì)、愿意獻身科學(xué)研究事業(yè)的青少年創(chuàng)新人才。北京市教委于2023年4月發(fā)布了《北京市中小學(xué)智慧校園建設(shè)規(guī)范（試行）》（以下簡稱《規(guī)范》）。筆者認為該文件在創(chuàng)建新教育環(huán)境、營造新教育生態(tài)、打造教育新高地等方面具有重要意義。我們要以教育現(xiàn)代化發(fā)展和人才素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，落地新課標(biāo)理念和精神，為新時代培養(yǎng)更多創(chuàng)新人才。區(qū)域和學(xué)校在智慧校園的建設(shè)中，要高度重視其中的科技課程內(nèi)容的建設(shè)工作。教師要將最新科技理念與科技知識動態(tài)地融入課程和教學(xué)之中，解決由于教材相對穩(wěn)定造成的知識相對滯后的問題。筆者認為在物理學(xué)科教學(xué)中，這類最新理念與知識可通過《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中的“跨學(xué)科實踐”主題落地。那么我們該如何設(shè)置物理跨學(xué)科課程呢？基于什么理念、選擇什么樣的載體、建設(shè)什么樣的教學(xué)環(huán)境以及如何對其開展教學(xué)活動和對其評價呢？下面筆者結(jié)合教學(xué)實踐進行分析與總結(jié)。簡易與低成本，優(yōu)選跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)載體物理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)課程教學(xué)載體，我選擇了承載最新人工智能技術(shù)的語音識別項目與承載物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居項目。這兩個項目的具體載體是一塊語音識別模塊電路板以及一些被控制的白色照明燈帶、RGB燈帶等。載體選擇的原則有三點：一是易學(xué)原則。這要求電路連接簡單，復(fù)雜的連接可以先通過繪制連接板來解決。簡易性的技術(shù)也就是易于學(xué)習(xí)的技術(shù)，這解決了師資問題和學(xué)生難于學(xué)習(xí)的困難。二是易創(chuàng)原則。學(xué)生可以從多個維度進行創(chuàng)新，如作品基于選定的應(yīng)用場景，學(xué)生可從電路板、對話問答（問題和答案對）、編程程序、外觀設(shè)計、手機App等多個維度進行設(shè)計和創(chuàng)新，做成獨特的作品。三是低成本原則。為了支撐長久教學(xué)，必須基于省錢的耗材與可循環(huán)再利用的耗材，專業(yè)教室易于改造。這樣可以節(jié)約學(xué)校的資金，低成本開設(shè)長期可用的課程。創(chuàng)新環(huán)境，再造跨學(xué)科“做中學(xué)”流程《規(guī)范》中的智能環(huán)境、應(yīng)用融合創(chuàng)新等一級指標(biāo)包括了創(chuàng)新體驗教室環(huán)境、智慧教學(xué)、智慧學(xué)習(xí)等二級指標(biāo)的建設(shè)內(nèi)容，即建設(shè)技術(shù)賦能的新型專業(yè)教室，以支持科學(xué)教育、創(chuàng)客教育與跨學(xué)科教學(xué)實踐。學(xué)校通過簡單改造，將專業(yè)教室升級為以人工智能技術(shù)主導(dǎo)的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新體驗教室，搭建真實和虛擬結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)體驗環(huán)境，提供各種耗材，供學(xué)生開展物理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)。對于物理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的課程教學(xué)，我們主要采取了“做中學(xué)”中的項目學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)和問題解決式學(xué)習(xí)，根據(jù)課程實際，優(yōu)化教學(xué)流程，開展混合式教學(xué)。在初期的教學(xué)中，筆者組織學(xué)生采用項目式學(xué)習(xí)方式開展智能語音燈制作的學(xué)習(xí)活動，環(huán)節(jié)包括流程學(xué)習(xí)、操作體驗、課題選擇、自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)作實踐、展示交流、創(chuàng)新作業(yè)、多元評價等八個步驟。第一步是流程學(xué)習(xí)：在項目學(xué)習(xí)開啟前開展流程學(xué)習(xí)，即熟悉項目學(xué)習(xí)的有關(guān)環(huán)節(jié)。第二步是操作體驗：學(xué)生通過操作以體驗物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教室中的智能語音、手機App控制窗簾、燈光、空調(diào)、多媒體等電器設(shè)備開啟與關(guān)閉；操作和體驗小組可在課桌上模擬場景的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的控制，了解智能物聯(lián)網(wǎng)概念，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。第三步是課題選擇：學(xué)生學(xué)習(xí)在線課程資源，了解要學(xué)習(xí)課程的內(nèi)容，并選擇一個作品研制方向，開啟自己的研發(fā)項目。第四步是自主學(xué)習(xí)：通過查詢、篩選和閱讀所選項目的相關(guān)資料，學(xué)習(xí)微課視頻，掌握相關(guān)知識和動作要領(lǐng)。第五步是創(chuàng)作實踐：領(lǐng)取相關(guān)器材，跟隨教學(xué)視頻完成作品創(chuàng)作，體會相關(guān)器件、原理、技術(shù)的價值和意義。整個過程學(xué)生可獨自完成，也可小組合作完成。教師課堂巡回指導(dǎo)，答疑解惑。第六步是展示交流：學(xué)生以小組為單位完成作品，制作作品說明書、展示作品制作過程及作品功能，確定有待改進的地方。第七步：制作介紹作品的視頻腳本及視頻錄制與編輯。第八步是多元評價：采用自我評價、同學(xué)互評、教師評價等多元評價的方式，從作品的結(jié)構(gòu)性、完成度、創(chuàng)新性等維度對作品展開評價。在課堂項目式學(xué)習(xí)之后，我們采用研究性學(xué)習(xí)的模式展開真實問題解決的學(xué)習(xí)。學(xué)生以小組為單位，帶著課題走進真實場景，如家庭、學(xué)校、商場、工廠等生活、學(xué)習(xí)、工作、生產(chǎn)場景，經(jīng)歷課題研究的全部環(huán)節(jié)，包括問題發(fā)現(xiàn)、猜想假設(shè)、方案制定、數(shù)據(jù)采集、邏輯推理與論證、結(jié)論傳播等。在場景中，通過觀察相關(guān)場景的電器電路控制裝置，學(xué)生調(diào)研出了不少在實際場景中使用的真問題和作品智能化升級需要。學(xué)生論證相應(yīng)場景智能化開關(guān)升級的必要性，合作設(shè)計升級電路圖和改造方案，與用戶研討并修改完善，合格后將方案轉(zhuǎn)交用戶方，安排升級施工。學(xué)生小組負責(zé)技術(shù)指導(dǎo)工作，收集這一過程中的全部資料，并在實踐結(jié)束后在全班開展研究過程與成果的展示交流活動。在課題研究結(jié)束后，由于學(xué)生在真實的場景中發(fā)現(xiàn)了更多的真實需求，便開始了新一輪的知識和技術(shù)學(xué)習(xí)。如場景中有需要大面積改裝電路的，有需要改變對話問答庫的，有需要外觀設(shè)計的，有需要調(diào)整程序的，有需要修改手機App的，更有需要增加人體感應(yīng)、溫濕度播報、屏幕顯示、各種電器物聯(lián)網(wǎng)控制的，等等。關(guān)于電路知識、信息技術(shù)、勞動技術(shù)、藝術(shù)設(shè)計、數(shù)學(xué)算法模型、語言表達、媒體廣告技術(shù)等的跨學(xué)科知識與技能的學(xué)習(xí)便真正在學(xué)生身上發(fā)生了。場景拓展，初現(xiàn)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)成效在設(shè)計課程中遵循易學(xué)原則。筆者首先組織學(xué)生在創(chuàng)新體驗教室中開展物聯(lián)網(wǎng)虛實情景體驗活動，然后提供給學(xué)生積木式的電源、揚聲器、電路板、燈帶等搭建器材，學(xué)生利用物理學(xué)科單學(xué)科電路知識，通過簡單電路將它們連接。學(xué)生可模仿教學(xué)微課視頻上的操作步驟，組裝電路，形成小作品，實現(xiàn)用對話與語音指令控制電路功能，進而體驗小作品的相關(guān)功能。通過一段時間的教學(xué)，每個學(xué)生都能按照基本電路要求做成自己的智能燈小作品，這大大激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)作熱情，學(xué)生會產(chǎn)生很多小問題和新想法。易操作、易學(xué)習(xí)的課程設(shè)計，極大地調(diào)動了學(xué)生的好奇心、求知欲，教師在教學(xué)和互動中能感受到學(xué)生們的喜悅心情。由于在課程設(shè)計中也遵循了易創(chuàng)性原則，學(xué)生提出的很多問題，不少能轉(zhuǎn)化成可運用所學(xué)知識解決的小課題。通過教師引導(dǎo)和查閱文獻，學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識，與同學(xué)合作，制作了不少新的創(chuàng)新作品，也真正走向了跨學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，推動了學(xué)科間知識的大融合。學(xué)生們做成了自己的智能語音小夜燈、智能語音臺燈。有的學(xué)生還在分類垃圾桶前安放了自己制作的智能語音對話機器人、照明燈兼垃圾分類對話機器人、文化景觀照明燈兼文化景觀介紹對話機器人等，這些都是學(xué)生基于場景差異創(chuàng)作的功能各異的作品。在作品研制的過程中，學(xué)生產(chǎn)生了新的學(xué)習(xí)需要。在場景改變后再開發(fā)作品，都要改變電路板模塊中的語音識別模塊的命令詞、對話問答對，學(xué)生也要學(xué)習(xí)“智能公元”軟件系統(tǒng)操作。創(chuàng)新作品的外觀，學(xué)生要學(xué)習(xí)用低碳環(huán)保的包裝盒、編織物、3D打印機、激光切割機等的知識與技術(shù)。學(xué)生在編制介紹文本時，要學(xué)習(xí)錄音剪輯軟件的使用，來完成文化景觀介紹聲音文件的制作。學(xué)生還要以芯片與集成電路、語音識別、自然語言處理、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、物聯(lián)網(wǎng)等為主題，展開研究性學(xué)習(xí)，從歷史發(fā)展、技術(shù)現(xiàn)狀、原理知識、代表性產(chǎn)品等維度全面了解相關(guān)理論和科技發(fā)展情況。在這個過程中，喜歡編程的學(xué)生，通過程序控制WS2812B燈帶的顏色狀態(tài)和變化方式。有學(xué)生對電路和算法超級感興趣，可以學(xué)習(xí)電路圖設(shè)計與打板制作技術(shù)，學(xué)習(xí)人工智能算法原理，研究線性回歸理論和算法，提前研究大學(xué)線性代數(shù)知識等。一門學(xué)科課程，能從單一學(xué)科知識實踐走向跨學(xué)科知識融合學(xué)習(xí)，對學(xué)生的教育價值很大。易學(xué)易創(chuàng)使各科教師積極參與到教學(xué)中去，解決了智能課程教師欠缺的難題；耗材經(jīng)濟實惠、低成本使學(xué)校容易持久開展教學(xué)，教學(xué)經(jīng)驗也易于推廣。理論歸納，構(gòu)建跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)體系在跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)中要基于道德、認知、方法、情感、態(tài)度、價值觀于一體開展教與學(xué)，即整體教、深度學(xué)。所以，基于初中物理學(xué)科，能選擇智能燈科技場景內(nèi)容作為跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的內(nèi)容載體是一次跨越。學(xué)生通過對智能語音燈的研制過程，將跨學(xué)科知識整合起來，形成了體系，知識包括且不限于物理中的電路與芯片、信息技術(shù)學(xué)科的知識庫建立與編程、藝術(shù)和勞動技術(shù)學(xué)科的設(shè)計與實踐、數(shù)學(xué)中的建模與算法、語言學(xué)科中的說明與展示等，這實現(xiàn)了新課標(biāo)理念下大觀念、大單元、跨學(xué)科實踐學(xué)習(xí)體系構(gòu)建的目標(biāo)。實現(xiàn)教育家陶行知“教學(xué)做合一”思想下的“做中學(xué)”模式，是達成深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。學(xué)生在創(chuàng)作自己的智能燈作品的真問題解決過程中，通過項目式學(xué)習(xí)、動手實踐活動，學(xué)習(xí)知識，訓(xùn)練形成技能，提升了情感，真正將知識與技能、策略與方法、情感態(tài)度與價值觀整合到了一起，實現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)。學(xué)生建構(gòu)了創(chuàng)作作品的整個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)鏈條，包括連接電源、揚聲器、LED燈帶及電路板，通過軟件平臺設(shè)置對話問答對，編寫控制燈光的小程序，設(shè)計作品外觀，設(shè)置手機App等。學(xué)生在真實的體驗教室的生產(chǎn)、生活、工作環(huán)境中研究課題、解決問題，觸發(fā)了對相關(guān)知識的學(xué)習(xí)需要。學(xué)生在體驗、開發(fā)和展示作品的過程中，對電子元器件在電路體系中的作用進行了理解，基于知識系統(tǒng)建構(gòu)起了元器件的價值與意義，這也驗證了課程是人們用來建立事物意義的交流活動，是人們與塑造他的人一起建立關(guān)系意義的過程。本課程的作用還在于，它激發(fā)了學(xué)生的求知欲，建立起了個人與國家科技進步的關(guān)系，喚醒其奉獻社會的責(zé)任與使命意識，使其核心素養(yǎng)得到了培養(yǎng)。通過對課程的實踐研究和理論化概括可以發(fā)現(xiàn)，本課程構(gòu)建的教學(xué)結(jié)構(gòu)體系相對比較完整，智能體驗教室改造相對簡單，信息化評價模式便捷，在進一步試點的基礎(chǔ)上可以大面積推廣。結(jié)束語《規(guī)范》的出臺，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)明確了智慧環(huán)境的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，為課程建設(shè)、教與學(xué)方式改革、評價模式建設(shè)確定了方向。筆者結(jié)合科技人才培養(yǎng)，選擇物理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)，通過智能燈開發(fā)課程與建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新體驗教室，讓物理教師完全可以推進跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)課程教學(xué)。學(xué)生在課堂上