物理核心素養(yǎng)下的跨學科融合教學設(shè)計與實踐
——以“內(nèi)燃機”為例

■福建省廈門市杏南中學 張麗萍

《義務(wù)教育物理課程標準（2022 年版）》將“跨學科實踐”首次寫入課標，其意義不言而喻。文中指出，跨學科實踐旨在發(fā)展學生跨學科應(yīng)用知識的能力、分析和解決問題的綜合能力，培養(yǎng)學生積極認真的學習態(tài)度和樂于實踐、敢于創(chuàng)新的精神。2020 年6 月，教育部頒發(fā)的《關(guān)于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務(wù)的意見》明確指出，“要在發(fā)揮各學科獨特育人功能的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮學科間綜合育人功能”。

因此，在素養(yǎng)時代下，應(yīng)圍繞跨學科實踐主題，樹立跨學科融合意識，選擇合適的內(nèi)容和時機進行跨學科課程設(shè)計與實踐，這樣既符合當下的新課程要求，也體現(xiàn)了育人方式的多樣化和課堂方式的多元化，有助于提升教師跨學科素養(yǎng)水平，促進學生綜合應(yīng)用相關(guān)學科知識解決實際問題能力與核心素養(yǎng)的發(fā)展。本文以“內(nèi)燃機”為例，從明確核心素養(yǎng)融合目標、探尋育人融合目標、思考教學融合目標、構(gòu)建課程融合脈絡(luò)、注重學科融合評價五個方面進行闡述。

一、明確核心素養(yǎng)融合目標

在分科課程教學中，各學科都要面向全體學生，以其核心素養(yǎng)發(fā)展為導向進行教學設(shè)計，跨學科教學也一樣，以物理內(nèi)容為主線，融合其他學科知識或方法落實立德樹人根本任務(wù)，促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展。

在本課中，物理學科重視從熱機對社會發(fā)展產(chǎn)生的影響角度，體會科技進步對人類和社會發(fā)展的推動作用，從能量轉(zhuǎn)化角度認識內(nèi)燃機工作過程，以及從能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有一定的方向性角度，體會節(jié)約能源與可持續(xù)發(fā)展的重要性。

歷史學科方面，通過工業(yè)革命為基礎(chǔ)的史料實證和工業(yè)革命在歷史長河中的地位，致力于提升學生科技強國的家國情懷。

工程學科方面，對整個內(nèi)燃機的工作原理進行多方面了解，知道多輪驅(qū)動的優(yōu)勢，滲透科學技術(shù)對內(nèi)燃機原理理解層面的學科價值，以及對社會發(fā)展的深遠影響。

化學學科方面，通過化學知識解決壓縮沖程的意義及火花塞和噴油嘴的設(shè)計緣由，讓學生體會能量轉(zhuǎn)化的方向性，并提出提高燃料利用率的方法。

環(huán)境方面，對于內(nèi)燃機排氣沖程的尾氣釋放，從環(huán)境保護角度方面，讓學生設(shè)計環(huán)境保護方案，樹立節(jié)能環(huán)保意識。

總的來說，以物理內(nèi)容為載體，授課過程中結(jié)合物理內(nèi)容、過程、理解，甚至解決問題等需要，借以融入其他學科思想和方法進一步提出問題、解決問題，同時發(fā)展學生相應(yīng)的學科核心素養(yǎng)，達到相輔相成的作用。

二、探尋育人融合目標

新課程標準前言部分指明：隨著義務(wù)教育全面普及，教育需求從“有學上”轉(zhuǎn)向“上好學”。明確培養(yǎng)什么人—以核心素養(yǎng)為導向，怎樣培養(yǎng)人—以課程標準為依托，為誰培養(yǎng)人—為黨和民族復興?？偟膩碚f，就是聚焦學生發(fā)展核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學生適應(yīng)未來發(fā)展的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。在融合教學中，積極探尋育人融合目標，在學習要素多元、目標統(tǒng)整、內(nèi)容統(tǒng)合的整體設(shè)計下，有機融入社會主義核心價值觀。而在內(nèi)容選擇上，本課以“內(nèi)燃機”為載體，主要從以下四個方面進行考慮：

為了將課堂教學與現(xiàn)實生活緊密結(jié)合在一起，教師在講解知識點的時候，就要結(jié)合生活中的實例進行講解，從一開始就讓學生認識到物理與現(xiàn)實生活離得并不遙遠。例如，講解運動的相對性的時候，可以列舉坐車時感覺到樹木、房屋朝后面退的事例，結(jié)合身邊的生活和生產(chǎn)關(guān)聯(lián)的事例，進行分析和解釋，讓學生感受到物理學習的作用和價值，保持學生穩(wěn)定持久的學習激情和興趣。這樣的環(huán)境中，學生就會快樂學習物理，從物理的學習中，感受到更多的生活氣息，借助對生活的熟悉感和親切感，提高學生對物理這門學科的親切感。

第一，在“雙減”背景下，需要做科技創(chuàng)新的加法。而熱機作為我國交通工具的科技突破，要著力推動熱機性能的開發(fā)應(yīng)用，拓展研發(fā)熱機應(yīng)用于市場的競爭力，讓科技發(fā)展深入學生內(nèi)心，對學生是很好的教育啟發(fā)。

第二，在本節(jié)中，學科知識間互相關(guān)聯(lián)、彼此滲透又融為一體。從物理學科角度來說，作為內(nèi)能與熱機的自然章節(jié)，重視對熱機工作原理的理解以及啟發(fā)學生從科技角度看待內(nèi)燃機對社會發(fā)展產(chǎn)生的巨大影響；從歷史學科角度來說，熱機作為工業(yè)革命發(fā)展的產(chǎn)物，能從歷史長河中看待熱機的發(fā)展歷程以及對生產(chǎn)生活帶來的便利；從工程角度來說，對熱機工作原理的進一步挖掘有利于培養(yǎng)學生知其然并知其所以然的刨根問底的科學精神，讓其埋下發(fā)明創(chuàng)造的種子；從環(huán)境角度來說，人與自然和諧共生的現(xiàn)代化是進一步創(chuàng)造人類文明新形態(tài)的必由之路。綠水青山就是金山銀山，生態(tài)興則文明興，生態(tài)衰則文明衰，由此可見，環(huán)境之于人類的重要性，要讓學生重視并踐行在科技飛速發(fā)展的今天保護環(huán)境。

第三，熱機的出現(xiàn)對社會發(fā)展的作用是巨大的，有著極其重要的價值，體現(xiàn)了科技進步對國家發(fā)展的推動作用；與此同時，要啟發(fā)學生從能量轉(zhuǎn)化角度認識其工作效率對環(huán)境的影響和意義，學會用發(fā)展的眼光看待事物，形成節(jié)約能源與可持續(xù)發(fā)展的意識。

第四，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，熱機由課本介紹的汽油機和柴油機進一步發(fā)展為汽輪機、燃氣輪機，為我國航天事業(yè)做出了巨大貢獻。這些信息的獲取可以讓學生在理解性學習的基礎(chǔ)上激發(fā)創(chuàng)造的動力。

三、思考教學融合目標

在融合教學實踐中很多教育家認為：跨學科教學是指以某一學科為中心，在學科中選擇一個中心題目進行加工和設(shè)計教學?；诖朔N理念，本次教學實踐以物理學科為中心，歷史、化學、工程、環(huán)境等進行輔助?；诤诵乃仞B(yǎng)融合目標和育人融合目標，本節(jié)的教學融合目標如下：

第一，了解熱機的工作原理和熱機的歷史發(fā)展進程，能用能量轉(zhuǎn)化的觀點解釋熱機的工作過程及相關(guān)日常生活中類似的問題，形成初步的能量觀念。

第二，基于對排氣沖程的理解，知道能量的利用存在效率問題，并且存在污染環(huán)境的威脅；能用能量轉(zhuǎn)化規(guī)律對有關(guān)具體問題進行科學推理，并形成結(jié)論；在對能量問題進行推理時，能從信息中尋找證據(jù)并做出說明。

第三，能通過觀察汽油機和柴油機的異同，以及現(xiàn)代熱機的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)并提出關(guān)于能量的問題，能根據(jù)已有知識對問題做出猜想與假設(shè)；能通過各種渠道收集數(shù)據(jù)；能用表格、圖像等多種方式展示數(shù)據(jù)，并通過分析和處理數(shù)據(jù)得出相關(guān)結(jié)論；能書面或口頭表述探究過程和結(jié)果。

第四，能從熱機對社會發(fā)展產(chǎn)生影響的角度體會科技進步、工程技術(shù)對人類和社會發(fā)展的推動作用，啟發(fā)學生要具有創(chuàng)新精神；能從能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有一定方向性的角度體會節(jié)約能源、重視環(huán)境保護可持續(xù)發(fā)展的重要性。

四、構(gòu)建課程融合脈絡(luò)

境脈理論認為，境脈是一條標志課堂進程發(fā)展的主線。結(jié)合本節(jié)教學實際，現(xiàn)將本節(jié)根據(jù)時間線、問題情景線、活動線、素養(yǎng)線四條線融合推進，以切實培養(yǎng)學生成為有理想、有本領(lǐng)、有擔當?shù)臅r代新人。

本課導入環(huán)節(jié)以現(xiàn)代熱機的發(fā)展進程圖片切入，并提問學生“是否乘坐過以上各類交通工具”，引發(fā)學生對身邊各類熱機的關(guān)注，引出本課學習主題——內(nèi)燃機。接著從熱機歷史發(fā)展的時間線展開，最早我國南宋出現(xiàn)的走馬燈是熱機（渦輪機）的雛形，到第一次工業(yè)革命出現(xiàn)蒸汽機→蒸汽輪機，再到第二次工業(yè)革命出現(xiàn)內(nèi)燃機→噴氣發(fā)動機→火箭發(fā)動機等發(fā)展過程，感受熱機在歷史長河中各階段的應(yīng)用及其對人類不同時代的重要意義，感悟科技進步在人類社會發(fā)展中的關(guān)鍵作用。從問題情景來說，從燒水壺頂壺蓋說起，了解熱機的工作原理：將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能再轉(zhuǎn)化為機械能的器械。這中間涉及燃料的種類、燃料是否充分燃燒、能量的轉(zhuǎn)化方向問題，以及整個熱機一個工作循環(huán)的四個沖程，內(nèi)燃機的兩種分類及工作過程的異同，熱機從古到今的繼承與創(chuàng)新。比如，在內(nèi)燃機的兩種分類及工作過程異同學習過程，按汽油和柴油燃料使用分類，以及兩種熱機的吸氣沖程中都要進入空氣，在做功沖程發(fā)生的同時，探尋點火和壓燃的原因，結(jié)合化學知識燃燒條件等展開，以利于學生理解熱機的部分設(shè)計意圖。再如，學習完基本熱機工作過程后，結(jié)合現(xiàn)代工程技術(shù)革新，介紹多輪驅(qū)動的工作過程，滲透科技創(chuàng)新對未來競爭的重要性，強調(diào)科技人才的力量，鼓勵學生為我國科技自立自強而學習。

從活動線來說，本節(jié)主要圍繞熱機尤其是內(nèi)燃機展開，基本由問題、觀察（收集數(shù)據(jù)）、解釋、交流的科學探究手段推進。比如，燃料燃燒的化學能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能了嗎？內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機械能供交通工具形成動力了嗎？學生在學習過程中提出上述問題，并觀察熱機的工作過程，收集燃料殘渣，發(fā)現(xiàn)沒有完全燃燒，以排氣沖程中帶走一部分熱量為表象，并結(jié)合生活實際，列舉燃燒不充分的熱機，甚至冒出黑煙等加以證明，小組討論并用表格（圖像）等方式將能量轉(zhuǎn)移過程及損耗表示出來，從而進一步解釋問題，在課堂上小組內(nèi)和小組間交流，注重學生科學思維和學科探究能力的培養(yǎng)。

從素養(yǎng)線來說，通過學習熱機的歷史發(fā)展過程及其工作原理，學生能用能量轉(zhuǎn)化的觀點解釋它，并且會將能量轉(zhuǎn)化觀點用于日常生活中，如用打氣筒打氣、燒水壺蓋被水蒸氣頂起、火箭發(fā)射等，初步形成能量觀，滲透歷史核心素養(yǎng)的“時空觀念”；在解決問題的過程中，由內(nèi)燃機工作過程衍生出如何利用化學學科知識和工程技術(shù)提高熱機工作效率方法和應(yīng)用技術(shù)過程中如何保護環(huán)境等問題，討論尋找新的能源或技術(shù)降低能源消耗、設(shè)計符合未來發(fā)展的熱機，需要學生加以技術(shù)創(chuàng)新和觀念轉(zhuǎn)變，以培養(yǎng)學生科技強國的家國情懷，堅定人類與自然和諧共生的可持續(xù)發(fā)展道路。滲透物理和化學核心素養(yǎng)“科學態(tài)度和社會責任”的要素。教學流程如圖1 所示。

圖1 教學流程圖

五、注重學科融合評價

在2022 年版新課標中，分學科的物理、歷史、化學都在課程理念最后一條提及評價方式和方法的綜合應(yīng)用，以促進學生學習的發(fā)生和素養(yǎng)的發(fā)展，充分發(fā)揮評價的育人功能。

本節(jié)授課過程中將評價融入教學設(shè)計，在每一環(huán)節(jié)時間線、內(nèi)容線、活動線到素養(yǎng)線，都有評價貫穿始終。比如，模塊一認識熱機：時間線——從18 世紀到現(xiàn)代；活動線——學生讀圖片，觀察不同時期的交通工具；內(nèi)容線——熱機工作原理；素養(yǎng)線——物理學科的能量觀念及歷史的時空觀念；評價線——診斷并發(fā)展學生觀念形成過程及觀念應(yīng)用水平。再如，模塊二了解熱機工作過程：時間線——第二次工業(yè)革命到內(nèi)燃機出現(xiàn)；活動線——觀察汽油機和柴油機工作過程，記錄它們的異同；內(nèi)容線——熱機工作的四沖程；素養(yǎng)線——物理化學科學思維與科學探究；評價線——診斷并發(fā)展學生的證據(jù)意識、能量利用效率認識水平、收集數(shù)據(jù)方式多樣化情況及對探究問題的口頭表述能力。

評價始終伴隨著課程推進，希望能在課堂上建立起“以素養(yǎng)為本，評價為綱”的教學評價模式，即評價以素養(yǎng)為本，指向?qū)W生發(fā)展，不是用傳統(tǒng)的練習情況或小測分數(shù)給學生貼標簽，而是基于學生在課堂的具體表現(xiàn)，以評價促進學生興趣發(fā)展、能力建構(gòu)和素養(yǎng)的提升。

評價貫穿課堂始終，實現(xiàn)教學評一致性：第一，學習即評價。在模塊學習中，課堂設(shè)置了“活動線－素養(yǎng)線－評價線”，重在評價學生的科學思維、合作探究、討論未來熱機產(chǎn)品創(chuàng)造等方面的素養(yǎng)表現(xiàn)水平，學生在討論或模擬完成任務(wù)的過程中，也會利用評價來反思學習，對學生自我認識、反思評價和多元評價主體相結(jié)合的評價過程相當于學習過程，即“學習也是評價”。第二，遷移即評價。學生遷移應(yīng)用能力是評價學生素養(yǎng)發(fā)展的一個重要標準，在模塊“未來熱機我創(chuàng)造”環(huán)節(jié)中，學生觀看多輪驅(qū)動和火箭發(fā)射視頻后進行評價，這一過程學生將學到的熱機知識、生成的素養(yǎng)內(nèi)化為自己的標準進行輸出，促進了學生思維的發(fā)展。

評價之于學生可以幫助他們獲得及時性的反饋，從而開展自我監(jiān)控、自我反思和自我調(diào)整，得到發(fā)展。同時，評價之于教師是一種反思教學的重要手段。

上完本節(jié)后，據(jù)筆者任教三個班的不完全統(tǒng)計，55%的學生有意識地從物理、歷史、化學、工程、環(huán)境保護等融合角度認識了本節(jié)學習內(nèi)容，43%的學生有了部分學科融合意識，這就有利于培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用相關(guān)學科知識看待問題、解決問題的能力，真正促進了學生關(guān)鍵能力的發(fā)展和核心素養(yǎng)的提升。

六、結(jié)語

以上是基于“內(nèi)燃機”一課進行的基于核心素養(yǎng)的跨學科融合教學的總體設(shè)計與實踐體會。在這一過程中，筆者深刻地意識到，在新課程理念下，跨學科融合帶給教師和學生巨大挑戰(zhàn)，同時也見證了跨學科融合教學給課堂帶來的新活力，學生在課堂上有了不一樣的收獲。相信在下一階段的教學中，跨學科融合教學會更多地出現(xiàn)在課堂中，有著廣闊的發(fā)展空間，成為踐行新課標的有力抓手！