初中物理跨學(xué)科教學(xué)探索

摘" 要：自《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》頒布以來，跨學(xué)科教學(xué)已經(jīng)成為亟待研究和實(shí)踐的重要課題。本文以“看得見的溫度”教學(xué)主題為例，給出了跨學(xué)科教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施路徑，在融入STEAM教育理念的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了科普宣傳、調(diào)查報(bào)告、手工制作、創(chuàng)客設(shè)計(jì)四個(gè)教學(xué)模塊，為跨學(xué)科教學(xué)的實(shí)施提供了參考案例。

關(guān)鍵詞：課程標(biāo)準(zhǔn)；初中物理；跨學(xué)科教學(xué)

新時(shí)代背景下，科技進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)愈發(fā)依賴于多學(xué)科融合。通過跨學(xué)科教學(xué)來培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識解決實(shí)際問題的能力已成為教育領(lǐng)域的共識?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）在課程內(nèi)容模塊，將跨學(xué)科教學(xué)設(shè)置為一級主題，確立了該模塊在未來教學(xué)中的重要地位。［1］國際上，芬蘭的現(xiàn)象學(xué)習(xí)、北愛爾蘭的結(jié)構(gòu)化主題學(xué)習(xí)、美國的PBL項(xiàng)目式學(xué)習(xí)以及風(fēng)靡全球的STEAM教育等教學(xué)模式，已經(jīng)具有了跨學(xué)科教學(xué)的特征。近年來，我國的教育工作者們也開展了積極探索，為《課程標(biāo)準(zhǔn)》的順利實(shí)施積累了經(jīng)驗(yàn)并提供了教學(xué)資源。

1" 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

跨學(xué)科教學(xué)在本質(zhì)上是創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，從不同學(xué)科視角對學(xué)生的知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀進(jìn)行重構(gòu)，幫助學(xué)生建立不同學(xué)科的知識脈絡(luò)，形成一個(gè)立體、鮮活的知識體系。在選取跨學(xué)科教學(xué)主題內(nèi)容時(shí)，教師既要立足物理課程，又要跨出物理課程。跨學(xué)科教學(xué)強(qiáng)調(diào)知識點(diǎn)在不同學(xué)科中的特異性表現(xiàn)，同時(shí)還要促進(jìn)不同學(xué)科知識點(diǎn)的有機(jī)融合。

1.1" 教學(xué)分析

開展跨學(xué)科教學(xué)活動(dòng)，要立足物理學(xué)科知識，注重從多學(xué)科視角解決真實(shí)問題。教學(xué)目標(biāo)的確立要依據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》，基于教材內(nèi)容，關(guān)注學(xué)生身心發(fā)展和認(rèn)知能力，以確保能夠促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，并具有可行性、可操作性、可評價(jià)性。

1.2" 方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)，教師需要制定翔實(shí)的教學(xué)活動(dòng)計(jì)劃。制定的跨學(xué)科教學(xué)模塊要符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，內(nèi)容由淺入深、從簡單到復(fù)雜，分層次逐步展開、節(jié)奏性遞進(jìn)。布置的任務(wù)不能過多占用學(xué)生的課外時(shí)間?？鐚W(xué)科教學(xué)活動(dòng)的難易程度應(yīng)符合學(xué)生的認(rèn)知能力。

1.3" 課程實(shí)施

根據(jù)教學(xué)模塊的特征，教師要采用適宜的教學(xué)方式，及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展。根據(jù)學(xué)生的知識基礎(chǔ)，教師應(yīng)給予合適的指導(dǎo)。教師應(yīng)確保教學(xué)活動(dòng)緊密圍繞教學(xué)目標(biāo)，發(fā)揮支架作用，幫助學(xué)生克服認(rèn)知困難。教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置的問題要有啟發(fā)性，活動(dòng)要突出學(xué)生的主體地位，為學(xué)生預(yù)留充足的探究和實(shí)踐時(shí)間、提供必要的活動(dòng)空間和學(xué)習(xí)資源。

教師應(yīng)從學(xué)生的認(rèn)知水平出發(fā)，耐心解答學(xué)生的問題，營造學(xué)生的“自主”課堂。

1.4" 總結(jié)評價(jià)

跨學(xué)科教學(xué)要重視活動(dòng)成果的展示和交流，教師應(yīng)組織學(xué)生開展交流研討活動(dòng)。教師可以安排學(xué)生通過宣傳海報(bào)、PPT講解、撰寫報(bào)告、設(shè)計(jì)作品、制作模型等多種方式呈現(xiàn)學(xué)習(xí)成果。根據(jù)成果的形式，教師還可以指導(dǎo)學(xué)生申報(bào)發(fā)明專利，撰寫科普論文或參加相關(guān)學(xué)科競賽，通過評價(jià)為學(xué)生提供成長依據(jù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與潛力。評價(jià)貫穿跨學(xué)科教學(xué)的全過程，評價(jià)的主體、內(nèi)容、方法應(yīng)更加多元化，評價(jià)的框架應(yīng)更加系統(tǒng)化和綜合化。

2" 教學(xué)案例：“看得見的溫度”

本文以“看得見的溫度”為教學(xué)主題，設(shè)計(jì)了四個(gè)項(xiàng)目式教學(xué)模塊，并實(shí)施了跨學(xué)科教學(xué)。

教師在教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施的過程中，應(yīng)采用問題驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)方法，以項(xiàng)目化理念為指導(dǎo)，發(fā)揮調(diào)查研究、手工制作、實(shí)驗(yàn)探究對學(xué)生認(rèn)知的積極促進(jìn)作用。教師通過跨學(xué)科實(shí)踐，向?qū)W生揭示物理概念、物理規(guī)律在生活及工程中的重要作用。

本案例通過使用軟件處理、分析、模擬等方法來探究物理問題，以可視化的方式展示其過程，進(jìn)而形成令人信服的結(jié)論。具體而言，如使用phyphox或Tracker等軟件來探究物理問題并展示物理過程，能讓學(xué)生感受到物理原理的巨大應(yīng)用價(jià)值。在教學(xué)過程中，教師既要對物理知識進(jìn)行深度挖掘，還要重視物理與其他學(xué)科知識的廣泛聯(lián)系。［2］

2.1" 模塊一：科普宣傳

當(dāng)前中學(xué)物理教材以基礎(chǔ)性知識為主，雖然會(huì)涉及科學(xué)前沿、社會(huì)與生活，但常常受篇幅的限制?？破招麄魇沁M(jìn)行跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)的有效方式之一，它可以有效地補(bǔ)充教材中缺乏的科普知識。在教師或?qū)＜抑笇?dǎo)下，學(xué)生可以通過查閱網(wǎng)絡(luò)資源、閱讀學(xué)術(shù)著作等方式，對主題素材進(jìn)行加工、提煉，并通過開展講座、制作宣傳海報(bào)等形式，在班級或校內(nèi)開展科普宣傳活動(dòng)。學(xué)生圍繞具體的物理知識，闡述其在日常生活、工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，以較低的時(shí)間成本獲得相關(guān)知識，從而激發(fā)自身對物理的熱愛。教師在指導(dǎo)過程中應(yīng)注意把握科普內(nèi)容的科學(xué)性、趣味性和適宜性。

本模塊的任務(wù)是探究“中國古代氣候變化與社會(huì)變遷”，這一主題涉及地理、歷史、藝術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識。教師可以在課前安排學(xué)生通過查閱歷史資料、學(xué)術(shù)論文、觀看紀(jì)錄片等方式，梳理氣候變化（主要是氣溫變化）與古代社會(huì)變遷之間的聯(lián)系，并制作宣傳海報(bào)在班級張貼，或制作多媒體課件在課堂上進(jìn)行講解。中國古代社會(huì)以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)，由于生產(chǎn)力欠發(fā)達(dá)，社會(huì)受氣候變化的影響尤為強(qiáng)烈。歷史上，王朝的興衰成敗與氣溫的冷暖變化存在著一定的對應(yīng)關(guān)系。歷史資料表明，地球平均溫度即使發(fā)生1～2℃的微小變化，也足以影響人類的生產(chǎn)活動(dòng)，甚至能夠改變歷史的進(jìn)程。太陽黑子的爆發(fā)周期、地球公轉(zhuǎn)軌道和地軸的周期性變化是決定地球大氣溫度的重要因素。以“溫度”為紐帶，地理、歷史、氣候等相關(guān)知識在這千年為經(jīng)、光年為緯的時(shí)空中交匯。時(shí)至今日，全球氣候變化和極端天氣仍然是人類社會(huì)需要面對的共同挑戰(zhàn)，而跨學(xué)科研究則是應(yīng)對氣候變化的有效途徑。教師采用科普報(bào)告方式進(jìn)行教學(xué)，可以讓學(xué)生最大限度地整合各類知識資源。該方式具有不受硬件資源約束的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心社會(huì)發(fā)展的情懷。

2.2" 模塊二：調(diào)研報(bào)告

調(diào)研報(bào)告是通過實(shí)地考察、交流訪談、問卷調(diào)查以及數(shù)據(jù)查詢等方式，對具體領(lǐng)域或社會(huì)問題進(jìn)行深度分析，并給出解決方案。開展調(diào)查研究是撰寫高質(zhì)量調(diào)研報(bào)告的先決條件，而撰寫調(diào)研報(bào)告則可以加深學(xué)生對不同學(xué)科知識的理解，是課堂教學(xué)的有效延伸和必要補(bǔ)充。此外，調(diào)研活動(dòng)還可以增強(qiáng)學(xué)生對社會(huì)的認(rèn)識和了解，培養(yǎng)他們的社會(huì)責(zé)任感。在開展調(diào)研活動(dòng)時(shí)，教師應(yīng)協(xié)助學(xué)生制定活動(dòng)細(xì)則，并注意方案實(shí)施的可行性、安全性等問題。在必要時(shí)，教師和家長應(yīng)共同參與，以確?；顒?dòng)順利進(jìn)行。

本模塊的任務(wù)是認(rèn)識“城市熱島效應(yīng)”，這一現(xiàn)象涉及城市規(guī)劃、大氣科學(xué)等領(lǐng)域的知識。宋朝詩人陸游在《秋懷》中寫道：“園丁傍架摘黃瓜，村女沿籬采碧花。城市尚余三伏熱，秋光先到野人家?！痹娭泻髢删湔f明近千年前古人就觀察到了城市熱島效應(yīng)。城市中心區(qū)域的溫度顯著高于郊區(qū)或周邊農(nóng)村的溫度，這種現(xiàn)象被稱為熱島效應(yīng)。在現(xiàn)代社會(huì)，熱島效應(yīng)不僅會(huì)增加制冷能耗，還會(huì)對城市居民，特別是老年人的健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。為緩解熱島效應(yīng)，人們進(jìn)行了諸多研究，發(fā)現(xiàn)綠色植被通過蒸騰、遮陽以及高反照率能夠降低環(huán)境溫度。此外，合理的城市規(guī)劃可以使冷風(fēng)氣流穿透城市內(nèi)部街區(qū)，從而緩解熱島效應(yīng)。近年來，科學(xué)家還提出了“輻射制冷”的新技術(shù)，有望在未來為城市降溫。教師可以通過查閱氣象局公開數(shù)據(jù)或科研論文，統(tǒng)計(jì)所在城市各區(qū)域的氣溫情況，并引導(dǎo)學(xué)生從建筑分布、綠色植被及水體分布等多個(gè)角度討論影響城市氣溫的因素，分析市區(qū)與郊區(qū)溫度差異的形成原因。在調(diào)研過程中，學(xué)生學(xué)會(huì)查閱行業(yè)數(shù)據(jù)，并能夠使用專業(yè)工具（如地圖軟件等）分析城市地表特征。通過調(diào)研任務(wù)的實(shí)施，學(xué)生能夠理解“溫度”不僅僅是教材中抽象的物理概念，而且與我們的生活息息相關(guān)。知識不應(yīng)該局限于單一學(xué)科，而是要進(jìn)行跨學(xué)科整合，形成廣泛聯(lián)系。學(xué)習(xí)不僅是為了考試，更是為了解決實(shí)際問題，改善人們的生活。

2.3" 模塊三：手工制作

手工制作是一種實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生利用使用常見工具和材料，發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，進(jìn)行手工創(chuàng)作，以解決實(shí)際生活中遇到的問題。在物理教學(xué)中，手工制作過程包括收集生活中常見的材料和物品，進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，并制作出具有特定功能的結(jié)構(gòu)或模型，以此來揭示相關(guān)的科學(xué)原理或物理規(guī)律。例如使用紙板、亞克力板、彩泥等材料制作保溫建筑模型，可以幫助學(xué)生加深對熱傳導(dǎo)規(guī)律的理解。通過手工制作，學(xué)生不僅能夠表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思想，還能培養(yǎng)自身的審美情趣，增長知識和經(jīng)驗(yàn)。

本模塊的任務(wù)是“自制溫度計(jì)”，這是一項(xiàng)涉及手工制作的實(shí)踐活動(dòng)。教師需在課前準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)材料，包括帶乳膠塞的玻璃瓶、透明吸管、紅色墨水、酒精、塑料杯、冷水、熱水，以及溫度計(jì)等。實(shí)驗(yàn)前，教師引導(dǎo)學(xué)生探討酒精溫度計(jì)的工作原理。學(xué)生經(jīng)過討論、設(shè)計(jì)、制作、修改等環(huán)節(jié)，最終確定如下自制溫度計(jì)的步驟：首先，將酒精用紅色墨水染色后裝入玻璃瓶；然后，蓋上乳膠塞，插入透明吸管；最后，將玻璃瓶分別放入冷水和熱水中，觀察和對比酒精液面的變化。

在探索制作溫度計(jì)的過程中，學(xué)生可能產(chǎn)生兩個(gè)猜想：一是認(rèn)為瓶中留存的空氣受熱膨脹產(chǎn)生壓力，推動(dòng)液面升高；二是認(rèn)為玻璃瓶受熱膨脹導(dǎo)致內(nèi)部體積縮小，從而使液面升高。為驗(yàn)證上述兩個(gè)猜想，學(xué)生對作品進(jìn)行改進(jìn)，使玻璃瓶內(nèi)部不留間隙地充滿紅色墨水，放入熱水后發(fā)現(xiàn)紅色液面持續(xù)升高，從而排除了空氣膨脹產(chǎn)生壓力的猜想。為了驗(yàn)證第二個(gè)猜想，學(xué)生需要闡明熱膨脹時(shí)玻璃瓶內(nèi)部體積是增大，不是縮小。

通過查閱紅色酒精（用酒精近似代替）和玻璃的熱膨脹系數(shù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)前者的數(shù)值是后者的數(shù)千倍，因此玻璃瓶膨脹帶來的影響可以忽略不計(jì)。至此，學(xué)生充分相信自制溫度計(jì)液面的升高是由于酒精受熱膨脹引起的。最終作品效果如圖1所示，放入左邊冷水杯中的酒精液面沒有變化，溫度計(jì)顯示溫度為28.0℃；放入右邊熱水杯中的酒精液面快速上升，最后穩(wěn)定在固定的高度，溫度計(jì)顯示溫度為46.0℃。手工制作活動(dòng)不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，還有利于知識的建構(gòu)。通過探究性實(shí)驗(yàn)，教師能夠培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃急婺芰Α?/p>

2.4" 模塊四：創(chuàng)客設(shè)計(jì)

創(chuàng)客設(shè)計(jì)是一種使用數(shù)字化工具把創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)作品的新型教育模式，它旨在培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科問題解決能力，并強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。與手工制作相比，創(chuàng)客設(shè)計(jì)的顯著特點(diǎn)在于其對信息技術(shù)和數(shù)字化工具的運(yùn)用。3D打印、可編程硬件和傳感器的應(yīng)用是創(chuàng)客設(shè)計(jì)中比較常見的形式。教師在進(jìn)行創(chuàng)客設(shè)計(jì)的教學(xué)中應(yīng)重視信息技術(shù)及數(shù)字化工具的使用，并圍繞跨學(xué)科實(shí)踐的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，這包括基于微型控制器編寫程序代碼、使用傳感器采集數(shù)據(jù)，以及利用軟件展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

本模塊的任務(wù)是“自制小冰箱”，該任務(wù)涉及電子技術(shù)的知識。

在創(chuàng)客設(shè)計(jì)中，通常會(huì)涉及信息技術(shù)等知識與技能，教師要進(jìn)行必要的示范和指導(dǎo)。教師需要提前準(zhǔn)備直流穩(wěn)壓電源（邁勝；MS-3010DS）、半導(dǎo)體制冷片（富信；TEC1-12706）、紅外熱成像模塊（英菲；MLX90640）及熱成像軟件。半導(dǎo)體制冷片是一種熱電交換裝置，可以實(shí)現(xiàn)電流和熱量的相互轉(zhuǎn)換。其內(nèi)部由P型半導(dǎo)體及N型半導(dǎo)體陣列組成，表面有字的一面是冷端，無字的一面是熱端。熱端通常要加上鋁散熱片，必要時(shí)還需加入風(fēng)扇以增強(qiáng)散熱效果。

自制小冰箱及其檢測裝置如圖2所示。制冷片按正負(fù)極對應(yīng)接入直流電源，設(shè)置電壓為11.57 V、電流為3.001 A。使用紅外熱成像攝像頭對制冷片進(jìn)行攝像，并將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)，通過軟件展示制冷片的溫度分布。半導(dǎo)體制冷片接入電源后每隔5秒保存的4幅熱成像圖，中央逐步封閉的方形區(qū)域?yàn)樯崞瑹釄觯行膮^(qū)域?yàn)橹评鋮^(qū)（見圖3）。

可以看到，經(jīng)過20秒后，冷區(qū)的溫度從28.4℃下降到24.5℃。有別于傳統(tǒng)教學(xué)模式，創(chuàng)客設(shè)計(jì)能夠?qū)⒐こ虒?shí)踐融入教學(xué)，這可以極大地激發(fā)學(xué)生的好奇心，并幫助他們樹立運(yùn)用工程技術(shù)解決問題的意識。

3" 結(jié)論

本文旨在突破初中物理的傳統(tǒng)教學(xué)模式，以“看得見的溫度”作為教學(xué)主題進(jìn)行跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)，給出了跨學(xué)科教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)路徑，設(shè)計(jì)了科普宣傳、調(diào)查報(bào)告、手工制作、創(chuàng)客設(shè)計(jì)4個(gè)相互關(guān)聯(lián)的教學(xué)模塊，為中學(xué)物理跨學(xué)科實(shí)踐的開展提供了參考。

教師利用不同類型的教學(xué)模塊，有助于激發(fā)學(xué)生內(nèi)心深處的學(xué)習(xí)熱情，讓他們在實(shí)踐中體驗(yàn)學(xué)習(xí)的樂趣，有助于落實(shí)新時(shí)代“雙增”“雙減”的政策要求。以項(xiàng)目化的教學(xué)模塊為載體，還可以幫助教師在教學(xué)過程中探索跨學(xué)科教學(xué)與人文藝術(shù)、思政教育的融合。

參考文獻(xiàn)

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