在物理教學(xué)中注意多學(xué)科的交叉與融合

曹聰明 武 維 奇曉鵬

（包頭市第九中學(xué) 內(nèi)蒙古 包頭 014010）

四川大學(xué)校長謝和平院士說：“當今世界，科學(xué)前沿的重大突破，重大原創(chuàng)性科研成果的產(chǎn)生，大多是多學(xué)科交叉融合的結(jié)果.近百年獲得諾貝爾自然科學(xué)獎的334項成果中，近半數(shù)的項目是多學(xué)科交叉融合取得的.例如DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，就是物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)交叉融合的結(jié)果.”高中知識學(xué)習(xí)受傳統(tǒng)單一學(xué)科培養(yǎng)模式的局限，不同學(xué)科的教師在面對學(xué)科交叉知識內(nèi)容時尋找共同興奮點和切入點的意愿不強，很難做到真正的合作交流.學(xué)生遇到相關(guān)問題去請教教師，往往因教師學(xué)科知識受限，互相推諉，造成學(xué)生求知欲受挫.現(xiàn)如今，新課標教學(xué)理念已步入教師心中，教師的角色是學(xué)生發(fā)展的促進者、課程的開發(fā)和建設(shè)者、教育教學(xué)的研究者，在與學(xué)生的關(guān)系上是平等的，教學(xué)是一個信息和情感交流、溝通，師生積極互動、共同發(fā)展的過程.因此，教師應(yīng)與學(xué)生、學(xué)習(xí)小組共同探究問題，參與到其中，適當引導(dǎo)學(xué)生，注重學(xué)生探究過程，從而幫助學(xué)生建立正確的情感態(tài)度與價值觀，而非僅僅關(guān)注知識結(jié)果.下面是新課程教學(xué)過程中，師生互動探究，教師與教師合作交流的親身經(jīng)歷.

1 結(jié)合化學(xué)知識探究電阻定律

在“導(dǎo)體的電阻”一節(jié)中，教學(xué)目標為，經(jīng)歷決定導(dǎo)體電阻的因素的探究過程，體驗運用控制變量研究物理問題的思維方法，體會實驗探究和邏輯推理都是重要的科學(xué)研究方法.因此，一般教學(xué)過程大多關(guān)注通過分別控制長度、粗細、橫截面、材料去探究金屬絲電阻規(guī)律.通過探究最終由學(xué)生得出：同種材料的導(dǎo)體，其電阻R與它的長度l成正比，與它的橫截面積S成反比；導(dǎo)體的電阻還與構(gòu)成它的材料有關(guān)，寫成公式是.由于教師要兼顧教學(xué)任務(wù)的按時完成，所以在引導(dǎo)學(xué)生實驗設(shè)計時，通過教學(xué)儀器設(shè)置限制了學(xué)生思維的拓展，這也使得探究式教學(xué)并沒有達到最大化效果.在教學(xué)過程中，很多學(xué)生對于電阻定律適用于濃度均勻的電解液溶液很感興趣，為此學(xué)生和教師共同設(shè)計了一個簡單且直觀的實驗，現(xiàn)介紹如下.

圖1 學(xué)生設(shè)計實驗——探究電解液電阻定律

學(xué)生在化學(xué)中掌握了原電池的工作原理，了解了電解溶液.因此筆者向化學(xué)教師借了原電池槽，買了食用鹽，在水中加鹽構(gòu)成普通的電解溶液，與電池、燈泡、定值電阻、開關(guān)串聯(lián).通過分別控制電解槽中兩鋁片距離（電阻長度）、兩鋁片插入液體中的深度（橫截面積）、濃度（電阻率）觀察小燈泡的亮度，如圖1所示.實驗現(xiàn)象非常明顯，而且讓部分因思維惰性沒有參與的學(xué)生感覺到了科學(xué)的奇妙，參與的學(xué)生體會到科學(xué)探究的快樂，真正激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.基于自己掌握的知識，將物理與化學(xué)有機結(jié)合說明學(xué)生具有很大的思維創(chuàng)新能力，教師更應(yīng)積極扮演好學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者.

2 用PowerPoint2003研究平拋運動

在探究平拋運動規(guī)律中，教科書提出設(shè)計合理的實驗獲得平拋運動軌跡，學(xué)生不斷改進實驗以提高精度和準確度，得出平拋運動遵循的規(guī)律.但在實驗中，由于小球運動時間短，學(xué)生并沒有真正感受到水平和豎直分運動的獨立性和等時性等特點，而教學(xué)中所提供的利用頻閃照相研究平拋運動又稍顯枯燥，僅看到實驗結(jié)果，缺乏縱向的比較.這時有學(xué)生提出用計算機中常用的軟件PowerPoint2003編輯1個簡單小程序模擬平拋運動過程，從而可橫縱向全方位地比較水平和豎直方向的運動情況.這是個絕妙的想法，即使身為教師的筆者也僅僅是局限在教科書所提供的方法中，這個想法也激起了每個人的興趣.這樣，筆者給學(xué)生布置作業(yè)，讓他們3人一組利用家中的電腦協(xié)作完成這個通過計算機建模實現(xiàn)對平拋運動的探究.第二天的課上學(xué)生展示了他們的作品，不僅正確地反映了平拋運動的規(guī)律和實驗結(jié)果，更讓學(xué)生真正深層次體會了合運動和分運動的等時性和獨立性.同時，學(xué)生們又精益求精，在模型的美觀方面及對各自小組的模型闡述方面下了很大的功夫.這節(jié)課讓教師也是終生難忘，受益匪淺，更何況這些參與其中的學(xué)生呢！

圖2 學(xué)生作品展示PPT演示平拋運動

3 結(jié)合地理方面知識討論簡諧運動方程

在探究簡諧運動方程x＝Asin（ωt＋φ）時，學(xué)生并不能直觀接受ω這個描述圓周運動的物理量來描述類似于單擺、彈簧振子等運動.盡管介紹了等效圓法，但過于死板.新課標在“科學(xué)漫步”中給出了月相問題讓學(xué)生們展開討論，從月相在一個月中的變化可看到正弦圖線，能生動描述振動方程.月亮的陰晴圓缺規(guī)律可根據(jù)月相變化歌“初一新月不可見，只緣身陷日地中.初七初八上弦月，半輪圓月面朝西.滿月出在十五六，地球一肩挑日月.二十二三下弦月，月面朝東下半夜”來預(yù)測，而我們也僅僅注意了他的形狀并沒有去探究其物理本質(zhì).月相是天文學(xué)中對于在地球上看到的月球被太陽照明部分的稱呼.月球繞地球運動，使太陽、地球、月球三者的相對位置在一個月中有規(guī)律地變動，如圖3.這涉及到物理和地理學(xué)科交叉，又是一個很好的互動，以學(xué)生為主體，以小組的形式在學(xué)生中討論，并在課堂上展示.展示的過程中出現(xiàn)問題的恰恰是筆者這個教師，學(xué)生在展示過程中不僅講出了一個月中月相的變化規(guī)律，而且也講出了一天中處于北半球和南半球不同位置看到月亮的時刻.這對本來應(yīng)扮演評判者角色的筆者，提出了很大的挑戰(zhàn).于是筆者馬上去向地理教師請教，再加上學(xué)生的精彩演講，最終發(fā)現(xiàn)筆者和學(xué)生一同進步了！

圖3 月相變化圖

雖然本是個科學(xué)漫步內(nèi)容應(yīng)一帶而過，但我們花了兩課時，是否有點過于拖沓？偶然想起我們發(fā)現(xiàn)在2008年高考全國理綜考題中所涉及衛(wèi)星、地球和月球三者的位置關(guān)系，完全可以用月球、地球和太陽三者關(guān)系類比.例題如下.

【題目】（2008年高考全國理綜卷第25題）我國發(fā)射的“嫦娥一號”探月衛(wèi)星沿近似于圓形軌道繞月飛行.為了獲得月球表面全貌的信息，讓衛(wèi)星軌道平面緩慢變化.衛(wèi)星將獲得的信息持續(xù)用微波信號發(fā)回地球.設(shè)地球和月球的質(zhì)量分別為M和m，地球和月球的半徑分別為R和R1，月球繞地球的軌道半徑和衛(wèi)星繞月球的軌道半徑分別為r和r1，月球繞地球轉(zhuǎn)動的周期為T.假定在衛(wèi)星繞月運行的一個周期內(nèi)衛(wèi)星軌道平面與地月連心線共面，求在該周期內(nèi)衛(wèi)星發(fā)射的微波信號因月球遮擋而不能到達地球的時間（用M，m，R，R1，r，r1和T表示，忽略月球繞地球轉(zhuǎn)動對遮擋時間的影響）.

解析：設(shè)O和O′分別表示地球和月球的球心.在衛(wèi)星軌道平面上，A是地月連心線OO′與地月球表面的公切線ACD的交點，如圖4所示，D，C和B分別是該公切線與地球表面、月球表面和衛(wèi)星軌道的交點.過A點在另一側(cè)作地月球面的公切線，交衛(wèi)星軌道于E點.衛(wèi)星在圓弧上運動時發(fā)出的信號被遮擋.

圖4

設(shè)探月衛(wèi)星的質(zhì)量為m0，萬有引力常量為G，根據(jù)萬有引力定律有

式（2）中，T1表示探月衛(wèi)星繞月球轉(zhuǎn)動的周期.由式（1）、（2）可得

設(shè)衛(wèi)星的微波信號被遮擋的時間為t，則由于衛(wèi)星繞月球做勻速圓周運動，應(yīng)有

由式（3）～ （6）得

4 結(jié)合數(shù)學(xué)中的求導(dǎo)知識解決單擺問題中的難點

在高中物理教學(xué)中，單擺是一個重點也是難點.由于單擺是個理想化模型，在高中教學(xué)中，運用了很多近似處理得到了單擺這個簡諧運動中的回復(fù)力為.在講述的過程中，教師會有意避開振幅這個量.但在處理習(xí)題時發(fā)現(xiàn)經(jīng)常會遇到“若振幅變成原來的2倍，回到最低點的速度變?yōu)樵瓉淼亩嗌伲俊边@樣的問題，往往練習(xí)冊給出的解析仍然利用近似處理，也似乎無法避免用到高等數(shù)學(xué)中的Taylor展開近似，例如在θ＜5°，sinθ≈θ等.對于這樣的近似學(xué)生會有抵觸情緒，認為這是無奈之舉.那么有什么辦法消除這種抵觸情緒呢？在數(shù)學(xué)求導(dǎo)這塊知識點中，學(xué)生慢慢已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，位移對時間的一階導(dǎo)數(shù)就是速度，這樣就把死板的數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)換為具有實際意義的物理現(xiàn)象.可不可以從這里入手呢？在前面的內(nèi)容，學(xué)生已經(jīng)掌握了簡諧運動中位移隨時間的變化規(guī)律為x＝Asinωt，那么可以位移對時間求導(dǎo)就知道了速度隨時間的變化規(guī)律為v＝Aωcosωt.這樣很容易得出，當振幅變?yōu)樵瓉淼?倍，在擺長不變的情況下，最低點速度也變?yōu)樵瓉淼?倍.學(xué)生接受起來也容易得多.

5 總結(jié)

在面對新課程探究式教學(xué)和高考體制問題上很多教師認為二者沖突、矛盾，為了完成教學(xué)大綱任務(wù)，會對新課標教學(xué)目標中的探究內(nèi)容壓縮或放棄.針對這種現(xiàn)象，我們課題小組經(jīng)過一年多的實踐和探究，積極開發(fā)探究內(nèi)容，跨學(xué)科開展研究活動，經(jīng)過一段時間的共同努力，學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情得到很大提升，學(xué)生的物理成績并沒有下降，反而有了很大的提高，“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”，確實是這樣的.隨著新課程改革的逐漸完善，需要教師對教學(xué)的理解也要逐漸深入，教師如何做好引導(dǎo)者、導(dǎo)航員、導(dǎo)演、幫促者的角色等問題都需要我們?nèi)ミM一步探究.探究式教學(xué)無疑是培養(yǎng)學(xué)生自主、積極、主動、合作精神的最好途徑，而交叉學(xué)科間的探究又不同于一般的探究，需要教師之間、學(xué)生之間、師生之間共同探究.在掌握新知識的過程中，思維活躍的學(xué)生與不同學(xué)科教師一塊研究，思維激勵碰撞，讓學(xué)生真真正正體會探究未知科學(xué)的快樂.最終，學(xué)生能夠在邏輯推理、抽象思維、形象思維等方面達到真正的有機融合，成為一名拔尖、創(chuàng)新人才.

1 林衍斌，等.新課標下的高中物理探究式實驗教學(xué).物理實驗，2008（3）

2 壽千里.高中物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀及思考.物理通報，2008（11）

3 陸丁龍.創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)的思考與探索——從高中物理教材構(gòu)成談起.教育探索，2002（2）

4 陳洪武.實現(xiàn)高中物理新課標中情感、態(tài)度、價值觀目標的教學(xué)模式.物理教學(xué)探討：中學(xué)教學(xué)教研專輯，2006（7）

5 孫福如.研究性學(xué)習(xí)在高中物理課堂教學(xué)中的實踐.物理教學(xué)探討：中教版，2004（11）