物理跨学科主题学习的体验教室建设与教学模式构建

【摘要】本文结合物理跨学科主题学习课程建设，从跨学科主题学习载体的选择原则，到“做中学”教学模式流程再造，再到实践中的初期成效以及建构课程体系四个维度，介绍了建设创新体验教室、智慧课堂赋能创新人才培养的理论依据和实践效果。【关键词】跨学科；主题学习；体验教室；项目式学习；研究性学习；真实问题解决随着物联网、大数据、人工智能、新一代通信技术的高速发展，人类社会的工业化已经进入4.0时代，特别是近期GPT-4的发布，标志着人工智能技术已经达到了一个空前水平。党的二十大报告将教育、科技、人才单独设立了单元，强调教育要在全面人才培养的基础上更加关注科技人才培养。同时，我們中小学要在教育“双减”中做好科学教育加法，激发学生的好奇心、想象力、探求欲，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年创新人才。北京市教委于2023年4月发布了《北京市中小学智慧校园建设规范（试行）》（以下简称《规范》）。笔者认为该文件在创建新教育环境、营造新教育生态、打造教育新高地等方面具有重要意义。我们要以教育现代化发展和人才素养培养目标为导向，落地新课标理念和精神，为新时代培养更多创新人才。区域和学校在智慧校园的建设中，要高度重视其中的科技课程内容的建设工作。教师要将最新科技理念与科技知识动态地融入课程和教学之中，解决由于教材相对稳定造成的知识相对滞后的问题。笔者认为在物理学科教学中，这类最新理念与知识可通过《义务教育物理课程标准（2022年版）》中的“跨学科实践”主题落地。那么我们该如何设置物理跨学科课程呢？基于什么理念、选择什么样的载体、建设什么样的教学环境以及如何对其开展教学活动和对其评价呢？下面笔者结合教学实践进行分析与总结。简易与低成本，优选跨学科主题学习载体物理跨学科主题学习课程教学载体，我选择了承载最新人工智能技术的语音识别项目与承载物联网技术的智能家居项目。这两个项目的具体载体是一块语音识别模块电路板以及一些被控制的白色照明灯带、RGB灯带等。载体选择的原则有三点：一是易学原则。这要求电路连接简单，复杂的连接可以先通过绘制连接板来解决。简易性的技术也就是易于学习的技术，这解决了师资问题和学生难于学习的困难。二是易创原则。学生可以从多个维度进行创新，如作品基于选定的应用场景，学生可从电路板、对话问答（问题和答案对）、编程程序、外观设计、手机App等多个维度进行设计和创新，做成独特的作品。三是低成本原则。为了支撑长久教学，必须基于省钱的耗材与可循环再利用的耗材，专业教室易于改造。这样可以节约学校的资金，低成本开设长期可用的课程。创新环境，再造跨学科“做中学”流程《规范》中的智能环境、应用融合创新等一级指标包括了创新体验教室环境、智慧教学、智慧学习等二级指标的建设内容，即建设技术赋能的新型专业教室，以支持科学教育、创客教育与跨学科教学实践。学校通过简单改造，将专业教室升级为以人工智能技术主导的物联网创新体验教室，搭建真实和虚拟结合的物联网体验环境，提供各种耗材，供学生开展物理跨学科主题学习。对于物理跨学科主题学习的课程教学，我们主要采取了“做中学”中的项目学习、研究性学习和问题解决式学习，根据课程实际，优化教学流程，开展混合式教学。在初期的教学中，笔者组织学生采用项目式学习方式开展智能语音灯制作的学习活动，环节包括流程学习、操作体验、课题选择、自主学习、创作实践、展示交流、创新作业、多元评价等八个步骤。第一步是流程学习：在项目学习开启前开展流程学习，即熟悉项目学习的有关环节。第二步是操作体验：学生通过操作以体验物联网专业教室中的智能语音、手机App控制窗帘、灯光、空调、多媒体等电器设备开启与关闭；操作和体验小组可在课桌上模拟场景的物联网设备的控制，了解智能物联网概念，激发学习兴趣。第三步是课题选择：学生学习在线课程资源，了解要学习课程的内容，并选择一个作品研制方向，开启自己的研发项目。第四步是自主学习：通过查询、筛选和阅读所选项目的相关资料，学习微课视频，掌握相关知识和动作要领。第五步是创作实践：领取相关器材，跟随教学视频完成作品创作，体会相关器件、原理、技术的价值和意义。整个过程学生可独自完成，也可小组合作完成。教师课堂巡回指导，答疑解惑。第六步是展示交流：学生以小组为单位完成作品，制作作品说明书、展示作品制作过程及作品功能，确定有待改进的地方。第七步：制作介绍作品的视频脚本及视频录制与编辑。第八步是多元评价：采用自我评价、同学互评、教师评价等多元评价的方式，从作品的结构性、完成度、创新性等维度对作品展开评价。在课堂项目式学习之后，我们采用研究性学习的模式展开真实问题解决的学习。学生以小组为单位，带着课题走进真实场景，如家庭、学校、商场、工厂等生活、学习、工作、生产场景，经历课题研究的全部环节，包括问题发现、猜想假设、方案制定、数据采集、逻辑推理与论证、结论传播等。在场景中，通过观察相关场景的电器电路控制装置，学生调研出了不少在实际场景中使用的真问题和作品智能化升级需要。学生论证相应场景智能化开关升级的必要性，合作设计升级电路图和改造方案，与用户研讨并修改完善，合格后将方案转交用户方，安排升级施工。学生小组负责技术指导工作，收集这一过程中的全部资料，并在实践结束后在全班开展研究过程与成果的展示交流活动。在课题研究结束后，由于学生在真实的场景中发现了更多的真实需求，便开始了新一轮的知识和技术学习。如场景中有需要大面积改装电路的，有需要改变对话问答库的，有需要外观设计的，有需要调整程序的，有需要修改手机App的，更有需要增加人体感应、温湿度播报、屏幕显示、各种电器物联网控制的，等等。关于电路知识、信息技术、劳动技术、艺术设计、数学算法模型、语言表达、媒体广告技术等的跨学科知识与技能的学习便真正在学生身上发生了。场景拓展，初现跨学科主题学习成效在设计课程中遵循易学原则。笔者首先组织学生在创新体验教室中开展物联网虚实情景体验活动，然后提供给学生积木式的电源、扬声器、电路板、灯带等搭建器材，学生利用物理学科单学科电路知识，通过简单电路将它们连接。学生可模仿教学微课视频上的操作步骤，组装电路，形成小作品，实现用对话与语音指令控制电路功能，进而体验小作品的相关功能。通过一段时间的教学，每个学生都能按照基本电路要求做成自己的智能灯小作品，这大大激发了学生的创作热情，学生会产生很多小问题和新想法。易操作、易学习的课程设计，极大地调动了学生的好奇心、求知欲，教师在教学和互动中能感受到学生们的喜悦心情。由于在课程设计中也遵循了易创性原则，学生提出的很多问题，不少能转化成可运用所学知识解决的小课题。通过教师引导和查阅文献，学生学习相关知识，与同学合作，制作了不少新的创新作品，也真正走向了跨学科知识的学习，推动了学科间知识的大融合。学生们做成了自己的智能语音小夜灯、智能语音台灯。有的学生还在分类垃圾桶前安放了自己制作的智能语音对话机器人、照明灯兼垃圾分类对话机器人、文化景观照明灯兼文化景观介绍对话机器人等，这些都是学生基于场景差异创作的功能各异的作品。在作品研制的过程中，学生产生了新的学习需要。在场景改变后再开发作品，都要改变电路板模块中的语音识别模块的命令词、对话问答对，学生也要学习“智能公元”软件系统操作。创新作品的外观，学生要学习用低碳环保的包装盒、编织物、3D打印机、激光切割机等的知识与技术。学生在编制介绍文本时，要学习录音剪辑软件的使用，来完成文化景观介绍声音文件的制作。学生还要以芯片与集成电路、语音识别、自然语言处理、卷积神经网络算法、物联网等为主题，展开研究性学习，从历史发展、技术现状、原理知识、代表性产品等维度全面了解相关理论和科技发展情况。在这个过程中，喜欢编程的学生，通过程序控制WS2812B灯带的颜色状态和变化方式。有学生对电路和算法超级感兴趣，可以学习电路图设计与打板制作技术，学习人工智能算法原理，研究线性回归理论和算法，提前研究大学线性代数知识等。一门学科课程，能从单一学科知识实践走向跨学科知识融合学习，对学生的教育价值很大。易学易创使各科教师积极参与到教学中去，解决了智能课程教师欠缺的难题；耗材经济实惠、低成本使学校容易持久开展教学，教学经验也易于推广。理论归纳，构建跨学科主题学习体系在跨学科主题学习中要基于道德、认知、方法、情感、态度、价值观于一体开展教与学，即整体教、深度学。所以，基于初中物理学科，能选择智能灯科技场景内容作为跨学科主题学习的内容载体是一次跨越。学生通过对智能语音灯的研制过程，將跨学科知识整合起来，形成了体系，知识包括且不限于物理中的电路与芯片、信息技术学科的知识库建立与编程、艺术和劳动技术学科的设计与实践、数学中的建模与算法、语言学科中的说明与展示等，这实现了新课标理念下大观念、大单元、跨学科实践学习体系构建的目标。实现教育家陶行知“教学做合一”思想下的“做中学”模式，是达成深度学习的关键。学生在创作自己的智能灯作品的真问题解决过程中，通过项目式学习、动手实践活动，学习知识，训练形成技能，提升了情感，真正将知识与技能、策略与方法、情感态度与价值观整合到了一起，实现了深度学习。学生建构了创作作品的整个学习环节链条，包括连接电源、扬声器、LED灯带及电路板，通过软件平台设置对话问答对，编写控制灯光的小程序，设计作品外观，设置手机App等。学生在真实的体验教室的生产、生活、工作环境中研究课题、解决问题，触发了对相关知识的学习需要。学生在体验、开发和展示作品的过程中，对电子元器件在电路体系中的作用进行了理解，基于知识系统建构起了元器件的价值与意义，这也验证了课程是人们用来建立事物意义的交流活动，是人们与塑造他的人一起建立关系意义的过程。本课程的作用还在于，它激发了学生的求知欲，建立起了个人与国家科技进步的关系，唤醒其奉献社会的责任与使命意识，使其核心素养得到了培养。通过对课程的实践研究和理论化概括可以发现，本课程构建的教学结构体系相对比较完整，智能体验教室改造相对简单，信息化评价模式便捷，在进一步试点的基础上可以大面积推广。结束语《规范》的出台，为创新人才培养明确了智慧环境的建设标准，为课程建设、教与学方式改革、评价模式建设确定了方向。笔者结合科技人才培养，选择物理跨学科主题学习，通过智能灯开发课程与建设物联网创新体验教室，让物理教师完全可以推进跨学科主题学习课程教学。学生在课堂上