基于學生物理學科核心素養培養的學科交叉融合研究

賀向向　熊建文

[摘? ?要]“提升科學核心素養，滿足全體學生終生發展的需求”是物理課程教學最終要實現的目標。從物理走向社會、注重科學探究、注重學科滲透，關注科技發展、面向全體學生，提高學生核心素養是高中物理教育的基本理念。研究者通過對學科交叉融合進行可視化分析，呈現了目前學科交叉融合的研究現狀，闡述了中等教育中的物理與通用技術融合的必要性及其對物理學科核心素養的促進作用，并基于通用技術課程的特點，提出了“六步式教學模式”，以實現學生物理學科核心素養的提升。

[關鍵詞]學科交叉融合;物理學科核心素養;教學策略

學科交叉融合是科學發展的必然。目前，我國新增交叉學科并將其作為第14個學科門類。可見交叉學科的研究已成為我國教育發展的一個趨勢，同時也說明學科交叉融合的重要性。美國學者凱西（B. A. Casey）指出，學科就像海洋中的島嶼，需要通過學科交叉形成新的群島式學科模式，“新的島嶼式學科模式”不是多個學科島嶼的羅列，而是各學科島嶼中知識與思維模式相整合的創造產品。[1]可見，各學科相互融合可將相互聯系、相互作用的各要素構成統一整體，使知識整體化、系統化;同時不同學科交叉融合可打破壁壘森嚴的學科界限，讓學生“能走出去”，又“能融進來”?！澳茏叱鋈ァ笔侵笌熒几矣诳邕^學科界限、打破學科壁壘;“能融進來”是指師生都能將其他學科知識、思維、方法、技能帶進來并應用于本學科。這在培養學生核心素養、實現學生終生發展與社會發展、為社會塑造綜合性與創新型人才等方面具有不可或缺的作用。本研究將從中等教育出發，以物理學科與通用技術融合為例，闡述學科交叉融合對中學生物理學習以及培養學生物理學科核心素養的幫助。

一、問題的提出

目前，我國關于學科交叉融合的研究主要集中在高等教育，并在塑造綜合型人才方面取得了很好的成效。[2-4]中等教育越來越重視學生核心素養的提升，基于學科交叉融合在高等教育中的研究成效，筆者認為將學科交叉融合的思想應用于中等教育可對學生核心素養的提升有所幫助。為更直觀地了解我國目前關于“學科交叉融合”的研究現狀，本研究以“學科交叉融合”為主題，基于CNKI數據庫，限制期刊來源類型分別為核心期刊、SCI、CSSCI進行檢索，共檢索到191篇期刊文獻，剔除相關度偏低的期刊文獻，確定了184篇與學科交叉融合主題高度相關的文獻。對這184篇期刊文獻進行文獻量化統計分析，利用可視化知識圖譜軟件CiteSpace進行關鍵詞聚類分析，可了解目前學科交叉融合在我國的研究現狀。

為挖掘近年來學科交叉融合的研究動向，借助CiteSpace軟件對以上184篇期刊文獻進行關鍵詞聚類分析。選擇時間跨度為2001—2020年，時間切片為1年，設置閾值（Threshold）c、cc、ccv分別為（2，4，24;4，2，25;2，3，25），選擇尋徑網絡分析（pathfinder ）后，得到模塊值Modularity Q=0.5278>0.3，平均輪廓值Mean Sihouette=0.5825> 0.5，表明本研究的可視化聚類效果合理并具有一定說服力（見圖1）。

從圖1可以判斷：目前有關學科交叉融合的研究集中在交叉融合、學科交叉、新工科三個方向。這三個方向的研究主要從高等教育出發論述學科交叉融合對綜合性人才培養的重要性，并面向高等教育工程型人才的培養。從年輪大小以及學科交叉融合高頻研究關鍵詞統計表（見表1）可見：其一，通過多學科交叉融合的方式培養人才的研究具有很高的中心性，但出現的頻次較少，說明以人才培養為出發點的研究是目前研究的熱點，但仍需要更多學者投入研究;其二，近幾年關于學科交叉融合的研究主要集中在新工科背景下以多學科交叉融合為導向培養科學與技術共兼的雙向型人才的大學生、研究生，廣大研究者試圖在大學課程設置中通過產教融合的方式探究學科建設，促進學科發展，建立一流大學，進一步提升學生的科學素養，為社會塑造創新性復合型的科技人才;[5-10]同時由burst值可知，學科交叉融合將會成為培養創新科技人才的重要途經。

綜上所述，學科交叉融合已成為高等教育發展學科與培養人才的研究熱點，同時“新工科”的研究反映了科學與技術融合對人才綜合素養的培養有不可或缺的作用。從聚類圖中還可觀察到，在中等教育中學科交叉融合的研究數量甚少。因此，本研究嘗試從高中教育出發研究學科交叉融合。

二、高中物理與通用技術交叉融合的必要性

物理與通用技術融合可強化學生的物理核心素養。物理學科核心素養包括基于理論素養的“物理觀念”、基于方法論素養的“科學思維”、基于實踐素養的“科學探究”、基于品格素養的“科學態度與責任”。[11]通用技術課程中的許多知識與物理學有緊密聯系，在技術的使用中也不可避免地貫穿著許多物理原理以及方法。融合通用技術可以更好地強化學生的物理核心素養。例如普通高中課程標準實驗教科書《通用技術（技術與設計2）》中“結構與設計”一章，重點從物理學科中力學的角度分析了作用在物體上的各種力。在分析物體所受的力時，不僅分析了構件上的受力情況，而且對構件進行了承載能力的分析，即力對構件安全可靠性功能的分析;同時，還從力學架構與形態方面介紹了結構的基本類型，聯系生活中的常用工具（傘、自行車、起子），分析了不同力的作用位置及其對結構的穩定性、強度、功能的作用。因此，“結構與設計”一課試圖引導學生將在物理學中所學的“力”應用于生活實際，讓學生經歷受力分析、力的作用、力的功能等學習過程，以促進學生深度理解并掌握力學概念及力的相互作用。

此外，通用技術課程中的大多數內容以項目設計的方式呈現，要求學生基于所學的物理知識及其他知識完成設計。整個設計過程可以強化學生的科學思維、工程思維以及科學探究能力。如普通高中課程標準實驗教科書《通用技術（技術與設計1）》中詳細介紹了技術設計的思路與流程。設計的一般過程包括：發現和明確問題，制定設計方案（包括收集信息、設計分析、方案構思、方案呈現、方案篩選），制作模型或原型，測試評估及優化，編寫產品說明書。整個設計過程可實現教、學、評的有機統一，強化學生的手腦并用與知行合一，鍛煉學生的問題意識、思維能力、探究能力、創造能力。例如，該教材中的“小臺燈的制作”一課，一名學生通過觀察日常生活以及詢問法發現小臺燈存在不足，提出了“什么樣的臺燈才適合學生使用”這一問題，并以小組為單位展開了分組調查，以明確問題的價值。在明確問題的過程中，需要學生考察市場上小臺燈的結構造型、質量大小、制作材料、照明功能與技術指標。這些均需要學生有一定的物理知識。這一過程既可強化學生的物理知識，又可使他們從不同角度思考問題。培養學生的問題意識、開拓學生的思維并培養學生的批判性思維。此外，制作小臺燈的設計方案以及制作模型或原型等整個過程，需要學生從所得資料中發掘有用數據、篩選最優方案、尋求有效的制作方法等，由此繪制臺燈草圖，再根據草圖制作臺燈模型或原型。這一過程可培養學生建構理想模型的意識與能力。最后，還要以小組為單位從材料、體積、成本、造型、結構等方面測試評估所制作的模型，并進一步優化模型，編制產品說明書。整個臺燈制作過程不僅涉及了許多物理知識，而且其設計流程與物理學中的科學探究過程類似，有利于培養學生團結合作、尊重他人、實事求是、保護環境、節約資源的意識。由此可見，通用技術與物理學科的整合可加深學生對“科學·技術·社會·環境”關系的理解，培養學生的物理觀念、科學思維與探究、科學態度與責任等物理學科核心素養。

三、兩學科知識交叉融合的歸納與教學案例

為了更直觀地體現物理與通用技術知識間的相互融合，在此將整合兩門學科交叉融合的知識點（主要以技術與設計1為例）。在分析通用技術內容中蘊涵的物理知識時，僅對最主要的方面進行舉例分析，如圖2所示，左側為通用技術學科的內容（包括章節主題、案例分析、小試驗），右側為所涉及的物理知識舉例。

為了更好地培養學生物理學科核心素養，在基礎知識層面，不應僅將兩學科的知識進行簡單融合，而是應有側重點，立足物理核心素養，明確知識融合的目的。在科學探究層面，結合通用技術設計過程的優點升華物理科學探究過程，以求在科學與技術融合的基礎上更好地促進學生的科學思維、科學探究能力以及形成對科學與技術應有的正確態度與責任感。表2列舉了幾項通用技術與物理知識融合的方式。

四、兩學科融合落實物理核心素養的建議

1.打造雙師型師資團隊

師資團隊的建設直接決定著教學質量以及人才的培養。內格爾（Nagle， B.）指出，中學實施跨學科科學教學面臨的主要困難是教師欠缺跨學科的課程意識和教學理念。因此，為了培養學生的物理核心素養，首先要強化師資團隊，以解決跨學科教學的困境。調查發現，目前許多學校高中通用技術課程教學主要是由物理教師承擔的，但這部分教師缺乏通用技術課程的理論知識，甚至不具備技術操作能力。這就需要學校組織承擔跨學科教學的物理教師進行專門的通用技術課程教育培訓，保證這部分教師擁有扎實的通用技術學科基礎知識以及較強的技術操作能力與素養，打造雙師型師資團隊。

學?？善刚埦哂须p師型能力的專家來校講座，指導教師，或利用網絡平臺組織物理教師學習通用技術課程。通用技術課程包含許多跨學科知識（物理、生物、化學、地理、政治等）組織物理教師學習通用技術課程，在強化基礎知識的同時拓寬知識面。要求教師在學習的過程中嘗試尋求跨學科中共通點，學會組織整合兩門課程。首先在課程內容講述中互相滲透，其次在教學模式中嘗試創新。同時學校應鼓勵教師“走出去”。學?？膳c企業、工廠等達成聯合培養協議，給予物理教師走向工廠、企業、車間等場所學習通用技術的相關理論與實踐知識的機會。例：鼓勵教師走進工廠學習木工、金工等工具的使用以及去企業培訓學習3D打印機的使用、簡易機器人的制作、電子控制技術等，實現雙師型教師的培養。優秀的雙師型師資團隊的建設可更好的引領學生的跨學科教育，在兩門學科基本知識與方法互通中一方面提升學生的物理學科核心素養，另一方面提升學生的技術素養，為打造綜合型人才以及立德樹人做鋪墊。

2.優化教學流程

為了實現學生“能走出去，又能融進來”的目標，以及通過打破學科壁壘較好地提升學生的物理學科核心素養，筆者設計了如下教學流程，共分為六步，簡稱“六步式教學模式”。以“鉆木取火”為例。第一步，教師主導，提出問題。教師將通用技術中“鉆木取火”的技術操作科學化，通過教師主導提出問題的模式進行引課，在演示“鉆木取火”實驗時引發學生思考其工作原理涉及的物理知識，引導學生從科學的視角觀察問題。第二步，為學生發放“鉆木取火”的材料，探究并分析其中所涉及的摩擦生熱的物理知識。主動探究可提高學生分析問題與解決問題的科學探究能力，并在分析過程中強化物理知識。第三步與第四步，組織學生以小組為單位利用摩擦力、分子內能、能量轉化等物理知識解釋“鉆木取火”的工作原理，最后整理摩擦力、分子內能、能量轉化等知識。這兩個步驟可培養學生利用科學知識解釋實驗現象的能力及與他人合作的品質，強化學生的科學思維。第五步，課堂練習，鞏固提高。教師可將技術知識物理化，既可避免技術課程教學內容的空洞性，又可弱化物理知識的抽象性。將技術課程與物理學課程內容相結合，可進一步強化學生的物理學科核心素養及技術素養。例如，設計“羅列出鉆木取火實驗中的物理知識”“整理各個知識的概念并解釋其工作原理”等任務。第六步，信息反饋，反思小結。學生進行自評或互評，反思所學內容并向教師提出教學建議，師生共同優化課堂。整個過程可實現物理知識與通用技術知識的融合，利用通用技術課堂以及技術課程強化學生物理核心素養。

綜上所述，物理與通用技術有許多交叉融合的知識點，二者融合既能體現中學階段科學與技術的融合，也能在互融互通中相互促進?！傲绞浇虒W模式”體現了學生的主體地位，實現了教、學、評三位一體化，對學生核心素養的提升有促進作用。特別需要提出的是，學校應注重雙師型教師隊伍的建設，學校應與工廠、企業建立更多合作，為跨學科融合提供更多機會。

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（責任編輯 郭向和? ?校對 姚力寧）

作者簡介：賀向向，華南師范大學物理與電信工程學院博士研究生，E-mail：381825264@qq.com（廣東廣州，510006）

熊建文（通訊作者），華南師范大學物理與電信工程學院教授，E-mail：jwxiong@scnu.edu.cn（廣東廣州，510006）