高中物理學(xué)習(xí)中跨學(xué)科思維的培養(yǎng)

摘 要：“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”可以促進(jìn)人的創(chuàng)造力和創(chuàng)新精神的發(fā)展，而創(chuàng)造力和創(chuàng)新精神是人們在信息時代的最高核心素養(yǎng)，在要求全面提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)的前提下，開展“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”就顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科學(xué)習(xí); 物理; 數(shù)學(xué); 歷史; 信息技術(shù)

中圖分類號：G633.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）10-021-002

《普通高中課程改革方案（2017年版）》為高中各門學(xué)科研制了“學(xué)科核心素養(yǎng)”，這意味著我國已經(jīng)向構(gòu)建信息時代普通高中課程體系進(jìn)發(fā)，課程與教學(xué)的核心追求是信息時代學(xué)生素養(yǎng)的發(fā)展。為了實現(xiàn)這一價值訴求，就需要我們改革當(dāng)前普通高中的教育實踐。而在信息時代中，創(chuàng)造力和創(chuàng)新精神是信息時代最核心的素養(yǎng)之一，為促進(jìn)創(chuàng)造力和創(chuàng)新精神的發(fā)展，“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”成為教育改革的重要內(nèi)容和發(fā)展趨勢。

美國哈佛大學(xué)鮑克斯曼斯勒教授將“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”作出如下界定：跨學(xué)科學(xué)習(xí)是個人和群體將兩個或兩個以上學(xué)科或已確立的領(lǐng)域中的觀點(diǎn)和思維方式整合起來的過程，旨在促進(jìn)其對一個主題的基礎(chǔ)性和實踐性理解，該理解超越單一學(xué)科的范圍。就是說，跨學(xué)科學(xué)習(xí)者需要通過自己已有的技術(shù)和工具，將所獲得的資料、信息、概念，用兩個或兩個以上學(xué)科的觀點(diǎn)和理論加以整合，創(chuàng)造性地解釋現(xiàn)象或解決問題。我們可依據(jù)學(xué)科之間的整合程度和特性，將廣義的“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”區(qū)分為三類：“多學(xué)科學(xué)習(xí)”“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”（狹義）與“超學(xué)科學(xué)習(xí)”。因幼兒園和小學(xué)階段，兒童的抽象思維和邏輯思維尚在形成過程中，所以，這個階段宜以“超學(xué)科學(xué)習(xí)”為主，伴隨兒童年齡增長，到了初中和高中階段，在幫助學(xué)生開展學(xué)科探究、發(fā)展學(xué)科理解的同時，就要滲透“多學(xué)科學(xué)習(xí)”和“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”，同時使“超學(xué)科”探究不斷升華。

本文以高中物理為例，談?wù)勅绾卧诮虒W(xué)中開展“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”。

一、高中物理與數(shù)學(xué)學(xué)科的整合

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中指出，物理學(xué)基于觀察與實驗，建構(gòu)物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系。所以，高中物理和數(shù)學(xué)的整合在教學(xué)過程中是非常重要的，是學(xué)生學(xué)習(xí)時必須要重視的。

1.函數(shù)圖像中的斜率在電學(xué)中的應(yīng)用

在數(shù)學(xué)中，圖線的斜率表示函數(shù)的變化率，反映在物理上表示一個物理量對另一個物理量的變化率，而高中物理量之間的關(guān)系很多是線性的，所以，在物理函數(shù)圖像中，直線的斜率往往能反映物質(zhì)的某種屬性或某一個重要的物理量。

例1：在測量電源的電動勢和內(nèi)電阻的實驗中，通過圖示的實驗電路，可以作出如圖所示的U-I圖像，然后可通過函數(shù)關(guān)系U=E-Ir，結(jié)合U-I圖像的數(shù)據(jù)，可以得出電源的電動勢和內(nèi)電阻。這里就用到了數(shù)學(xué)中函數(shù)圖像的斜率和截距的知識。

2.三角函數(shù)在力學(xué)中的應(yīng)用

三角函數(shù)是高中物理學(xué)習(xí)過程中的必備工具，高中物理中許多問題的解決都需要用到三角函數(shù)的知識來處理，三角函數(shù)為高中物理提供了計量和計算的工具，同時，高中物理也為三角函數(shù)與實際應(yīng)用聯(lián)系提供了平臺。有的問題當(dāng)中還不能直接通過三角函數(shù)就能處理問題，這就需要通過三角的轉(zhuǎn)換才能將問題解決。

例3：為使雨水盡快離開房屋的屋頂面，屋頂?shù)膬A角設(shè)計必須合理。某房屋示意圖如圖所示，設(shè)屋頂面光滑，傾角為θ，雨水由靜止開始沿屋頂面向下流動，則理想的傾角θ為。

3.平面幾何中圓的知識在帶電粒子在磁場中運(yùn)動的應(yīng)用

圓的知識在高中物理的運(yùn)用主要有圓周運(yùn)動、帶電粒子在磁場中運(yùn)動、畫矢量圓找極值等。因為涉及到圓的知識對高中學(xué)生已經(jīng)比較陌生了，所以帶電粒子在磁場中的運(yùn)動是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的一個難點(diǎn)，往往在各類測試中以壓軸題的形式出現(xiàn)。

例4：如圖所示，真空中四個相同的矩形勻強(qiáng)磁場區(qū)域，高為4d，寬為d，中間兩個磁場區(qū)域間隔為2d，中軸線與磁場區(qū)域兩側(cè)相交于O、O′點(diǎn)，各區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等。某粒子質(zhì)量為m，電荷量為+q，從O沿軸線射入磁場，當(dāng)入射速度為v0時，粒子從O上方處射出磁場，取sin53°=0.8，cos53°=0.6。

（1）求磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B;

（2）入射速度為5v0時，求粒子從O運(yùn)動到O′的時間t;

（3）入射速度仍為5v0，通過沿軸線OO′平移中間兩個磁場（磁場不重疊），可使粒子從O運(yùn)動到O′的時間增加Δt，求Δt的最大值。

例4是2018年江蘇高考第15題，要解決這個題目，特別是第（3）小問，就要求學(xué)生對圓這一平面幾何的知識非常熟悉，要會將圓的知識用到帶電粒子的圓弧運(yùn)動中來，能畫出圓弧運(yùn)動的軌跡。

可見，平面幾何中圓的知識在解決帶電粒子在磁場中運(yùn)動的問題是非常重要的。

二、高中物理與歷史學(xué)科的整合

高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)中提到，在教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生基于事實證據(jù)，運(yùn)用科學(xué)推理，對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力。而教師通過物理學(xué)史也可以帶領(lǐng)學(xué)生研究科學(xué)的思想方法，以及科學(xué)家的思想方法存在的背景和觀念的束縛。這樣不僅能使課堂內(nèi)容更加生動，也有利于學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維，提升學(xué)習(xí)能力。

在“行星的運(yùn)動”一節(jié)的教學(xué)中，學(xué)生通過開普勒定律的學(xué)習(xí)已經(jīng)否定了行星的運(yùn)動軌跡是圓，而應(yīng)該是橢圓的。但在處理行星運(yùn)動問題時都是用圓軌道來代替橢圓軌道，學(xué)生的心里肯定有很大的疑惑，此時，物理學(xué)史就可以使學(xué)生順著科學(xué)家的思維軌跡得到解答。

從最初的日心說或地心說，都認(rèn)為運(yùn)動軌道是完美的勻速圓周運(yùn)動，到天文學(xué)家第谷連續(xù)20多年對700多顆恒星的觀察和記錄，再到開普勒在第谷觀測到的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年繁瑣的計算，否定了近20種設(shè)定的軌跡，最后才發(fā)現(xiàn)火星的運(yùn)動軌跡是橢圓，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)每個行星圍繞太陽的運(yùn)動軌跡都是橢圓。

雖然行星的運(yùn)動軌跡是橢圓，但在歷史上，牛頓是通過將行星的運(yùn)動作為一個勻速圓周運(yùn)動，在開普勒等人研究的基礎(chǔ)上通過數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出萬有引力定律的。因此，我們是可以將行星的橢圓軌道運(yùn)動看成是勻速圓周運(yùn)動的。這樣的過程同時提升了學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)證實了電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象是有聯(lián)系的，當(dāng)時不少科學(xué)家通過進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，通電導(dǎo)線能使磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，是因為受到了力的作用，這種力的作用來自電荷的流動。電流的磁效應(yīng)引發(fā)了科學(xué)家的對稱性思考，既然電能生磁，磁是否也能生電呢？著名的法國科學(xué)家安培想盡了一切辦法，未能獲得成功，安培犯了一個根本性的認(rèn)識上的錯誤，實際上他已經(jīng)通過銅環(huán)實驗觀察到了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但遺憾的是，安培并沒有意識到這一實驗的科學(xué)意義，他被分子電流說迷失了眼睛，看不到線圈通電瞬間銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的宏觀感應(yīng)電流，因而失去了發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的機(jī)會。

瑞士物理學(xué)家科拉頓則“跑失良機(jī)”，科拉頓的實驗裝置設(shè)計得完全正確，在他將磁鐵插入線圈時，隔壁房間的電流計確實擺動了，但科拉頓跑到隔壁房間的速度還是太慢了，沒有觀察到電流計指針的擺動，遺憾的失敗了。英國科學(xué)家法拉第則比安培和科拉頓幸運(yùn)得多，雖然法拉第也經(jīng)歷了十幾年的實驗探索，但最后通過一個偶然的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)，他把兩個線圈繞在同一鐵環(huán)上，一個線圈接入能反映電流的儀器，當(dāng)將另一個線圈接到電源上的瞬間，那個接有能反映電流儀器的線圈中有了電流并很快消失，法拉第恍然大悟，感應(yīng)電流的形成不是靜態(tài)下的，而是在動態(tài)下產(chǎn)生的。

電流周圍產(chǎn)生磁場這個是靜態(tài)的、穩(wěn)定的，當(dāng)時的人們雖然從逆向思維上猜想磁也應(yīng)該能生電，但科拉頓、法拉第開始都沒有創(chuàng)造性地從靜態(tài)的、穩(wěn)定的向動態(tài)的、暫時的觀念上轉(zhuǎn)變，或者說，他們沒有對磁生電也是靜態(tài)的、穩(wěn)定的提出質(zhì)疑，導(dǎo)致了遲遲不能發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)，假如有這樣的質(zhì)疑和創(chuàng)新，電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)可能還要早很多年。借古鑒今，通過這樣的有關(guān)電磁感應(yīng)的物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，相信學(xué)生會得到啟示的。

三、高中物理與信息技術(shù)的整合

信息技術(shù)在人們的生產(chǎn)生活中越來越廣泛地滲透到各個領(lǐng)域，在物理教學(xué)方面表現(xiàn)在：將現(xiàn)實中不易被觀察的現(xiàn)象在課堂上清晰地表現(xiàn)出來;在比較復(fù)雜的過程通過技術(shù)手段變得簡單化等等，在物理學(xué)科與信息技術(shù)整合的過程中，合理運(yùn)用技術(shù)媒體的功能，建立一種新型的師生關(guān)系，促進(jìn)師生之間的情感流動，協(xié)調(diào)好學(xué)生智力、興趣和情感等各方面因素，以此提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

在研究相互作用的兩個力的大小是否相等時，可以采用力的傳感器來收集數(shù)據(jù)，再通過計算機(jī)軟件處理就可以清晰看到相互作用的兩個力的大小時刻相等。

將兩個力傳感器的掛鉤鉤在一起，下方傳感器掛一重錘，用手提著上方的傳感器沿豎直方向不斷上下運(yùn)動。

通過數(shù)據(jù)采集器采集到力的大小數(shù)據(jù)，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理得出圖形，點(diǎn)擊鏡像按鍵，得到圖像，發(fā)現(xiàn)兩個力傳感器掛鉤上的拉力大小幾乎是時刻相等的。

在波的形成與傳播一節(jié)中，前一質(zhì)點(diǎn)通過介質(zhì)帶動后一質(zhì)點(diǎn)，依次在平衡位置附近上下振動，從而形成了波動，對于這一運(yùn)動形式，看慣了直線運(yùn)動、曲線運(yùn)動的學(xué)生還是感到比較抽象的，而通過信息技術(shù)就可以將這一抽象的運(yùn)動形式清晰地展示在學(xué)生面前。

將波的傳播過程通過信息技術(shù)進(jìn)行動作分解后，將幾個特殊時刻的波形圖呈現(xiàn)出來，就能清楚地將這一運(yùn)動展現(xiàn)在學(xué)生面前。這樣學(xué)生就容易理解波動實際是將振動的傳播，振動向前傳播了，就形成了凹凸相間的波形，而質(zhì)點(diǎn)并未隨波逐流。

知識原本不分學(xué)科，也無學(xué)科界限?！翱鐚W(xué)科學(xué)習(xí)”不僅體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展的綜合創(chuàng)新趨勢，而且在培養(yǎng)學(xué)生的“跨學(xué)科理解力”和綜合創(chuàng)造力方面邁出重要步伐。而持續(xù)開展基于項目的跨學(xué)科深度學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在發(fā)展“跨學(xué)科理解力”的過程中運(yùn)用學(xué)科思維，實現(xiàn)學(xué)科理解與跨學(xué)科理解，這是“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”的目標(biāo)。

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