基于學生自主創(chuàng)新實驗的“跨學科實踐”策略研究

潘書朋，湯金波

(1.玉皇中學，山東 萊州 261400；2.南京師范大學附屬中學樹人學校，江蘇 南京 210003)

目前,各學科邊界日益模糊，學科融合發(fā)展的態(tài)勢十分明顯. 各學科的交叉點往往就是學科新的增長點，不同學科通過相互影響、融合發(fā)展能夠解決復雜多變的應用型問題，從而創(chuàng)造出更加豐富多彩的超學科知識.

“跨學科實踐”是義務教育物理課程內容的重要組成部分，占總課時的10%，與4個一級主題(物質、運動與相互作用、能量、實驗探究)的內容密切相關[1]. “跨學科實踐”是基于2種或2種以上學科的核心概念和能力，以整合的方式在各學科之間建立聯(lián)系，學生通過把不同學科中學到的知識、技能和態(tài)度整合到一起，并且在解決問題的過程中加深對項目主題的理解，最終實現(xiàn)心智的轉換[2].

在“跨學科實踐”主題教學中，教師要創(chuàng)設具有綜合性、實踐性和開放性的真實問題情境，采用“學生自主創(chuàng)新實驗”的教學方式，讓學生運用多學科知識和方法解決問題，以不斷提升學生的問題解決能力和實踐創(chuàng)新能力. 本文基于物理學科知識特點和學生現(xiàn)狀，以物理學與日常生活、工程實踐、社會發(fā)展以及其他學科知識融合發(fā)展為例，嘗試探索“基于學生自主創(chuàng)新實驗的‘跨學科實踐’策略研究”. 通過多學科的交叉融合幫助學生解決各種應用型問題，鍛煉學生的科學思維，提升學生的科學探究和合作能力[3]，有利于培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng).

1 物理學與日常生活的融合

課程標準關于物理學與日常生活的內容要求有如下建議[1]：發(fā)現(xiàn)日常生活中與物理有關的實際問題，提出解決方案；運用所學知識分析日常生活中的安全問題，提出解決方案，踐行安全與健康的生活；運用所學知識指導和規(guī)范個人行為，踐行低碳生活，具有節(jié)能環(huán)保意識.

創(chuàng)新實驗1：不起霧的鏡子

黃梅季節(jié)，天氣又悶又熱，車上也很潮濕，開車時后視鏡總是起霧，造成一定的交通安全隱患(見圖1)，而老司機的后視鏡卻很少起霧. 為了探究此問題，設計了實驗進行真實情境模擬. 具體操作步驟如下：

1)準備1盆熱水，然后用洗潔精涂抹鏡子中央，涂抹均勻后用紙巾將洗潔精擦拭干凈.

2)將處理后的鏡子放置在熱水上方，片刻后可以清晰地觀察到鏡子的周圍被蒙上了水霧，而涂抹過洗潔精的部分沒有水霧.

圖1 起霧的后視鏡

普通鏡子的表面具有親水性，鏡子會起霧，是因為熱的水蒸氣碰到鏡子表面，遇冷放熱液化成小水滴. 洗潔精的主要成分是半親水半親油的活性劑，當洗潔精被擦到鏡子上時，親水部分與鏡子親和，親油部分則裸露在外表面，相當于給鏡子鍍上膜，使其不再親水，所以不會起水霧.

該實驗很好地體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會”的新課程理念，培養(yǎng)了學生的物理課程核心素養(yǎng). 在物理教學中，教師要努力創(chuàng)設真實問題情境，引導學生自主設計創(chuàng)新實驗，理論聯(lián)系實際，幫助學生提升探究能力并形成科學創(chuàng)新型思維.

2 物理學與工程實踐的融合

課程標準關于物理學與工程實踐的內容要求有如下的建議[1]：具有初步的工程設計和制作技能，能把自己的創(chuàng)意做成作品；調查物理學在工程技術中的應用，體會物理學對工程技術發(fā)展的作用；了解物理學在信息技術中的應用，能利用信息技術手段輔助學習.

創(chuàng)新實驗2：用磁懸浮和傳感器研究真空不能傳聲[4]

“探究真空不能傳聲”是在實驗基礎上通過推理得出結論的理性化實驗，傳統(tǒng)實驗中存在如下弊端：a.抽氣機的噪聲大、干擾大；b.電鈴放在底座上，會通過底座傳聲. 導致實驗效果并不理想從而影響學生的認知. 針對傳統(tǒng)實驗中的問題，進行如下改進：

實驗器材：磁懸浮展臺、硬塑料罐、藍牙微型揚聲器、冰箱壓縮機、壓強傳感器、帶實驗軟件的計算機、智能數(shù)字實驗盤.

實驗步驟：

1)按圖2所示將裝置連接好，放置在安靜的環(huán)境中.

2)打開智能數(shù)字實驗盤，同時打開計算機中的實驗軟件，用冰箱壓縮機抽氣，觀察聲強與氣壓的關系.

3)根據(jù)軟件記錄的圖像進行分析和推理.

圖2 實驗裝置

改進后的創(chuàng)新實驗有如下優(yōu)點：

1)使用冰箱壓縮機抽氣時，噪聲小、對實驗影響小；

2)使用磁懸浮展臺可以實現(xiàn)發(fā)聲體脫離底座懸浮，避免固體傳聲；

3)運用傳感器，實驗數(shù)據(jù)精準，可以直接通過數(shù)字化信息系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)得出圖像，實驗結論更有說服力.

采用傳感器等進行數(shù)字化信息系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，具有實驗過程可視化、實驗設計重點化、數(shù)據(jù)采集和處理智能化、教學過程現(xiàn)代化的特點，已經成為中學物理實驗探究教學的技術支撐，也是中學物理實驗面向現(xiàn)代化，提升實驗檔次的重要途徑.

3 物理學與社會發(fā)展的融合

課程標準關于“跨學科實踐”主題的要求有如下的建議[1]：能體會物理學對人類生活和社會發(fā)展的影響；樂于思考與實踐，敢于探索，勇于創(chuàng)新，進一步增強安全意識、踐行健康生活；具有節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的責任感.

創(chuàng)新實驗3：研究天然氣燃燒后是否產生溫室氣體[5]

實驗器材：隔熱手套、燒杯、澄清石灰水[主要成分為Ca(OH)2].

實驗步驟：

1)使用天然氣灶臺點火，并把火焰調至最小.

2)戴上隔熱手套，將干燥的燒杯罩在火焰上方，稍后可觀察到燒杯內壁出現(xiàn)小水珠，說明有H2O生成.

3)取下燒杯，擦干燒杯內壁上的水珠，再將少量的澄清石灰水倒入燒杯內，充分搖晃后倒掉，此時燒杯壁上有殘留的石灰水.

4)再將此燒杯罩在火焰上方，觀察到燒杯上的澄清石灰水水滴變渾濁，說明有CO2生成.

結合化學知識，天然氣的主要成份是CH4，燃燒時會產生H2O和CO2. H2O可以利用液化的方法顯示，CO2可以利用澄清石灰水來檢驗[CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O]. 其中CO2是溫室氣體，大量使用化石能源，會向大氣中排入大量的CO2，導致全球氣候變暖[5].

課程標準在“物理學與社會發(fā)展”主題內容中有“分析能源的開發(fā)利用與可持續(xù)發(fā)展的問題，收集資料并舉辦報告會，討論能源對環(huán)境的影響，結合對當?shù)噩F(xiàn)狀的調查，提出應對建議.”因此，學生在學習“能源的使用對環(huán)境的影響”時，教師可以引導學生進行“研究天然氣燃燒后是否產生溫室氣體”的自主創(chuàng)新實驗.

4 物理學與其他學科的融合

4.1 初中物理與學科德育的融合

學科德育是落實立德樹人根本任務的直接體現(xiàn)，源于創(chuàng)新德育途徑和提升教學價值的需要，從根本上破解智德分離、智情分離的問題. 集德育內容目標和教學規(guī)律為一體的學科德育，是嶄新的教學實踐活動，能夠終結“教書”和“育人”的分離. 從“學科教學”轉向“學科教育”，突出教學的育人價值，提高課堂教學品質，發(fā)展學生的核心素養(yǎng)，實現(xiàn)從“做題”“做事”向“做人”的課堂教學價值取向的轉變.

創(chuàng)新實驗4：自制欹器[6]

水滿則溢，月圓則缺，這是常見的自然現(xiàn)象，從這些自然現(xiàn)象中，先哲們悟出了深刻的人生道理：滿招損，謙受益. 為此，魯國的有識之士在魯桓公的廟中安裝了欹器(圖3)，藉此警示后人“虛則欹，中則正，滿則覆”.

圖3 古代欹器

為了感悟古人的智慧，領略科學的魅力，利用礦泉水瓶自制簡易欹器. 具體操作如下：

1)在空礦泉水瓶靠近底部的位置，左右各扎1個小孔，并用細線系好，瓶口向下，然后向瓶中加入少量紅色液體，可觀察到瓶口向上豎立起來，稍微有點傾斜.

2)繼續(xù)加水，可觀察到瓶子穩(wěn)穩(wěn)地豎立[見圖4(a)].

3)在此基礎上繼續(xù)加水，則瓶子不再穩(wěn)定，而是發(fā)生傾斜導致瓶口向下，瓶內的水全部流出[見圖4(b)].

(a)豎立

最初沒有加水時，空礦泉水瓶倒立著. 加入少量水之后，整個瓶子的重心在礦泉水瓶的下部，所以瓶口在上方豎立起來并逐漸穩(wěn)定. 當水量逐漸增加，重心逐漸上移，瓶子則不再穩(wěn)定，當瓶中的水量增加到一定量時，重心過高使瓶子發(fā)生傾斜，從而導致瓶中的水流出.

該實驗引導學生認識到：不學無術，腹中空空，就不能自立；只有不斷學習，掌握知識，才能立得穩(wěn)、站得直；學無止境，不能自滿，自滿就會跌倒，前功盡棄.

類似于“欹器”這種翻斗式的容器已被廣泛應用，例如礦山的礦車，廁所里定時沖洗的翻斗，氣象觀測雨量計內的計量容器，等等，都是根據(jù)這種構思設計的. 課后，教師可讓學生查閱相關資料，了解這些翻斗式容器的工作原理，并嘗試利用身邊的器材設計幾個有創(chuàng)意的小制作來說明“重心越低越穩(wěn)定”的道理.

新時代的德育，要用中國傳統(tǒng)文化、革命文化和社會主義先進文化引導學生厚植愛國主義情懷，樹立強國之志[7].

4.2 初中物理與藝術教育的融合

著名美學家蔣勛曾說：審美水平的高低，決定了競爭力的水平. 因為審美不僅代表整體思維，也代表細節(jié)思維. 給學生最好的禮物就是培養(yǎng)其審美能力. 音樂、美術都屬于藝術范疇，其功能不在于培養(yǎng)學生成為藝術家，而是在傳播美的過程中，培養(yǎng)學生審美的高雅情趣. 體育在帶給學生健美體魄的同時，還能磨練學生的意志品質，讓其更具活力和創(chuàng)造力.

4.2.1 設計并制作樂器

音樂，是最古老的藝術之一，廣泛應用于各種場合. 古代，人們用動物的毛發(fā)制作弦樂器，用骨頭制作哨子，用動物的角制作喇叭. 如今，樂器已改用木材、黃銅、銀和尼龍等來制作. 教材中的“聲現(xiàn)象”探討了聲音的性質，學生能從課本中學習到聲音是如何產生和傳播的. 為了加深學生對聲音的理解，設計了如下實驗.

實驗目的與要求：利用身邊的物品設計簡單的樂器；制作并修改樂器；用制作的樂器演奏1首曲子.

實驗內容：

1)學習本章內容，并準備樂器的制作.

2)為了按時完成樂器的制作，進度安排如下：

a.學習完第1節(jié)課本知識后，尋找能夠發(fā)聲的材料.

b.學習完第2節(jié)課本知識后，收集擬制作樂器的材料.

c.學習完第3節(jié)課本知識后，設計并且制作樂器.

d.學習完第4節(jié)課本知識后，測試制作好的樂器，修改并多次校準.

e.用制作好的樂器，練習演奏樂曲.

在學完“聲現(xiàn)象”后，教師組織學生在課堂上展示自制的樂器，讓學生描述樂器的制作過程，分享設計中遇到的問題及其解決方案，并演示自制的樂器.

在物理教學中融合藝術教育的元素不僅能夠豐富學生的生活內容，提高學生的生活品質，還能讓學生具有更豐富的想象力和創(chuàng)造力以及更強的生命活力. 因此，加強體育和美育(主要是音樂、美術)教育是提高國民綜合素質的重要途徑.

4.3 初中物理與化學學科的融合

化學同物理一樣，也是以實驗為基礎的自然科學. 實驗教學是培養(yǎng)學生科學探究能力、科學思維能力和動手能力的有效途徑. 物理、化學都與生產、生活密不可分，如果在教學中將二者融合，可以給學生展示更加豐富的實驗現(xiàn)象，活躍課堂氣氛，使學生感受理化世界的奇妙與和諧，加深學生對課本知識的理解，培養(yǎng)其科學精神.

創(chuàng)新實驗5：空氣的浮力[8]

在學習“浮力”內容時，設計了創(chuàng)新實驗證明空氣浮力的存在，實驗如下：

實驗器材：托盤天平、薄荷糖、氣球、可樂瓶、砝碼、皮筋.

實驗步驟：

1)將托盤天平放在水平桌面上，調節(jié)平衡.

2)將裝有薄荷糖(2粒)氣球的出氣口與裝有可樂的瓶口相連，并用皮筋纏緊(避免薄荷糖掉入可樂中)，再將其放在天平的左盤[圖5(a)].

(a)薄荷糖未掉入瓶中 (b)薄荷糖掉入瓶中圖5 空氣浮力實驗

3)在天平的右盤增減砝碼，移動游碼，直到天平再次平衡.

4)將氣球中的薄荷糖迅速倒入可樂中，觀察到可樂迅速“沸騰”，瓶內產生大量氣泡，隨后氣球迅速膨脹[圖5(b)]，天平左盤升高，刻度盤中間的指針向右偏轉.

薄荷糖與可樂發(fā)生化學反應，產生的大量CO2充滿氣球，天平失去平衡驗證了空氣浮力的存在.

“驗證空氣浮力的存在”是課堂教學的拓展實驗，該實驗能夠培養(yǎng)學生的發(fā)散思維，并提高學生的動手能力. 在實驗設計時，將物理、化學知識進行結合，符合新課標“跨學科實踐”的課程理念.

在生活中用心觀察、思考可以學到書本上學不到或理解不深入的知識，把理化知識應用于實踐，并不斷進行改進，能夠增強學生的理解能力和創(chuàng)新能力.

5 結束語

“跨學科實踐”具有情境性、實踐性和社會性等特征，是一種解決實際問題的實踐活動，與日常生活、工程實踐及社會熱點問題密切相關. 本文旨在提高學生跨學科應用知識的能力、分析和解決問題的能力、動手實踐的操作能力，培養(yǎng)學生積極認真的學習態(tài)度和樂于實踐、勇于創(chuàng)新的精神. 教師在認真研讀《義務教育物理新課程標準》，梳理物理學科知識特點以及分析學生現(xiàn)狀的基礎上，采用形式多樣的教學策略，在具體應用情境中突破學科邊界，使物理學與日常生活、工程實踐、社會發(fā)展以及其他學科知識融合，促使學生在多元化環(huán)境中探索科學知識，實現(xiàn)學生在課堂學習中的主體性，鍛煉學生的科學思維，提升學生的科學探究能力和交流合作能力，培養(yǎng)學生適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展的價值觀和必備品格.