高中物理學習中跨學科思維的培養

摘 要：“跨學科學習”可以促進人的創造力和創新精神的發展，而創造力和創新精神是人們在信息時代的最高核心素養，在要求全面提升學生的學科核心素養的前提下，開展“跨學科學習”就顯得尤為重要。

關鍵詞：跨學科學習; 物理; 數學; 歷史; 信息技術

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

《普通高中課程改革方案（2017年版）》為高中各門學科研制了“學科核心素養”，這意味著我國已經向構建信息時代普通高中課程體系進發，課程與教學的核心追求是信息時代學生素養的發展。為了實現這一價值訴求，就需要我們改革當前普通高中的教育實踐。而在信息時代中，創造力和創新精神是信息時代最核心的素養之一，為促進創造力和創新精神的發展，“跨學科學習”成為教育改革的重要內容和發展趨勢。

美國哈佛大學鮑克斯曼斯勒教授將“跨學科學習”作出如下界定：跨學科學習是個人和群體將兩個或兩個以上學科或已確立的領域中的觀點和思維方式整合起來的過程，旨在促進其對一個主題的基礎性和實踐性理解，該理解超越單一學科的范圍。就是說，跨學科學習者需要通過自己已有的技術和工具，將所獲得的資料、信息、概念，用兩個或兩個以上學科的觀點和理論加以整合，創造性地解釋現象或解決問題。我們可依據學科之間的整合程度和特性，將廣義的“跨學科學習”區分為三類：“多學科學習”“跨學科學習”（狹義）與“超學科學習”。因幼兒園和小學階段，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“超學科學習”為主，伴隨兒童年齡增長，到了初中和高中階段，在幫助學生開展學科探究、發展學科理解的同時，就要滲透“多學科學習”和“跨學科學習”，同時使“超學科”探究不斷升華。

本文以高中物理為例，談談如何在教學中開展“跨學科學習”。

一、高中物理與數學學科的整合

《普通高中物理課程標準（2017年版）》中指出，物理學基于觀察與實驗，建構物理模型，應用數學等工具，通過科學推理和論證，形成系統的研究方法和理論體系。所以，高中物理和數學的整合在教學過程中是非常重要的，是學生學習時必須要重視的。

1.函數圖像中的斜率在電學中的應用

在數學中，圖線的斜率表示函數的變化率，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系很多是線性的，所以，在物理函數圖像中，直線的斜率往往能反映物質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，然后可通過函數關系U=E-Ir，結合U-I圖像的數據，可以得出電源的電動勢和內電阻。這里就用到了數學中函數圖像的斜率和截距的知識。

2.三角函數在力學中的應用

三角函數是高中物理學習過程中的必備工具，高中物理中許多問題的解決都需要用到三角函數的知識來處理，三角函數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與實際應用聯系提供了平臺。有的問題當中還不能直接通過三角函數就能處理問題，這就需要通過三角的轉換才能將問題解決。

例3：為使雨水盡快離開房屋的屋頂面，屋頂的傾角設計必須合理。某房屋示意圖如圖所示，設屋頂面光滑，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動的應用

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

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

（1）求磁感應強度大小B;

（2）入射速度為5v0時，求粒子從O運動到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動中來，能畫出圓弧運動的軌跡。

可見，平面幾何中圓的知識在解決帶電粒子在磁場中運動的問題是非常重要的。

二、高中物理與歷史學科的整合

高中物理學科核心素養中提到，在教學中要培養學生基于事實證據，運用科學推理，對不同觀點和結論提出質疑和批判，檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力。而教師通過物理學史也可以帶領學生研究科學的思想方法，以及科學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容更加生動，也有利于學生發展科學思維，提升學習能力。

在“行星的運動”一節的教學中，學生通過開普勒定律的學習已經否定了行星的運動軌跡是圓，而應該是橢圓的。但在處理行星運動問題時都是用圓軌道來代替橢圓軌道，學生的心里肯定有很大的疑惑，此時，物理學史就可以使學生順著科學家的思維軌跡得到解答。

從最初的日心說或地心說，都認為運動軌道是完美的勻速圓周運動，到天文學家第谷連續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據的基礎上，經過多年繁瑣的計算，否定了近20種設定的軌跡，最后才發現火星的運動軌跡是橢圓，進而發現每個行星圍繞太陽的運動軌跡都是橢圓。

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

奧斯特發現的電流磁效應證實了電現象與磁現象是有聯系的，當時不少科學家通過進一步的研究發現，通電導線能使磁針發生偏轉，是因為受到了力的作用，這種力的作用來自電荷的流動。電流的磁效應引發了科學家的對稱性思考，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識上的錯誤，實際上他已經通過銅環實驗觀察到了電磁感應現象，但遺憾的是，安培并沒有意識到這一實驗的科學意義，他被分子電流說迷失了眼睛，看不到線圈通電瞬間銅環內產生的宏觀感應電流，因而失去了發現電磁感應的機會。

瑞士物理學家科拉頓則“跑失良機”，科拉頓的實驗裝置設計得完全正確，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。英國科學家法拉第則比安培和科拉頓幸運得多，雖然法拉第也經歷了十幾年的實驗探索，但最后通過一個偶然的現象發現了電磁感應，他把兩個線圈繞在同一鐵環上，一個線圈接入能反映電流的儀器，當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，感應電流的形成不是靜態下的，而是在動態下產生的。

電流周圍產生磁場這個是靜態的、穩定的，當時的人們雖然從逆向思維上猜想磁也應該能生電，但科拉頓、法拉第開始都沒有創造性地從靜態的、穩定的向動態的、暫時的觀念上轉變，或者說，他們沒有對磁生電也是靜態的、穩定的提出質疑，導致了遲遲不能發現電磁感應，假如有這樣的質疑和創新，電磁感應的發現可能還要早很多年。借古鑒今，通過這樣的有關電磁感應的物理學史的學習，相信學生會得到啟示的。

三、高中物理與信息技術的整合

信息技術在人們的生產生活中越來越廣泛地滲透到各個領域，在物理教學方面表現在：將現實中不易被觀察的現象在課堂上清晰地表現出來;在比較復雜的過程通過技術手段變得簡單化等等，在物理學科與信息技術整合的過程中，合理運用技術媒體的功能，建立一種新型的師生關系，促進師生之間的情感流動，協調好學生智力、興趣和情感等各方面因素，以此提高學生的科學素養。

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據，再通過計算機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動。

通過數據采集器采集到力的大小數據，再經數據處理軟件處理得出圖形，點擊鏡像按鍵，得到圖像，發現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中，前一質點通過介質帶動后一質點，依次在平衡位置附近上下振動，從而形成了波動，對于這一運動形式，看慣了直線運動、曲線運動的學生還是感到比較抽象的，而通過信息技術就可以將這一抽象的運動形式清晰地展示在學生面前。

將波的傳播過程通過信息技術進行動作分解后，將幾個特殊時刻的波形圖呈現出來，就能清楚地將這一運動展現在學生面前。這樣學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，而質點并未隨波逐流。

知識原本不分學科，也無學科界限。“跨學科學習”不僅體現學科發展的綜合創新趨勢，而且在培養學生的“跨學科理解力”和綜合創造力方面邁出重要步伐。而持續開展基于項目的跨學科深度學習，讓學生在發展“跨學科理解力”的過程中運用學科思維，實現學科理解與跨學科理解，這是“跨學科學習”的目標。

參考文獻：

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