物理跨學科主題學習的體驗教室建設與教學模式構建

【摘要】本文結合物理跨學科主題學習課程建設，從跨學科主題學習載體的選擇原則，到“做中學”教學模式流程再造，再到實踐中的初期成效以及建構課程體系四個維度，介紹了建設創(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。【關鍵詞】跨學科；主題學習；體驗教室；項目式學習；研究性學習；真實問題解決隨著物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、人工智能、新一代通信技術的高速發(fā)展，人類社會的工業(yè)化已經進入4.0時代，特別是近期GPT-4的發(fā)布，標志著人工智能技術已經達到了一個空前水平。黨的二十大報告將教育、科技、人才單獨設立了單元，強調教育要在全面人才培養(yǎng)的基礎上更加關注科技人才培養(yǎng)。同時，我們中小學要在教育“雙減”中做好科學教育加法，激發(fā)學生的好奇心、想象力、探求欲，培育具備科學家潛質、愿意獻身科學研究事業(yè)的青少年創(chuàng)新人才。北京市教委于2023年4月發(fā)布了《北京市中小學智慧校園建設規(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)目標為導向，落地新課標理念和精神，為新時代培養(yǎng)更多創(chuàng)新人才。區(qū)域和學校在智慧校園的建設中，要高度重視其中的科技課程內容的建設工作。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。筆者認為在物理學科教學中，這類最新理念與知識可通過《義務教育物理課程標準（2022年版）》中的“跨學科實踐”主題落地。那么我們該如何設置物理跨學科課程呢？基于什么理念、選擇什么樣的載體、建設什么樣的教學環(huán)境以及如何對其開展教學活動和對其評價呢？下面筆者結合教學實踐進行分析與總結。簡易與低成本，優(yōu)選跨學科主題學習載體物理跨學科主題學習課程教學載體，我選擇了承載最新人工智能技術的語音識別項目與承載物聯(lián)網技術的智能家居項目。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：一是易學原則。這要求電路連接簡單，復雜的連接可以先通過繪制連接板來解決。簡易性的技術也就是易于學習的技術，這解決了師資問題和學生難于學習的困難。二是易創(chuàng)原則。學生可以從多個維度進行創(chuàng)新，如作品基于選定的應用場景，學生可從電路板、對話問答（問題和答案對）、編程程序、外觀設計、手機App等多個維度進行設計和創(chuàng)新，做成獨特的作品。三是低成本原則。為了支撐長久教學，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)約學校的資金，低成本開設長期可用的課程。創(chuàng)新環(huán)境，再造跨學科“做中學”流程《規(guī)范》中的智能環(huán)境、應用融合創(chuàng)新等一級指標包括了創(chuàng)新體驗教室環(huán)境、智慧教學、智慧學習等二級指標的建設內容，即建設技術賦能的新型專業(yè)教室，以支持科學教育、創(chuàng)客教育與跨學科教學實踐。學校通過簡單改造，將專業(yè)教室升級為以人工智能技術主導的物聯(lián)網創(chuàng)新體驗教室，搭建真實和虛擬結合的物聯(lián)網體驗環(huán)境，提供各種耗材，供學生開展物理跨學科主題學習。對于物理跨學科主題學習的課程教學，我們主要采取了“做中學”中的項目學習、研究性學習和問題解決式學習，根據(jù)課程實際，優(yōu)化教學流程，開展混合式教學。在初期的教學中，筆者組織學生采用項目式學習方式開展智能語音燈制作的學習活動，環(huán)節(jié)包括流程學習、操作體驗、課題選擇、自主學習、創(chuàng)作實踐、展示交流、創(chuàng)新作業(yè)、多元評價等八個步驟。第一步是流程學習：在項目學習開啟前開展流程學習，即熟悉項目學習的有關環(huán)節(jié)。第二步是操作體驗：學生通過操作以體驗物聯(lián)網專業(yè)教室中的智能語音、手機App控制窗簾、燈光、空調、多媒體等電器設備開啟與關閉；操作和體驗小組可在課桌上模擬場景的物聯(lián)網設備的控制，了解智能物聯(lián)網概念，激發(fā)學習興趣。第三步是課題選擇：學生學習在線課程資源，了解要學習課程的內容，并選擇一個作品研制方向，開啟自己的研發(fā)項目。第四步是自主學習：通過查詢、篩選和閱讀所選項目的相關資料，學習微課視頻，掌握相關知識和動作要領。第五步是創(chuàng)作實踐：領取相關器材，跟隨教學視頻完成作品創(chuàng)作，體會相關器件、原理、技術的價值和意義。整個過程學生可獨自完成，也可小組合作完成。教師課堂巡回指導，答疑解惑。第六步是展示交流：學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、同學互評、教師評價等多元評價的方式，從作品的結構性、完成度、創(chuàng)新性等維度對作品展開評價。在課堂項目式學習之后，我們采用研究性學習的模式展開真實問題解決的學習。學生以小組為單位，帶著課題走進真實場景，如家庭、學校、商場、工廠等生活、學習、工作、生產場景，經歷課題研究的全部環(huán)節(jié)，包括問題發(fā)現(xiàn)、猜想假設、方案制定、數(shù)據(jù)采集、邏輯推理與論證、結論傳播等。在場景中，通過觀察相關場景的電器電路控制裝置，學生調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。學生論證相應場景智能化開關升級的必要性，合作設計升級電路圖和改造方案，與用戶研討并修改完善，合格后將方案轉交用戶方，安排升級施工。學生小組負責技術指導工作，收集這一過程中的全部資料，并在實踐結束后在全班開展研究過程與成果的展示交流活動。在課題研究結束后，由于學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學習。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，有需要外觀設計的，有需要調整程序的，有需要修改手機App的，更有需要增加人體感應、溫濕度播報、屏幕顯示、各種電器物聯(lián)網控制的，等等。關于電路知識、信息技術、勞動技術、藝術設計、數(shù)學算法模型、語言表達、媒體廣告技術等的跨學科知識與技能的學習便真正在學生身上發(fā)生了。場景拓展，初現(xiàn)跨學科主題學習成效在設計課程中遵循易學原則。筆者首先組織學生在創(chuàng)新體驗教室中開展物聯(lián)網虛實情景體驗活動，然后提供給學生積木式的電源、揚聲器、電路板、燈帶等搭建器材，學生利用物理學科單學科電路知識，通過簡單電路將它們連接。學生可模仿教學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功能。通過一段時間的教學，每個學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)了學生的創(chuàng)作熱情，學生會產生很多小問題和新想法。易操作、易學習的課程設計，極大地調動了學生的好奇心、求知欲，教師在教學和互動中能感受到學生們的喜悅心情。由于在課程設計中也遵循了易創(chuàng)性原則，學生提出的很多問題，不少能轉化成可運用所學知識解決的小課題。通過教師引導和查閱文獻，學生學習相關知識，與同學合作，制作了不少新的創(chuàng)新作品，也真正走向了跨學科知識的學習，推動了學科間知識的大融合。學生們做成了自己的智能語音小夜燈、智能語音臺燈。有的學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，學生產生了新的學習需要。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，學生也要學習“智能公元”軟件系統(tǒng)操作。創(chuàng)新作品的外觀，學生要學習用低碳環(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。學生在編制介紹文本時，要學習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、卷積神經網絡算法、物聯(lián)網等為主題，展開研究性學習，從歷史發(fā)展、技術現(xiàn)狀、原理知識、代表性產品等維度全面了解相關理論和科技發(fā)展情況。在這個過程中，喜歡編程的學生，通過程序控制WS2812B燈帶的顏色狀態(tài)和變化方式。有學生對電路和算法超級感興趣，可以學習電路圖設計與打板制作技術，學習人工智能算法原理，研究線性回歸理論和算法，提前研究大學線性代數(shù)知識等。一門學科課程，能從單一學科知識實踐走向跨學科知識融合學習，對學生的教育價值很大。易學易創(chuàng)使各科教師積極參與到教學中去，解決了智能課程教師欠缺的難題；耗材經濟實惠、低成本使學校容易持久開展教學，教學經驗也易于推廣。理論歸納，構建跨學科主題學習體系在跨學科主題學習中要基于道德、認知、方法、情感、態(tài)度、價值觀于一體開展教與學，即整體教、深度學。所以，基于初中物理學科，能選擇智能燈科技場景內容作為跨學科主題學習的內容載體是一次跨越。學生通過對智能語音燈的研制過程，將跨學科知識整合起來，形成了體系，知識包括且不限于物理中的電路與芯片、信息技術學科的知識庫建立與編程、藝術和勞動技術學科的設計與實踐、數(shù)學中的建模與算法、語言學科中的說明與展示等，這實現(xiàn)了新課標理念下大觀念、大單元、跨學科實踐學習體系構建的目標。實現(xiàn)教育家陶行知“教學做合一”思想下的“做中學”模式，是達成深度學習的關鍵。學生在創(chuàng)作自己的智能燈作品的真問題解決過程中，通過項目式學習、動手實踐活動，學習知識，訓練形成技能，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)了深度學習。學生建構了創(chuàng)作作品的整個學習環(huán)節(jié)鏈條，包括連接電源、揚聲器、LED燈帶及電路板，通過軟件平臺設置對話問答對，編寫控制燈光的小程序，設計作品外觀，設置手機App等。學生在真實的體驗教室的生產、生活、工作環(huán)境中研究課題、解決問題，觸發(fā)了對相關知識的學習需要。學生在體驗、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系意義的過程。本課程的作用還在于，它激發(fā)了學生的求知欲，建立起了個人與國家科技進步的關系，喚醒其奉獻社會的責任與使命意識，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)，本課程構建的教學結構體系相對比較完整，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上可以大面積推廣。結束語《規(guī)范》的出臺，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)明確了智慧環(huán)境的建設標準，為課程建設、教與學方式改革、評價模式建設確定了方向。筆者結合科技人才培養(yǎng)，選擇物理跨學科主題學習，通過智能燈開發(fā)課程與建設物聯(lián)網創(chuàng)新體驗教室，讓物理教師完全可以推進跨學科主題學習課程教學。學生在課堂上