高中數(shù)學(xué)物理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)研究

摘要：當(dāng)前高中數(shù)學(xué)教學(xué)中，部分學(xué)生難以將數(shù)學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際物理問題的解決.為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，本研究基于對(duì)高中數(shù)學(xué)物理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)的深入分析，從創(chuàng)設(shè)多元教學(xué)情境，深化跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)體驗(yàn)；布置項(xiàng)目學(xué)習(xí)任務(wù)，強(qiáng)化跨學(xué)科主題知識(shí)應(yīng)用；完善教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制，保障跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)成效三個(gè)方面，對(duì)高中數(shù)學(xué)物理跨學(xué)科主題教學(xué)策略展開研究.

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)；教學(xué)情境；教學(xué)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2025）09-0049-03

為適應(yīng)新時(shí)代人才培養(yǎng)需求、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，跨學(xué)科教學(xué)已成為教育改革的重要方向.跨學(xué)科教學(xué)是指將兩個(gè)或兩個(gè)以上學(xué)科的知識(shí)、方法、思維等進(jìn)行有機(jī)融合，以提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力.高中數(shù)學(xué)與物理學(xué)科在研究對(duì)象、研究方法、思維方式等方面具有很高的契合度，這為跨學(xué)科教學(xué)提供了良好的基礎(chǔ).然而，在實(shí)際教學(xué)中，數(shù)學(xué)物理跨學(xué)科教學(xué)面臨著諸多挑戰(zhàn)[1].一方面，部分教師受限于傳統(tǒng)的學(xué)科觀念，難以打破學(xué)科壁壘，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的深度融合；另一方面，部分學(xué)生面對(duì)繁重的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)，難以在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)跨學(xué)科教學(xué)模式.鑒于此，探索一套切實(shí)可行的高中數(shù)學(xué)物理跨學(xué)科主題教學(xué)策略，成為當(dāng)前教育界亟待解決的重要課題.基于上述背景，本研究對(duì)高中數(shù)學(xué)物理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行研究，以期為高中教育改革提供有益的參考.

1高中數(shù)學(xué)物理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)

高中數(shù)學(xué)與物理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)是多學(xué)科整合與教育理念創(chuàng)新的產(chǎn)物，其理論基礎(chǔ)涉及知識(shí)生產(chǎn)模式、課程統(tǒng)整、具身認(rèn)知以及增值評(píng)價(jià)等多方面[2].

在跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的內(nèi)容與形式上，課程統(tǒng)整理論起到關(guān)鍵作用.課程統(tǒng)整理論主張將學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)化整合，以避免知識(shí)的碎片化，幫助學(xué)生形成整體性的認(rèn)知框架.在數(shù)學(xué)與物理的跨學(xué)科學(xué)習(xí)中，課程統(tǒng)整不僅僅是簡(jiǎn)單地將數(shù)學(xué)公式應(yīng)用于物理現(xiàn)象，更是通過(guò)科學(xué)探究過(guò)程促進(jìn)學(xué)生理解背后深層的數(shù)學(xué)原理與物理機(jī)制.這種整合使得學(xué)生在解決物理問題時(shí)能更自然地運(yùn)用數(shù)學(xué)工具，同時(shí)也能通過(guò)物理現(xiàn)象加深對(duì)數(shù)學(xué)概念的理解.

跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的實(shí)踐過(guò)程受益于具身認(rèn)知理論的指導(dǎo).具身認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)知識(shí)的獲得與身體經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境互動(dòng)之間的關(guān)系，主張通過(guò)實(shí)際的操作和體驗(yàn)促進(jìn)理解.在數(shù)學(xué)和物理的跨學(xué)科學(xué)習(xí)中，具身認(rèn)知理論鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)、建模以及實(shí)踐操作來(lái)理解抽象的數(shù)學(xué)概念與物理定律，從而加深對(duì)理論知識(shí)的理解，提升學(xué)習(xí)的體驗(yàn)感與參與度.這種結(jié)合理論與實(shí)踐的方式有助于將抽象的知識(shí)形象化、具體化，使得學(xué)習(xí)過(guò)程更加生動(dòng)有趣[3].

在跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的效果評(píng)價(jià)方面，增值評(píng)價(jià)理論提供科學(xué)的評(píng)估框架.增值評(píng)價(jià)理論注重學(xué)習(xí)者在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中的進(jìn)步與成長(zhǎng)，而不僅僅是終點(diǎn)結(jié)果的評(píng)價(jià).在高中數(shù)學(xué)與物理跨學(xué)科學(xué)習(xí)中，增值評(píng)價(jià)可以幫助教師了解學(xué)生在知識(shí)整合能力、問題解決能力以及批判性思維等方面的提升情況.此種評(píng)價(jià)不僅能夠反映出學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，還能揭示出跨學(xué)科學(xué)習(xí)對(duì)于學(xué)生綜合素養(yǎng)的實(shí)際提升效果.

2高中數(shù)學(xué)物理跨學(xué)科主題教學(xué)策略

2.1創(chuàng)設(shè)多元教學(xué)情境，深化跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)體驗(yàn)

在高中數(shù)學(xué)與物理的跨學(xué)科主題教學(xué)中，教師創(chuàng)設(shè)多元教學(xué)情境對(duì)于深化跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)體驗(yàn)起著至關(guān)重要的作用.一方面，高中階段的學(xué)生思維活躍，對(duì)新鮮事物充滿好奇，單一的講授式教學(xué)方式容易讓學(xué)生產(chǎn)生疲勞感和厭倦情緒，而多元的教學(xué)情境則能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性；另一方面，數(shù)學(xué)和物理是兩門緊密相關(guān)的學(xué)科，教師可以通過(guò)創(chuàng)設(shè)多元教學(xué)情境以打破學(xué)科界限，幫助學(xué)生理解學(xué)科之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力和創(chuàng)新能力.

具體教學(xué)實(shí)踐中，教師可以通過(guò)創(chuàng)設(shè)與物理知識(shí)相關(guān)的故事情境激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其在生動(dòng)的故事中體會(huì)數(shù)學(xué)與物理的融合.例如，開展湘教版高中數(shù)學(xué)必修第一冊(cè)“三角函數(shù)的應(yīng)用”一課教學(xué)時(shí)，教師可以講述物理學(xué)家惠更斯對(duì)“擺的運(yùn)動(dòng)”進(jìn)行研究的趣味故事：惠更斯在研究“擺的運(yùn)動(dòng)”時(shí)發(fā)現(xiàn)了擺的周期與擺長(zhǎng)之間的關(guān)系，進(jìn)而運(yùn)用三角函數(shù)來(lái)描述這一現(xiàn)象.學(xué)生通過(guò)這個(gè)故事不僅能了解到三角函數(shù)在物理學(xué)中的應(yīng)用，還能感受到數(shù)學(xué)與物理之間的緊密聯(lián)系.在此基礎(chǔ)上，教師可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題，如計(jì)算擺鐘的周期、分析擺動(dòng)的振幅等，從而加深對(duì)跨學(xué)科知識(shí)的理解和應(yīng)用.

進(jìn)一步地，在數(shù)學(xué)與物理的跨學(xué)科教學(xué)中，教師可以創(chuàng)設(shè)與物理知識(shí)相關(guān)的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題.例如，在講解“三角函數(shù)的圖象和性質(zhì)”時(shí)，教師可以創(chuàng)設(shè)如下問題情境：某簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖象如圖1所示，請(qǐng)根據(jù)圖象回答下列問題：

（1）此簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的頻率、周期與振幅分別是多少？

（2）請(qǐng)?jiān)囍鴮懗鲞@個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的函數(shù)解析式.

這個(gè)問題情境既涉及物理中的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)知識(shí)，又需要學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)中的三角函數(shù)知識(shí)來(lái)確定位移表達(dá)式.在此過(guò)程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生逐步分析問題，先從物理角度分析簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度等物理量的關(guān)系，再?gòu)臄?shù)學(xué)角度運(yùn)用三角函數(shù)的性質(zhì)來(lái)求解問題.此外，在數(shù)學(xué)與物理的跨學(xué)科教學(xué)中，教師可以利用多媒體創(chuàng)設(shè)與物理知識(shí)相關(guān)的情境，如通過(guò)動(dòng)畫、視頻等形式展示物理現(xiàn)象，讓學(xué)生直觀地感受數(shù)學(xué)在物理中的應(yīng)用.例如，在講解“三角函數(shù)的周期性”時(shí)，可以通過(guò)動(dòng)畫展示正弦函數(shù)的圖象隨著時(shí)間的變化而重復(fù)出現(xiàn)的過(guò)程，同時(shí)結(jié)合物理中的周期現(xiàn)象，如交流電的變化、聲波的傳播等，讓學(xué)生在直觀的視覺體驗(yàn)中理解周期性的數(shù)學(xué)原理和物理意義.這樣的教學(xué)方式不僅能夠豐富課堂表現(xiàn)形式，還能夠幫助學(xué)生建立起數(shù)學(xué)模型與實(shí)際物理現(xiàn)象之間的直觀聯(lián)系.

2.2布置項(xiàng)目學(xué)習(xí)任務(wù)，強(qiáng)化跨學(xué)科主題知識(shí)應(yīng)用

為進(jìn)一步鞏固學(xué)生對(duì)跨學(xué)科知識(shí)的理解，并促進(jìn)其將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技能，教師應(yīng)設(shè)計(jì)一系列富有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目學(xué)習(xí)任務(wù).以“三角函數(shù)的應(yīng)用”一課教學(xué)為例，教師可以以“指數(shù)函數(shù)在物理振動(dòng)模型中的應(yīng)用”為項(xiàng)目主題，引導(dǎo)學(xué)生探究物理學(xué)中振動(dòng)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)描述.為助力學(xué)生更好地完成該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)任務(wù)，教師可以將其劃分為以下五個(gè)子任務(wù)：

任務(wù)1：收集和分析物理振動(dòng)現(xiàn)象.要求學(xué)生通過(guò)查閱資料、觀察實(shí)驗(yàn)等方式收集不同類型的物理振動(dòng)現(xiàn)象，如彈簧振子、單擺、聲波等，并分析這些現(xiàn)象的共有特征和差異.

任務(wù)2：建立數(shù)學(xué)模型.在收集和分析物理振動(dòng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)建立描述振動(dòng)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型.例如，指導(dǎo)學(xué)生可以使用正弦或余弦函數(shù)來(lái)表示振動(dòng)的位移隨時(shí)間變化的關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)出振動(dòng)的周期、頻率以及振幅等關(guān)鍵參數(shù).

任務(wù)3：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析.鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手制作簡(jiǎn)單的振動(dòng)裝置，如自制彈簧振子或單擺，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)振動(dòng)的實(shí)際行為.同時(shí)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與之前建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比分析，探討模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值之間的偏差原因，這有助于學(xué)生深入理解理論與實(shí)踐之間的關(guān)系.

任務(wù)4：優(yōu)化數(shù)學(xué)模型.基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋，教師可以指導(dǎo)學(xué)生調(diào)整數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)，如修正摩擦力的影響、考慮空氣阻力等因素，使模型更加精確地反映真實(shí)物理系統(tǒng)的行為.此過(guò)程不僅能夠鍛煉學(xué)生的批判性思維能力，還有助于提高其解決復(fù)雜問題的能力.

任務(wù)5：成果展示與評(píng)價(jià).組織學(xué)生以小組形式準(zhǔn)備報(bào)告或演示文稿，向全班同學(xué)介紹自己在項(xiàng)目中的發(fā)現(xiàn)和心得，包括振動(dòng)現(xiàn)象背后的科學(xué)原理、建模方法、實(shí)驗(yàn)操作步驟及數(shù)據(jù)分析結(jié)果等.此外，還可以邀請(qǐng)其他學(xué)科的教師或?qū)＜覅⑴c評(píng)價(jià)，提供跨領(lǐng)域的視角和建議，幫助學(xué)生進(jìn)一步拓寬視野.

2.3完善教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制，保障跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)成效

為了確?？鐚W(xué)科主題學(xué)習(xí)的有效性和持續(xù)性，建立一個(gè)全面且科學(xué)的教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制至關(guān)重要.評(píng)價(jià)機(jī)制不僅要關(guān)注學(xué)生最終的學(xué)習(xí)成果，更要注重學(xué)習(xí)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)評(píng)估，以及學(xué)生在跨學(xué)科學(xué)習(xí)中的綜合素質(zhì)發(fā)展.具體來(lái)說(shuō)，可以從以下幾個(gè)方面著手完善.首先，傳統(tǒng)的紙筆考試雖然能夠衡量學(xué)生的知識(shí)掌握情況，但對(duì)于跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)而言，單一的知識(shí)點(diǎn)考核顯然不足以全面反映學(xué)生的能力.鑒于此，教師應(yīng)引入多樣化的評(píng)價(jià)工具，如項(xiàng)目報(bào)告、小組討論、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、自我反思日志等，這些工具能夠從不同角度考查學(xué)生的研究能力、團(tuán)隊(duì)合作精神、創(chuàng)新思維以及解決問題的能力.例如，在“指數(shù)函數(shù)在物理振動(dòng)模型中的應(yīng)用”這一項(xiàng)目結(jié)束后，除考核學(xué)生是否正確建立數(shù)學(xué)模型外，還應(yīng)考查其能否通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問題，以及能否在成果展示中清晰表達(dá)自己的思考過(guò)程和研究成果.其次，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具備明確性和可操作性.教師需制定詳細(xì)的評(píng)價(jià)量表，明確各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和評(píng)分細(xì)則，確保評(píng)價(jià)過(guò)程的公正性和客觀性.例如，在評(píng)價(jià)學(xué)生的項(xiàng)目報(bào)告時(shí)，可以細(xì)分為內(nèi)容完整性、邏輯性、創(chuàng)新性、數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性等多個(gè)維度，每個(gè)維度設(shè)定具體的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，以便學(xué)生了解評(píng)價(jià)的具體要求，有針對(duì)性地提升自己的能力.最后，教師應(yīng)注重形成性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合.形成性評(píng)價(jià)主要關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的表現(xiàn)，如參與度、進(jìn)步情況以及遇到問題的解決策略等，通過(guò)定期的反饋幫助學(xué)生調(diào)整學(xué)習(xí)策略，提高學(xué)習(xí)效率；終結(jié)性評(píng)價(jià)則是對(duì)學(xué)生在整個(gè)跨學(xué)科學(xué)習(xí)周期結(jié)束時(shí)成果的總體評(píng)價(jià).將兩者結(jié)合可以更全面地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)成效.

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本研究所提出的跨學(xué)科教學(xué)模式能夠打破傳統(tǒng)學(xué)科之間的壁壘，使得學(xué)生在一個(gè)更加綜合的視角下理解和應(yīng)用知識(shí)，不僅有助于學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率，還能夠增強(qiáng)其解決實(shí)際問題的能力.隨著教育技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會(huì)對(duì)復(fù)合型人才需求的增長(zhǎng)，跨學(xué)科教學(xué)將成為培養(yǎng)新時(shí)代學(xué)子不可或缺的一部分.期待更多教師能夠共同探索更多元化的教學(xué)方法，以適應(yīng)日益變化的教育環(huán)境.

參考文獻(xiàn)：

［1］李澤辰.高中數(shù)學(xué)與物理跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)研究：以函數(shù)為例[D].上海：上海師范大學(xué)，2024.

[2]劉金輝，杜思敏.數(shù)學(xué)、物理跨學(xué)科思維在化學(xué)解題中的應(yīng)用[J].中學(xué)生理科應(yīng)試，2020（12）：44-45.

[3]韓玥，曹海霞.加強(qiáng)數(shù)理融合思維考查凸顯高考評(píng)價(jià)體系內(nèi)涵：以2023年新高考全國(guó)卷數(shù)學(xué)、物理試題為例[J].中學(xué)教學(xué)參考，2023（35）：40-43.

［責(zé)任編輯：李慧嬌］

收稿日期：2024-12-25

作者簡(jiǎn)介：贠鋼，本科，高級(jí)教師，從事高中數(shù)學(xué)教學(xué)研究.

基金項(xiàng)目：甘肅省2024年大中小學(xué)課程教材專項(xiàng)研究課題“高中數(shù)學(xué)物理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)與實(shí)施策略研究”（項(xiàng)目編號(hào)：GSJC-Y2024342）.