在高中物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科素養(yǎng)*

李俊成

一、概念界定

跨學(xué)科素養(yǎng)是由“素養(yǎng)”和“跨學(xué)科”兩個(gè)語素復(fù)合而成?！八仞B(yǎng)”指的是由訓(xùn)練和實(shí)踐而獲得的技巧或能力。“跨學(xué)科”指整合兩門及兩門以上的學(xué)科知識(shí)與思維模式以推動(dòng)學(xué)生認(rèn)知能力的進(jìn)步，例如解釋現(xiàn)象、解決問題、創(chuàng)造產(chǎn)品或提出新問題。“跨學(xué)科素養(yǎng)”是面對(duì)復(fù)雜的、不確定情景時(shí)，以非“加和”形式整合多個(gè)學(xué)科知識(shí)、觀念、方法解決實(shí)際問題所表現(xiàn)出來的必備品格和關(guān)鍵能力。

跨學(xué)科素養(yǎng)有如下特征。首先，跨學(xué)科素養(yǎng)具有“后天可干預(yù)性”，它可以通過訓(xùn)練和實(shí)踐獲得，為后天的培養(yǎng)提供了可能。其次，跨學(xué)科素養(yǎng)是一種“隱性”素養(yǎng)，與學(xué)科素養(yǎng)的具體、顯性的特點(diǎn)相比，跨學(xué)科素養(yǎng)更為隱蔽，是在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng)或認(rèn)知能力，是學(xué)生知識(shí)網(wǎng)絡(luò)完備、能融會(huì)貫通的體現(xiàn)。最后，跨學(xué)科素養(yǎng)與學(xué)科素養(yǎng)密不可分，跨學(xué)科素養(yǎng)培育不能脫離學(xué)科素養(yǎng)而單獨(dú)存在，學(xué)科素養(yǎng)如果沒有跨學(xué)科素養(yǎng)的補(bǔ)充，就失去了核心素養(yǎng)對(duì)“人”的發(fā)展的綜合性、整體性的培育。正是由于跨學(xué)科素養(yǎng)的存在，使學(xué)科素養(yǎng)的培育能從一個(gè)“人”的角度進(jìn)行思考，而不是單一的學(xué)科視角。

二、培養(yǎng)跨學(xué)科素養(yǎng)的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)策略

物理學(xué)是關(guān)于“萬物之理”的學(xué)問，遠(yuǎn)到宇宙深處，近至咫尺之間，大到廣茂蒼穹，小到微觀粒子都是物理學(xué)探索分析的對(duì)象，物理學(xué)與“萬物”有著密切的聯(lián)系。隨著科學(xué)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，物理學(xué)成為關(guān)聯(lián)其他學(xué)科的重要節(jié)點(diǎn)，所以，在物理學(xué)科教學(xué)中滲透跨學(xué)科素養(yǎng)的培育有良好的基礎(chǔ)。

高中階段是學(xué)生成人成才的關(guān)鍵期，也是核心素養(yǎng)培養(yǎng)的關(guān)鍵期，他們即將面對(duì)更為復(fù)雜多元的學(xué)習(xí)、生活，因而擁有能應(yīng)對(duì)復(fù)雜情境的跨學(xué)科素養(yǎng)顯得非常重要，在物理學(xué)科教學(xué)中滲透跨學(xué)科素養(yǎng)有著必要性和緊迫性。

在物理學(xué)科教學(xué)中培養(yǎng)跨學(xué)科素養(yǎng)可以從以下幾個(gè)方面入手。

1.“放還”現(xiàn)實(shí)情境。

“放還”現(xiàn)實(shí)情境即將某個(gè)關(guān)鍵知識(shí)“放還”于這個(gè)知識(shí)可以發(fā)揮作用的現(xiàn)實(shí)問題情境中，發(fā)現(xiàn)這個(gè)知識(shí)在情境脈絡(luò)中是如何獨(dú)立解決或者與其他知識(shí)是如何交織作用、共同解決一個(gè)真實(shí)問題的。

現(xiàn)實(shí)情境中的實(shí)際問題是雜糅多向的，需要學(xué)生整合多學(xué)科的知識(shí)方法，對(duì)問題建立全面的認(rèn)識(shí)來解決。國外的跨學(xué)科課程都是將實(shí)際問題設(shè)計(jì)成一個(gè)項(xiàng)目或者“結(jié)構(gòu)不良”的問題，通過學(xué)生的合作探究和反思實(shí)踐，最終形成一個(gè)創(chuàng)新性產(chǎn)品或者問題解決方案，在高中物理教學(xué)中可以做借鑒。舉例如下。

【教學(xué)片段1】地磁場。

“地磁場”是人教版高中物理選修3-1“磁場”第一節(jié)“磁現(xiàn)象和磁場”的內(nèi)容。在教學(xué)地磁場的方向、分布等特點(diǎn)時(shí)，可以融合“制作指南針”這樣一個(gè)項(xiàng)目，把對(duì)地磁場的認(rèn)識(shí)“放還”到現(xiàn)實(shí)問題情境中去。教師可以給學(xué)生提供如下器材：一塊強(qiáng)磁鐵，一根縫衣針，一個(gè)碗，一些水，一塊塑料泡沫（形狀規(guī)則即可）。

首先引導(dǎo)學(xué)生思考下列問題：指南針的功能是什么？普通的縫衣針能指示南北嗎？指南針本身有沒有磁性？水和塑料泡沫可能有什么用途？如何確認(rèn)制作的指南針指示方向正確？

學(xué)生通過交流討論、合作探究，總結(jié)出指南針的基本制作過程（內(nèi)容略）。

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考下列問題：

（1）你在教室里走動(dòng)時(shí)指南針有什么變化？

（2）思考如何設(shè)計(jì)出精確、耐用、價(jià)廉的指南針。（要做到這一點(diǎn)，必須徹底了解地球磁場的方向和強(qiáng)度，進(jìn)而介紹像“磁偏角”這樣的科學(xué)概念。）

（3）候鳥、海龜?shù)葎?dòng)物每年的遠(yuǎn)距離遷徙為什么不會(huì)迷路？

（4）如果沒有地磁場，我們的生活會(huì)有什么影響？

學(xué)生知道指南針，也知道它的用途，但是要?jiǎng)邮衷O(shè)計(jì)、制作指南針并通過指南針來了解地磁場還是有一些難度的。在教學(xué)中教師恰當(dāng)?shù)乩矛F(xiàn)實(shí)情境，讓學(xué)生能較全面地考慮問題，通過這樣的現(xiàn)實(shí)情境的研究引出地磁場，進(jìn)而描述磁場，然后介紹候鳥、海龜?shù)葎?dòng)物遠(yuǎn)距離遷徙時(shí)辨認(rèn)方向依靠的也是地磁場，再通過播放科幻片的相關(guān)片段——如果地磁場消失，飛行的鳥類將不能辨識(shí)方向，導(dǎo)致自殺式亂飛亂撞。這樣把物理、地理、生物等學(xué)科的知識(shí)融合在一起，帶領(lǐng)學(xué)生多角度認(rèn)識(shí)看不見摸不著的地磁場。通過“放還”現(xiàn)實(shí)情境，教師將高中物理教學(xué)中跨學(xué)科素養(yǎng)的培育真正落實(shí)。

2.創(chuàng)設(shè)關(guān)注高階思維的實(shí)踐活動(dòng)。

所謂“高階思維”，是指發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng)或認(rèn)知能力，它在教學(xué)目標(biāo)分類中表現(xiàn)為分析、綜合、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造。

在滲透跨學(xué)科素養(yǎng)的物理教學(xué)中，我們可以借助實(shí)踐探究活動(dòng)，以多元化問題驅(qū)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行高階思維的思考，形成更廣闊的學(xué)習(xí)視角，幫助學(xué)生進(jìn)行多學(xué)科知識(shí)的靈活遷移與運(yùn)用。舉例如下。

【教學(xué)片段2】電流和電源。

電流和電源在生活中比較常見，但學(xué)生并不真正理解關(guān)于電流和電源的知識(shí)，比如學(xué)生知道電流，但不了解電流產(chǎn)生的原因，更不知道如何產(chǎn)生持續(xù)的電流。在學(xué)習(xí)人教版高中物理選修3-1“恒定電流”第一節(jié)“電流和電源”時(shí)，可以從學(xué)生感興趣的水果電池展開，用銅片、鋅片作為電極，插入一個(gè)水果（橙子）制成水果電池，與電子鐘連接，電子鐘開始工作。然后引導(dǎo)學(xué)生自主提出問題，分析問題并解決問題。問題如下。

（1）這個(gè)現(xiàn)象說明了什么？

（2）如何確定電流的流向，進(jìn)而確定電源的正負(fù)極？

學(xué)生想到用發(fā)光二極管、電壓表、電流表，具體操作如下。

學(xué)生A 嘗試使用發(fā)光二極管，發(fā)現(xiàn)不管怎么接，能使電子鐘工作的水果電池卻不能使二極管發(fā)光，進(jìn)而想到電源提供給二極管的電流太小，不足以讓它工作，因此將幾個(gè)水果電池串聯(lián)，接到二極管兩端，發(fā)現(xiàn)二極管的正極接到銅片上時(shí)發(fā)光，判斷銅片是正極。學(xué)生B 嘗試使用電壓表，通過電壓表指針偏轉(zhuǎn)的方向，判斷出銅片是正極。學(xué)生C 嘗試使用電流表，發(fā)現(xiàn)使用最小量程，電流也不工作，想到可能工作電流很小，換用靈敏電流計(jì)，指針偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而判斷出電源的正負(fù)極。

判斷電源的正負(fù)極，看似簡單，但是真正操作起來，會(huì)遇到很多問題，需要學(xué)生綜合分析，比如要分析發(fā)光二極管電壓、電流的特點(diǎn)，電壓表、電流表指針偏轉(zhuǎn)和電流流向的關(guān)系，電流表和靈敏電流計(jì)的區(qū)別等，進(jìn)而找出原因，最終解決問題。這樣的問題引導(dǎo)易于將學(xué)生的思路打開，提升他們思維的層次。

（3）為什么電流從銅片流向鋅片？

對(duì)于此問題，教師可以利用化學(xué)中的原電池的原理，給出解釋：

Cu（正極）：Cu2++2e=Cu

Zn（負(fù)極）：Zn-2e=Zn2+

從而進(jìn)一步揭示原電池原理的微觀解釋是“電子的轉(zhuǎn)移”。

對(duì)這個(gè)問題，學(xué)生暫時(shí)無法從物理的角度解釋，但是學(xué)生可以從化學(xué)的角度去理解。通過運(yùn)用跨學(xué)科的知識(shí)解決問題是知識(shí)融會(huì)貫通的表現(xiàn)，在這一過程中需要高階思維，這樣的思維能力正是跨學(xué)科素養(yǎng)的體現(xiàn)。最后再由物理角度從微觀方面揭示原電池的原理，可以讓學(xué)生深刻理解這一知識(shí)點(diǎn)，形成牢固的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（4）影響水果電池的電壓有哪些因素？電壓如何測(cè)？控制哪些變量？

學(xué)生從原電池的原理很快想到電壓可能與水果的果酸濃度（原電池的電解質(zhì)溶液）、電極的材質(zhì)、兩電極間的距離、兩電極插入水果的深度有關(guān)，然后依次實(shí)驗(yàn)。

對(duì)一個(gè)對(duì)象的影響因素的分析，綜合性較強(qiáng)，通過原電池的電解質(zhì)溶液的知識(shí)，學(xué)生可以分析出水果的果酸濃度是其中的影響因素之一；通過原電池電極的知識(shí)，可以分析出電極的材質(zhì)、兩電極間的距離以及兩電極插入水果的深度也是影響因素。這些都需要學(xué)生調(diào)用化學(xué)、生物、物理的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行綜合分析。建立這樣的跨學(xué)科知識(shí)的生長點(diǎn)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科素養(yǎng)有積極作用。

（5）用數(shù)字電壓表測(cè)量水果電池兩端的電壓可達(dá)到2.2V，卻不能使一個(gè)小燈泡發(fā)光（小燈泡接1.5V 的干電池就能發(fā)光），用電壓表測(cè)量水果電池兩端電壓，電表指針幾乎無偏轉(zhuǎn)，此外之前接電流表，電流表也是無偏轉(zhuǎn)，這是什么原因？

學(xué)生分析：小燈泡的亮度是由它的實(shí)際功率決定的，當(dāng)電流、電壓很小時(shí)，小燈的實(shí)際功率很小，所以不能發(fā)光，而電流、電壓（路端電壓）很小的原因，是因?yàn)樗姵乇旧淼膬?nèi)電阻很大。

（6）希伯來大學(xué)的研究人員一直在開發(fā)“土豆電池”，一個(gè)土豆產(chǎn)生的能量就足以讓一個(gè)房間的LED 燈亮40天，但是為什么土豆電池沒有成功應(yīng)用呢？

學(xué)生各抒己見。最后，教師根據(jù)討論的實(shí)際情況，給出解釋——聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO）的高級(jí)官員表示，將食物用作能源，必須考慮是否有足夠的存儲(chǔ)量以及是否會(huì)對(duì)銷售土豆的農(nóng)民產(chǎn)生影響，如果都沒有問題，那么這一想法就能實(shí)現(xiàn)。

這是一個(gè)跨學(xué)科的高階思維問題，它的設(shè)置是想提醒學(xué)生注意，新產(chǎn)品的應(yīng)用不能僅僅從技術(shù)層面考慮，對(duì)于一個(gè)國家、一個(gè)社會(huì)而言，需要考慮的因素還很多，比如在這個(gè)問題中就涉及地理中的人口與糧食問題。學(xué)生在面對(duì)較復(fù)雜的問題時(shí)能綜合多學(xué)科的知識(shí)來考慮問題，這正是跨學(xué)科素養(yǎng)的集中體現(xiàn)。

3.辨析交叉概念。

各個(gè)學(xué)科都具有各自完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)和研究方法，學(xué)生在跨學(xué)科情境的驅(qū)動(dòng)下，有序地組織學(xué)科概念，在實(shí)踐活動(dòng)中以交叉概念為橋梁，構(gòu)建系統(tǒng)化的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，建立多個(gè)單一學(xué)科視角下科學(xué)現(xiàn)象的有機(jī)聯(lián)系，才能形成整體性的問題解決方案。由此可見，在設(shè)計(jì)教學(xué)的過程中可以利用交叉概念作為滲透跨學(xué)科素養(yǎng)的載體。

【教學(xué)片段3】擴(kuò)散。

“擴(kuò)散現(xiàn)象”源于人教版高中物理選修3-3“分子的熱運(yùn)動(dòng)”一節(jié)，教師在介紹一系列的擴(kuò)散現(xiàn)象后，給出定義：不同物質(zhì)能夠彼此進(jìn)入對(duì)方，物理學(xué)中把這類現(xiàn)象叫作“擴(kuò)散”。最后分析其本質(zhì)是分子永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

學(xué)生A的疑問：按照書本的介紹，擴(kuò)散現(xiàn)象是不會(huì)停止的，但我們?cè)谏镏袑W(xué)過，擴(kuò)散是指物質(zhì)的分子從高濃度區(qū)域到達(dá)低濃度區(qū)域，直到區(qū)域的濃度達(dá)到均勻或達(dá)到平衡為止。顯然，擴(kuò)散是會(huì)停止的。

學(xué)生B 的疑問：化學(xué)中也有擴(kuò)散的定義，和生物中的定義式類似的，達(dá)到平衡了就應(yīng)該不會(huì)再擴(kuò)散了。

學(xué)生C 的理解：擴(kuò)散是不會(huì)停止的，生物和化學(xué)中“擴(kuò)散”的定義，主要強(qiáng)調(diào)擴(kuò)散的特點(diǎn)，是從宏觀的角度分析的，它的微觀本質(zhì)還是分子的永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，正是由于這種熱運(yùn)動(dòng)，生物和化學(xué)中談到的“均勻”“平衡”應(yīng)該指的是動(dòng)態(tài)平衡。

這種不同學(xué)科對(duì)同一概念進(jìn)行不同定義的現(xiàn)象在高中階段還比較常見，這些概念的出現(xiàn)，需要進(jìn)行跨學(xué)科概念辨析，才能降低學(xué)生理解的難度，進(jìn)而達(dá)到精準(zhǔn)的理解。另一方面，正是由于存在這些交叉概念，可以培養(yǎng)學(xué)生多角度認(rèn)識(shí)、思考問題，使他們的知識(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固并易于拓展。

再比如，高中物理中講的是“能量守恒”，講能源的時(shí)候談到“節(jié)能”；在生物學(xué)中又談到生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流動(dòng)和能量流動(dòng)，物質(zhì)可以在生物界和非生物界之間循環(huán)往復(fù)，但能量會(huì)隨著食物鏈傳遞逐漸減少，并通過具體實(shí)例讓學(xué)生理解是怎么減少的。這時(shí)相同的概念似乎出現(xiàn)了矛盾，這需要教師整合關(guān)于能源的品質(zhì)、能量流動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換的知識(shí)，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行跨學(xué)科聯(lián)席教學(xué)，滲透跨學(xué)科素養(yǎng)，從而讓學(xué)生真正理解。

三、結(jié)語

在物理教學(xué)中滲透跨學(xué)科素養(yǎng)，絕不是簡單的在物理課程中加入其他學(xué)科知識(shí)的講解。在教學(xué)中我們可以通過“放還”現(xiàn)實(shí)情境、創(chuàng)設(shè)注重高階思維的實(shí)踐活動(dòng)、辨析交叉概念等策略，關(guān)注知識(shí)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性和綜合性，加強(qiáng)知識(shí)的橫向聯(lián)系和縱向溯因，促進(jìn)多學(xué)科知識(shí)的融合和學(xué)科方法的相互借鑒，幫助學(xué)生進(jìn)一步提升學(xué)科核心素養(yǎng)，促進(jìn)適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需求的核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。