指向核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中物理跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計

張聰聰 謝明艷 林興如 董麗娜 鄭勤紅

［摘 要］依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》，基于高中物理跨學(xué)科教學(xué)的主要困難，以“楞次定律”為例提出指向核心素養(yǎng)培養(yǎng)的跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計策略。指向核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中物理跨學(xué)科教學(xué)，以促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展為目標(biāo)，以實驗為載體，以分析解決問題為主要教學(xué)內(nèi)容，為高中物理教師的跨學(xué)科教學(xué)提供參考和借鑒。

［關(guān)鍵詞］核心素養(yǎng)；跨學(xué)科教學(xué)；楞次定律；教學(xué)設(shè)計

［中圖分類號］??? G633.7??????? ［文獻標(biāo)識碼］??? A??????? ［文章編號］??? 1674-6058（2024）14-0044-04

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（簡稱《物理課標(biāo)》）指出，為促進學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，課程學(xué)習(xí)中要倡導(dǎo)基于項目的學(xué)習(xí)或整合學(xué)習(xí)等方法，促進學(xué)生基于真實情境下學(xué)科和跨學(xué)科問題解決能力的發(fā)展，促進學(xué)生素養(yǎng)的發(fā)展［1］。同時還指出，物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面［2］。這四個方面相互關(guān)聯(lián)，其中科學(xué)思維是科學(xué)探究的基礎(chǔ)，物理觀念和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是科學(xué)思維的結(jié)果［3］。截至目前，初中物理跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計研究成果較為豐碩，高中物理跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計研究則相對較少，但高考物理試題中有大量的涉及跨學(xué)科的內(nèi)容［4］。

基于此，本文先分析高中物理跨學(xué)科教學(xué)的主要困難，再以“楞次定律”為例具體闡述指向核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中物理跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計策略，以期為高中物理教師的跨學(xué)科教學(xué)提供參考和借鑒。

一、高中物理跨學(xué)科教學(xué)的主要困難

《物理課標(biāo)》對于跨學(xué)科的表述理論性較強，可直接運用的內(nèi)容相對較少，這一方面增加了高中物理跨學(xué)科教學(xué)的難度，而另一方面為高中物理跨學(xué)科教學(xué)創(chuàng)造了巨大的創(chuàng)新空間。目前，高中物理跨學(xué)科教學(xué)主要存在以下困難。

（一）跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的選取相對困難

跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的選取，不僅需要具備跨學(xué)科的形式，而且需要實現(xiàn)更高層次的教學(xué)目標(biāo)。高中物理跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容既涉及高中物理的重要知識，又涉及其他學(xué)科的重要知識，所以高中物理跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的選取相對困難。

（二）各學(xué)科教學(xué)進度不同引發(fā)的困難

由于各個學(xué)科的教學(xué)進度并不是按照跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計需要而設(shè)置的，其他學(xué)科的教學(xué)進度往往滯后于高中物理，導(dǎo)致高中物理中符合跨學(xué)科教學(xué)條件的知識內(nèi)容較少了，從而影響跨學(xué)科教學(xué)的開展。

（三）跨學(xué)科問題設(shè)計中認(rèn)知負荷的評估存在困難

根據(jù)《物理課標(biāo)》，高中物理跨學(xué)科教學(xué)需要設(shè)置問題，讓學(xué)生通過解決問題提升自身的核心素養(yǎng)。高中生在解決問題時所能承受的認(rèn)知負荷是有限的，跨學(xué)科問題設(shè)計中學(xué)生認(rèn)知負荷的評估較為困難。因此，在高中物理跨學(xué)科教學(xué)中教師要盡量降低內(nèi)在認(rèn)知負荷和外在認(rèn)知負荷的比重，增加有效認(rèn)知負荷的比重，以實現(xiàn)認(rèn)知負荷的有效評估。

二、指向核心素養(yǎng)培養(yǎng)的“楞次定律”跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計

（一）分析教材，遴選主題

楞次定律是電磁感應(yīng)現(xiàn)象與電磁感應(yīng)定律的橋梁，是學(xué)生學(xué)習(xí)選擇性必修第二冊“電磁感應(yīng)”章節(jié)內(nèi)容的重要基礎(chǔ)。楞次定律中的“阻礙相對變化”具有跨學(xué)科性，因此“楞次定律”適合作為跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容?；瘜W(xué)的勒夏特列原理中的“化學(xué)平衡朝著削弱影響因素變化的方向移動”與楞次定律中的“阻礙磁通量相對變化”具有較強的關(guān)聯(lián)性，都反映了系統(tǒng)自身應(yīng)對外部條件變化的作用，且勒夏特列原理的教學(xué)進度剛好略早于楞次定律，由此提煉出“阻礙相對變化”這一跨學(xué)科教學(xué)主題。

（二）依托主題，設(shè)定目標(biāo)

依托主題，將“楞次定律”跨學(xué)科教學(xué)的目標(biāo)確定為：（1）通過楞次定律“感應(yīng)電流的磁場阻礙磁體做相對運動”，培養(yǎng)運動與相互作用觀念和能量觀念；（2）通過楞次定律和勒夏特列原理的作用過程分析，培養(yǎng)邏輯思維能力；（3）通過分析、歸納楞次定律和勒夏特列原理的共同規(guī)律，培養(yǎng)科學(xué)思維能力。

（三）瞄準(zhǔn)目標(biāo)，設(shè)計問題

為實現(xiàn)既定教學(xué)目標(biāo)，從“感應(yīng)電流的磁場阻礙磁體做相對運動”和“能量守恒”兩個方面設(shè)計問題。首先，設(shè)計有關(guān)影響感應(yīng)電流方向的因素的問題，引導(dǎo)學(xué)生探究感應(yīng)電流的磁場阻礙磁體做相對運動的原因，分析總結(jié)出楞次定律，厘清楞次定律各物理量之間的邏輯關(guān)系。其次，設(shè)計能量轉(zhuǎn)化與守恒跨學(xué)科問題，使學(xué)生充分認(rèn)識到楞次定律和勒夏特列原理都遵循自然界的普遍規(guī)律——能量守恒定律。最后，引導(dǎo)學(xué)生厘清勒夏特列原理各個參數(shù)之間的邏輯關(guān)系，分析比較楞次定律與勒夏特列原理的共同點。

（四）精心設(shè)計，高效教學(xué)

1.探究影響感應(yīng)電流方向的因素

課堂導(dǎo)入：線圈與電流表相連（如圖1），將磁體的某一個磁極插入線圈中或從線圈中抽出，電流表的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，但兩種情況下偏轉(zhuǎn)的方向不同，這說明感應(yīng)電流的方向并不相同，感應(yīng)電流的方向與哪些因素有關(guān)？通過該問題引導(dǎo)學(xué)生思考影響感應(yīng)電流方向的因素。

教學(xué)設(shè)計：首先，將磁體的不同磁極分別插入線圈和抽出線圈，使電流表的指針向不同方向偏轉(zhuǎn)，讓學(xué)生了解感應(yīng)電流的方向與磁體的運動存在著一定的聯(lián)系（實驗操作1）。其次，帶領(lǐng)學(xué)生進行不同磁極靠近、遠離閉合銅環(huán)的實驗，使學(xué)生直觀感知感應(yīng)電流的磁場對原磁場的阻礙作用，確定感應(yīng)電流的磁場與原磁場的關(guān)系——“來拒去留”（實驗操作2）。再次，以感應(yīng)電流磁場的方向為中間變量，結(jié)合感應(yīng)電流方向和感應(yīng)電流磁場方向的聯(lián)系（安培定則），以及感應(yīng)電流磁場方向和原磁場方向的聯(lián)系（“來拒去留”），引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出楞次定律。最后，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)楞次定律各物理量之間的邏輯關(guān)系圖。

（1）實驗操作1

將學(xué)生進行分組，按小組分發(fā)儀器；為學(xué)生介紹探究步驟及注意事項（包括線圈與電流表的連接；根據(jù)電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向判斷線圈中感應(yīng)電流的方向）；布置探究任務(wù)，讓學(xué)生進行實驗操作：將磁體的不同磁極分別插入線圈和抽出線圈，并記錄數(shù)據(jù)（見表1）。磁體的N極插入線圈，感應(yīng)電流的方向為逆時針方向（俯視），如圖2（a）所示；磁體的S極插入線圈，感應(yīng)電流的方向為順時針方向（俯視），如圖2（b）所示；磁體的N極抽出線圈，感應(yīng)電流的方向為順時針方向（俯視），如圖2（c）所示；磁體的S極抽出線圈，感應(yīng)電流的方向為逆時針方向（俯視），如圖2（d）所示。

分析表1中的實驗數(shù)據(jù)可知：感應(yīng)電流磁場的方向與磁體磁場的方向可能一致，也可能相反，暫時無法找到它們之間的邏輯關(guān)系，但感應(yīng)電流磁場的方向與感應(yīng)電流的方向之間存在著一定的邏輯關(guān)系。

（2）實驗操作2

讓學(xué)生分組進行如圖3所示的實驗，引導(dǎo)學(xué)生觀察磁體的不同磁極在靠近與遠離閉合銅環(huán)的過程中銅環(huán)的相對運動情況，并記錄數(shù)據(jù)（見表2）。①當(dāng)磁體的N極靠近銅環(huán)時，銅環(huán)將遠離磁體，如圖3（a）所示；②當(dāng)磁體的S極靠近銅環(huán)時，銅環(huán)將遠離磁體，如圖3（b）所示；③當(dāng)磁體的N極離開（遠離）銅環(huán)時，銅環(huán)將靠近磁體，如圖3（c）所示；④當(dāng)磁體的S極離開（遠離）銅環(huán)時，銅環(huán)將靠近磁體，如圖3（d）所示。

綜合分析表2中的實驗數(shù)據(jù)可知：①銅環(huán)附近由感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場始終阻礙磁體的相對運動，對磁體表現(xiàn)為“來拒去留”，即當(dāng)磁體靠近（“來”）時表現(xiàn)為遠離（“拒”），當(dāng)磁體遠離（“去”）時表現(xiàn)為靠近（“留”）；②當(dāng)穿過銅環(huán)的磁體磁場增加時，感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場的方向與磁體磁場的方向相反；當(dāng)穿過銅環(huán)的磁體磁場強度減小時，感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場的方向與磁體磁場的方向相同，即感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場的方向與磁體磁場的方向表現(xiàn)為“增反減同”。由此可以總結(jié)出，感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，這就是楞次定律。

（3）分析總結(jié)楞次定律的邏輯關(guān)系

總結(jié)獲得楞次定律之后，教師結(jié)合實驗操作2，向?qū)W生提問：“是什么在阻礙磁體？（感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場）阻礙什么？（阻礙磁體相對銅環(huán)運動、阻礙閉合導(dǎo)體回路中原磁通量的變化）如何阻礙？（產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流又產(chǎn)生磁場）為什么不是阻止？（楞次定律是能量守恒定律在電磁感應(yīng)中的體現(xiàn)，若完全阻止磁通量的變化，則無法產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就不存在楞次定律）在學(xué)生順利解決相關(guān)問題后，教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)楞次定律的邏輯關(guān)系（如圖4），以及磁體與線圈之間的相互作用模型，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

[磁體相對銅環(huán)運動][引起閉合導(dǎo)體回路中磁通量的變化] [感應(yīng)電流的磁場阻礙磁體相對銅環(huán)運動，即阻礙銅環(huán)中磁通量的變化] [感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場] [產(chǎn)生感應(yīng)電流]

圖4 楞次定律的邏輯關(guān)系

2.解決跨學(xué)科問題

課堂導(dǎo)入：自然科學(xué)中，雖然每個學(xué)科都有大量的定律、原理，但不同學(xué)科中的部分定律、原理存在著相同或相似的邏輯關(guān)系或相互作用模型，亦即不同學(xué)科之間存在著某些共同的規(guī)律，那么楞次定律與勒夏特列原理有什么相同或相似之處呢？通過該問題，引發(fā)學(xué)生對“楞次定律中阻礙作用”的跨學(xué)科思考。

教學(xué)設(shè)計：首先，給學(xué)生介紹實驗裝置（如圖 5）及相應(yīng)器材：可操作的強磁棒和改裝過的集氣瓶。改裝過的集氣瓶由瓶塞、銅管、瓶體組成。銅管的內(nèi)徑大于強磁棒的直徑，銅管的外表面有油脂膠涂層，銅管的底部澆注蠟液進行密封，銅管穿過挖有孔洞的瓶塞，銅管的頂部與瓶塞接觸部分以油脂膠進行黏接密封。其次，介紹操作步驟。再次，以集氣瓶內(nèi)氣體顏色變化的原因分析為切入點，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)勒夏特列原理在溫度變化條件下的邏輯關(guān)系。最后，通過分析楞次定律與勒夏特列原理的邏輯關(guān)系，比較楞次定律與勒夏特列原理的共同點，形成對“阻礙相對變化”的跨學(xué)科認(rèn)識。

（1）實驗操作3

在集氣瓶內(nèi)注入 NO2和N2O4 （NO2為紅棕色氣體，N2O4為無色氣體）混合氣體后，蓋緊貫穿有銅管的瓶塞，先用紅外測溫槍測量集氣瓶的溫度[T1]，之后將強磁棒不斷快速反復(fù)插入、抽出銅管（為避免破壞銅管底部的密封層，強磁棒移動中盡量不要觸及銅管底部），直至集氣瓶內(nèi)氣體顏色明顯加深，再用紅外測溫槍測量集氣瓶的溫度[T2]，比較兩次溫度的差異，觀察集氣瓶內(nèi)的顏色變化。

因果關(guān)系分析：NO2生成N2O2反應(yīng)為可逆反應(yīng)，NO2生成N2O4放熱，N2O4生成NO2吸熱。集氣瓶內(nèi)的顏色逐漸加深說明有色氣體 NO2增多，NO2增多說明該化學(xué)反應(yīng)朝著吸熱方向進行，即集氣瓶內(nèi)溫度升高造成的結(jié)果，紅外測溫槍測量結(jié)果對此進行了證明。集氣瓶內(nèi)溫度升高是由于強磁棒不斷反復(fù)插入、抽出銅管（外力移動強磁棒做功），銅管內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流使銅管發(fā)熱。由此，引導(dǎo)學(xué)生從能量轉(zhuǎn)化和守恒的視角解釋該現(xiàn)象，并使學(xué)生明白該化學(xué)反應(yīng)所需要的熱量來自銅管中感應(yīng)電流所產(chǎn)生的焦耳熱，線圈中的感應(yīng)電流則來源于外力對強磁棒所做的功。

（2）分析總結(jié)勒夏特列原理的邏輯關(guān)系

根據(jù)實驗操作3，結(jié)合勒夏特列原理“如果改變影響平衡的一個因素（溫度、壓強及參加反應(yīng)的物質(zhì)的濃度），則平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動”，進行提問：“阻礙什么？（阻礙化學(xué)平衡條件的改變，即阻礙溫度升高）是什么在阻礙溫度升高？（化學(xué)平衡的移動）如何阻礙？（使化學(xué)平衡移動朝著吸熱方向進行，借此消耗部分熱量，建立新的化學(xué)平衡，阻礙溫度升高）在學(xué)生順利解決這些問題后，教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)勒夏特列原理的邏輯關(guān)系（如圖6），加深學(xué)生對勒夏特列原理的理解。

[化學(xué)平衡條件改變

（溫度升高）][化學(xué)平衡被破壞][正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率，產(chǎn)生新的化學(xué)平衡和新的平衡溫度，阻礙溫度升高][正反應(yīng)速率低于逆反應(yīng)速率，化學(xué)平衡朝著逆反應(yīng)（吸熱）方向進行]

圖6 勒夏特列原理的邏輯關(guān)系

（3）分析總結(jié)楞次定律與勒夏特列原理的共同規(guī)律

教師引導(dǎo)：根據(jù)楞次定律的邏輯關(guān)系圖和勒夏特列原理溫度參數(shù)變化邏輯關(guān)系圖，分析比較楞次定律與勒夏特列原理的共同規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生分析總結(jié)出楞次定律與勒夏特列原理都“阻礙相對變化”，都遵循能量守恒定律，從而促進學(xué)生對楞次定律勒夏特列原理的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，鼓勵學(xué)生在未來的學(xué)習(xí)和工作中大膽開展跨學(xué)科研究。

綜上可知，指向核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中物理跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計，不僅既具有理論意義，而且具有實踐指導(dǎo)價值，廣大高中物理教師應(yīng)參考和借鑒，基于《物理課標(biāo)》和高中物理教材，有效開展高中物理跨學(xué)科教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

［?? 參?? 考?? 文?? 獻?? ］

［1］［2］? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］? 張文，茅艷婷.基于科學(xué)思維培養(yǎng)的物理課堂探究活動設(shè)計：以“分子的無規(guī)則運動”教學(xué)為例［J］.物理教學(xué)，2022（3）：29-31.

［4］? 鄧天華，傅敏.從2022年高考試題看物理跨學(xué)科教學(xué)［J］.物理教師，2023（1）：16-19.

（責(zé)任編輯 黃春香）

［通信作者］鄭勤紅（1962— ），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事物理教學(xué)、計算物理等研究。