“還原”物理課程的跨學科實踐邏輯

母小勇

（上海師范大學教育學院，上海 200234）

《義務教育物理課程標準》完成了第2 次修訂，教育部于2022年正式頒布.2022 年版《義務教育物理課程標準》把“跨學科實踐”作為課程內容的一級主題之一，確立了“物理學與日常生活”“物理學與工程實踐”“物理學與社會發展”等3個二級主題.2022 年版《義務教育課程方案》要求“跨學科實踐”教學時間占總課時的10%.顯然，跨學科實踐不是可以在物理教學中隨意取舍的“水課”，而是有助于學生探究物理學與應用物理學，發展學生核心素養的重要抓手.物理學來源于人類實踐，生活實踐、生產實踐與社會實踐構成了物理學探究與應用的場域.人為的學科之間必然存在著藩籬，而人類實踐卻始終遵循跨學科邏輯.學科本位課程必然使學生的學習成為接受知識、背誦知識與套用知識的過程.基礎教育課程改革正致力于將學生的學習盡可能“還原”為人類實踐活動，讓學生“重演”人類知識的探究活動與應用活動.中學物理課程應盡可能“還原”實踐的邏輯，通過探究型跨學科實踐、應用型跨學科實踐和升華型跨學科實踐，促進學生核心素養發展.

1 人類實踐：物理學發展的源泉

實踐是人類同現實世界進行有目的的、復雜的但有時又不可理喻的相互作用過程.眾所周知，“動物僅僅利用外部自然界，單純地以自己的存在來使自然界改變；而人則通過他所作出的改變來使自然界為自己的目的服務，來支配自然界.這便是人同其他動物的最后的本質區別，而造成這一區別的還是勞動.”［1］人類實踐或勞動的目的是探索、認知、干預與改造現實世界，以保證人類自身的生存與發展.人類實踐包括生活實踐、生產實踐、社會實踐與科學實踐等4種類型，四種類型的實踐，互為場域，相互影響.實踐不僅造就了物質形態的文化，還產生了知識、思想、觀念和意識等精神形態的文化.“思想、觀念、意識的產生最初是直接與人們的物質活動，與人們的物質交往，與現實生活的語言交織在一起的.觀念、思維、人的精神交往在這里還是人們物質關系的直接產物”.［2］為了滿足生活實踐、生產實踐與社會實踐的需要，人們在生活、生產與社會中有目的地開展科學實踐，并在其中應用所發現的知識、方法、思想和觀念.作為科學實踐，與物理學相關的探究活動與應用活動，都發生在生活、生產與社會所提供的場域；推動物理學發展的動力，也來自生活實踐、生產實踐與社會實踐.這正是2022 年版《義務教育物理課程標準》確立“物理學與日常生活”“物理學與工程實踐”“物理學與社會發展”等3個跨學科實踐二級主題的根本原因.

物理學從誕生之時就與人類日常生活密切關聯.一方面，物理學探究活動都緣起于人類對現實生活中遇到的各種物理現象的疑惑，好奇心與求知欲驅使人們在生活中探索物理學知識.晝夜、季節與氣候等的變化，雷電、虹霓與海市蜃樓等自然現象，都激發人們去探究.中國早在殷代甲骨文里就有虹的記載，唐初的《禮記注疏》則粗略地揭示出彩虹的光學成因；根據天體周而復始運動的現象，古希臘人認為“太陽、月亮和行星都在一些以地球為中心的同心球殼中運動”，［3］這一宇宙模型后來發展成為“地心說”.另一方面，當人們在生活中遇到解釋不了的奇異現象，總會嘗試用已知的物理學知識去分析，這既促進了物理學發展，又使人們的生活變得更加智慧.劃過兩極地區上空耀眼的極光，讓人產生無盡的遐想，人們最終清楚，它是因帶電粒子流受到地球磁場產生的洛倫茲力而發生路線偏轉所致；沙漠地區的溫差往往比海濱地區的溫差大，人們嘗試用物質的比熱容進行解釋并獲得成功，甚至幫助人們找到植樹造林、治理沙漠的策略.

物理學與工程技術始終互動發展，相得益彰.古人因為建筑房屋、農業生產和航海旅行等的需要，探索并形成了早期的機械力學和天文學；物理學借鑒并引入早期工程技術中運用的“功”“潛活力”“活性力矩”或“作用矩”等概念及其計算方法，促進了能量守恒定律的最終確立.［3］精確定量的經典物理學研究促進了分析、歸納和演繹方法的發展，導致牛頓力學體系的建立.從此，物理學實現了從認識與解釋自然世界，發展為將物理學原理轉化為生產工具的新時代，開發出紡織、磨坊、鐘表、抽水與灌溉等機械.工業革命對推動機械的動力要求越來越高，提高原始蒸汽機的效率迫在眉睫，蒸汽機修理工瓦特（J.Watt）的反復技術改造，既推動人類進入蒸汽機時代，又促進了熱力學的發展.人類在探索物理世界的過程中，通過物理學與工程技術結合，創造了內燃機、發電機、電動機、視聽設備、通訊設備、計算機及網絡等儀器、設備與工具，不僅改善了物理學探究的條件，還讓人類生產和生活方式發生了巨大改變.毋庸置疑，電動機只有實現了持續轉動，才能為人類服務；物理學只有利用工程技術，才能設計出保證電動機持續轉動的換向器.

物理學與社會往往以思想觀念為中介，相互作用，共同發展.經典物理學的誕生，蕩滌著腐朽的宗教神學和落后的封建迷信思想，特別是由它引起的一次次工業革命都顯示著磅礴的力量，人們在實踐中越來越自覺地運用物理學知識、方法和思想，進行社會行動決策與社會組織管理.物理學還在同各種社會思潮斗爭中發展，不斷更新人們的世界觀.克勞修斯（R.E.Clausius）等人把熱力學第二定律或“熵增加原理”外推到整個宇宙.他們認為，自然界中其他形式的能量最終都會轉變為熱，由于熱平衡，各處溫度將趨于相同，宇宙必定趨于一個終點——“熱寂”狀態.恩格斯曾及時對“熱寂說”這一社會思潮進行了基于辯證唯物主義的批判：“放射到太空中的熱一定有可能通過某種途徑（指明這一途徑，將是以后自然科學的課題）轉變為另一種運動形式，在這種運動形式中，它能夠重新集結和活動起來.”［1］恩格斯預言的途徑，被后來的普利高津（I.Prigogine）發現.普利高津創建自組織和耗散結構理論，給出了一種新的宇宙秩序觀.相對論與量子力學的建立，進一步改變了人類的物質觀、運動觀、時空觀與因果觀，展現了全新的世界圖景，推動了人類社會的飛速發展.當看到有人極端功利地使用科學技術，給人類生存與環境造成種種危害，人們不得不重新審視科學技術的價值，逐步形成了新的科學價值觀.

2 跨學科范式：人類實踐的基本邏輯

人類通過觀察認知、耕耘勞作、加工制造、行為試誤、行動決策與組織管理等實踐活動，創造了人類文化與各類知識.為了討論問題方便，我們把直接來源于人類實踐，沒有經過任何實質性人為加工的人類文化，稱為“原初文化”.由于早期人類探索、認知、干預與改造世界的目的、對象、視野、條件與方式大同小異，生活因素、人文因素、社會因素、技藝因素與科學因素等共同制約了各種人類實踐.因此，人類早期實踐創造出的各類“原初文化”及其知識之間的界限并不涇渭分明.亞里斯多德（Aristotle）的《物理學》就是以自然界為特定的探索與認知對象，其研究涉及到現代意義上的物理學、化學、生物學、天文學和地理學等方面的內容.從現代學科的觀點看，人類實踐先天具有的根本特征是跨學科性，人類實踐遵循跨學科范式或跨學科邏輯.當社會分工越來越細化時，人們因為選擇不同的視角、方法、形式與過程，開展不同的探索、認知、干預與改造世界的活動，生產了不同的“原初文化”及其知識.那些采取類似視角、方法、形式與過程開展探索、認知、干預與改造活動的人，必然形成一個特殊的文化共同體或知識共同體.在生活、工程與社會場域中，各共同體為了方便，總要對實踐情境與真實研究對象進行簡化或理想化處理，忽略或淡化次要因素，從而提出概念、建構模型和總結規律.人類多元的文化共同體或知識共同體，為后來眾多學科的產生奠定了堅實基礎.

隨著人類“原初文化”的積淀及社會文明形態的形成與發展，為了進一步推動文化發展與知識探索，人們便不斷運用理性與邏輯的方法，依據探究目的、對象、方法與視角的差別，對各種復雜混沌的“原初文化”及其知識進行分類、歸納和整理，以方便各文化共同體或知識共同體進行知識的傳承、交流、生產與創新.由此，人們將“原初文化”分解并改造成為一系列不同的知識領域——學科（discipline）.“歐幾里得幾何學”樹立了學科的典范.歐幾里得（Euclid）在《原本》中收錄了當時幾乎所有古希臘時期的數學研究成果，構建了以數、點、線、面、體為邏輯線索的幾何學知識體系.學科雖然源于“原初文化”，卻烙上了再次人為加工與構造的痕跡.除了數學之外，物理學科是最嚴格的和最典型的學科.以物理學科為例，可以明晰人類構建學科的邏輯：精確界定研究對象及其基本性質，提出基本公設，并“保證這些公設是相容的和獨立的”，物理學科知識便“耐心地以無瑕疵的秩序展開包含在公設中的定律的長鏈”.［4］可見，學科是人為加工形成的遠離人類實踐與“原初文化”的知識體系.換言之，任何學科的知識邏輯并不是人類探索世界的邏輯，更不是人類實踐的邏輯.

學科的產生，使得文化共同體或知識共同體演變為學科共同體，并形成一種社會建制.“既定的學科，為其每個成員提供了事業基礎、社會身份和作為研究者或教師的公共舞臺”；［5］學科共同體也“設立一定程度的權威標準”，［6］以便其成員不僭越所在學科的話語體系、研究方法、價值標準、行為方式與倫理規范；學科共同體既生產新知識，又為發展本學科而培養人才.毋庸置疑，各學科共同體極大地促進了各知識領域的縱深探究，也方便了各學科共同體學者之間的內部交流與對話.隨著知識的不斷增長與學科的不斷分化，人們越來越崇尚知識的學科化或邏輯化，越來越追求抽象封閉與獨立自洽的知識體系.但是，“各自為政”的學科逐步在知識生產與實踐創新中舉步維艱.在人為劃分得越來越細的學科中，人們雖然能夠進行知識生產，它卻不是人類探究知識的唯一路徑.為了知識生產與實踐創新，必須遵循人類探索世界的邏輯與人類實踐的邏輯，突破學科藩籬，開展基于實踐的跨學科探究.

其實，“科學是內在的統一體，它被分解成單獨的部門不是由于事物的本質，而是由于人類認識的局限性.實際上存在著由物理到化學，通過生物學和人類學到社會科學的連續鏈條，這是任何一處都不能被打斷的鏈條”.［7］也就是說，各學科的發展并不是互不相干的.科學中發展最快的物理學科往往為其他新興學科提供探究工具與方法，物理學科也在學習與借鑒其他學科的過程中得到發展.例如，1938年布拉格（W.L.Bragg）擔任卡文迪許實驗室第5任主任后，開發出用X 射線研究生物分子結構的強大工具，為沃森（J.Watson）等學生發現DNA 雙螺旋結構創造了條件，開創了生命科學研究的新時代.20世紀后半葉，學科探索領域的交叉及學科研究方法的互相借鑒，使得學科互涉或學科滲透成為一種普遍的知識生產現象.物理學在化學、生物學、醫學和心理學等學科的應用，使得這些學科的原創學術成果如雨后春筍，也使得物理學發展出繁榮的分支領域；化學的化學分析、有機合成與電泳等理論與技術在生物學與醫學等學科的廣泛應用，使得生物學、生理學與醫學的原創學術成果層出不窮，化學也獲得長足的發展.這使得人們重新對跨學科（interdiscipline或transdiscipline）的知識生產范式深信不疑.跨學科范式回歸人類探索世界邏輯與人類實踐邏輯，關注到由于單一學科局限而無法企及的認知空白，極大地促進了介于學科之間的交叉地帶的新知識發現.

從人類實踐的目的、對象、視野、條件與方式看，當代社會的實踐比早期人類的實踐復雜得多，但是，實踐先天具有的根本特征——跨學科性沒有改變，實踐也沒有改變其跨學科范式或跨學科邏輯.人類總是瞄準豐富多彩的生活世界，進行著生活實踐、生產實踐、社會實踐與科學實踐；人類總是希望對探究的問題、對象與條件進行整合性與情境性研究，從而解決由多種因素影響的實踐問題.總之，人類實踐需要提出戰略性與創新性實踐對策與實踐方式，最終實現干預與改造世界、促進人類發展的目的.這就是人類實踐的跨學科范式或跨學科邏輯.英國社會學家吉本斯（M.Gibbons）甚至用“知識生產模式2”來描述人類實踐的根本特征與基本邏輯.在吉本斯看來，所謂“知識生產模式1”，主要指早期物理學科探究知識的知識生產模式，它屬于單一學科知識生產的范疇；所謂“知識生產模式2”，主要指現代社會基于多學科探究實踐知識、情境知識與行動知識的知識生產模式，它屬于“戰略性科學”范疇.［8］“應用情境知識生產”“跨學科性”“異質性和組織多樣性”“社會責任和反身性”“質量控制”是“知識生產模式2”的顯著特征.［9］顯然，在“知識生產模式2”的人類實踐中，生活因素、人文因素、社會因素、技藝因素與科學因素共同決定了實踐的目的、方法、視野與策略；“知識生產模式2”通過多學科融合，既克服人類實踐所面臨的現實困難，又促進人類知識的跨學科生產.

3 跨學科實踐：超越學科本位課程的必然選擇

學科的產生，使得人類似乎找到了一種有效的、經濟的教育策略：利用學科的知識邏輯，構建學科課程或學科本位課程，開展學科教學.學科本位課程是一個凌駕于教師和學生生活、經驗與活動之上的符號系統或知識實體，它從某一學科中選擇部分內容，按照該學科的知識邏輯展開.學科本位課程使學生的學習成為接受知識、背誦知識與套用知識的過程.在學科教學中表現為：（1）界定概念，即所謂“形成概念”；（2）分析概念之間的邏輯關系，即所謂“掌握規律”；（3）應用概念與規律，即所謂“解題訓練”.眾所周知，在學科本位課程的背景下，學生“形成概念”與“掌握規律”的情境往往遠離生活世界和人類實踐，人類實踐的興趣動機、生活經驗與情感體驗等均被排斥在課程與教學之外；學生“解題訓練”的內容是根據學科知識邏輯編制的，目的是讓學生厘清“概念”，正確套用“概念”與“規律”.

1957年，在前蘇聯衛星上天的震撼下，美國進行了教育反思，開始在認知心理學家布魯納（J.S.Bruner）的思想指導下，聲勢浩大地推動“學科結構運動”，倡導強化中小學生獨立學習與思考的“發現學習”.布魯納率先批判了行為主義心理學對課程的錯誤導向，關注人類用于構建和形成有關自己和世界意義的符號活動.［10］他認為，人類用符號構建所形成的學科就是典型的認知結構，因此，“不論我們選教什么學科，務必使學生理解學科的基本結構”.［11］于是，美國物理科學研究委員會（PSSC）聲稱要“以物理學家認識世界的本來面目去寫教材”.［12］該委員會編寫的教科書《PSSC物理》并沒有展示物理學家認識世界的本來面目，卻成為學科本位教科書的經典.《PSSC 物理》包括第一篇“宇宙”、第二篇“光學與波”、第三篇“力學”和第四篇“電與原子結構”，外加一個補篇.補篇涉及角動量、統計力學、狹義相對論和量子物理學等介紹性的“高等課題”.學科結構課程理論認為，由知識、概念及其概念框架構成的學科結構，雖然已被學科領域的學者與專家構造完成，但是，學生學習學科時必須“再構造”學科結構，這種“再構造”的過程就是“發現學習”.“布魯納提倡的發現法和他提倡的學習學科結構這兩者之間，存在著必然的內在聯系.學科結構是不能簡單地傳授的，因為它不是靜物，必須教學生去不斷構造即必須去發現”.［13］“學科結構運動”把學科本位課程推到了極致.據美國1000多所中小學的調查表明，“大多數學生沒有從事問題解決任務，而只是從事被動的、機械的任務”，［14］從而學生不可能“再構造”學科結構.這必然導致布魯納倡導的“變革計劃實際上壓根兒就沒有實施過”.［15］這次課程改革沒有達到預期的目的，反而導致美國基礎教育質量下降.

眾所周知，皮亞杰（J.Piaget）的發生認識論認為，“人類知識的邏輯與理性組織的發展與兒童相應觀念形成的心理過程之間存在相似性”.［16］庫恩（T.S.Kuhn）指出，皮亞杰“對兒童對空間、時間、運動或世界本身的概念等主題的敏銳研究，一再揭示了兒童科學學習過程形成的不準確概念與人類早期成年科學家所持的概念有驚人的相似之處”.［17］這就是皮亞杰與庫恩的所謂“文化重演”的觀點.“文化重演”課程觀認為，中小學生的學習過程可能與人類的知識探索過程高度相似，學生在認知過程中遇到的困難可能正是人類知識生產過程中遇到過的困難.為了引導學生認知發展，教師的理想工作方式是，讓學生“重演”人類的知識探索過程，暴露他們的認知困難，進而通過師生對話與交往克服困難，最終讓學生自主完成知識建構.雖然布魯納的“再構造”也屬于“文化重演”的范疇，但是，他讓學生“重演”的是學科領域學者與專家人為構造學科知識結構的過程，他倡導學生去“發現”僵化的、統一的學科知識結構.“文化重演”課程觀所追求的學生知識建構，不同于布魯納的“再構造”，而是學生自主建構個性化的世界圖景、認知經驗與實踐方式.

近些年，科學教育倡導科學探究.人們達成共識，“學科學是積極主動的過程”“學科學的中心環節是探究”.“科學探究指的是科學家用以研究自然界并基于此種研究獲得的證據提出種種解釋的多種不同途徑.科學探究也指的是學生用以獲取知識、領悟科學的思想觀念、領悟科學家研究自然界所用的方法而進行的各種活動”.“讓學生參與探究可以幫助學生：理解科學概念；對于我們是‘如何知道’我們所知道的科學事實這一過程有驚羨之感；理解科學的本質；掌握對自然界進行獨立探究的必要技能；形成運用技能、能力和秉持科學態度的習慣”.［18］為了倡導科學探究，美國科學教育界強調，每個人幼年時都是科學家，每個孩子都有科學家的好奇心和敬畏感.“美國國家科學教育標準呼吁實現一種科學課堂曾經罕見的科學教育，在聚焦核心科學概念的同時，也強調學生如何學習科學的重要性.學生需要學會發現問題、建構自己的答案、用科學知識檢驗自己的推斷和同他人交流觀點”.［19］可見，科學探究不再像“學科結構運動”那樣強調學生發現或探究的結果，而是關注學生的自主學習方式與主動學習過程，并把人類探究與實踐的興趣動機、生活經驗與情感體驗納入科學課程之中，讓學生帶著問題，主動歷經探究的一般過程，從而獲得知識與發展能力.科學探究突出學生在真實科學實踐中的探究體驗與主動建構，“重演”的不是學科知識結構的構造活動，而是“重演”人類的科學實踐活動.

在現代社會，科學技術為人類創造了物質文明，也在某種程度給人類造成了身心的傷害.人們明白，這并不是科學技術本身的過錯，而是人類自身的問題.因此，現代社會需要培養了解社會、致力于造福社會的科學家和技術人才；需要培養了解科學技術及其后果并能夠參與涉及科學技術決策的公民.在這種背景下，被稱為“科學 技術 社會”（STS）的跨學科研究應運而生，“STS”教育也列入議事日程.“STS”教育的核心觀點是，按照科學、技術、社會三者間的關系來進行跨學科科學教育，讓科學教育不僅盡可能“還原”科學實踐的邏輯，還進一步盡可能“還原”人類實踐的邏輯，把科學教育與人類可持續發展、現代化生產和學生生活緊密聯系在一起.“STS”教育既考慮如何促進科學技術的發展以滿足社會的需要；又研究如何使社會成員按照科學本質觀與科學價值觀，做出正確的人類行為決策與社會管理，促進人類可持續發展.

2021年，聯合國教科文組織發布《共同重新構想我們的未來：一種新的教育社會契約》.該報告認為，“革新教育需要新的教學法、課程、教師功能、學校愿景和教育時空等”“課程應強調生態、跨文化和跨學科學習”“通過科學、數字和人文素養來培養學生辨別真偽的能力”.［20］因此，在廣泛實施學科課程的現實環境下，強調跨學科實踐是未來中小學課程的發展趨勢，也是超越學科本位課程的必然選擇.其實，2011年，美國發布的《K-12年級科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》，就已提出實踐、跨學科概念和核心概念等3個維度，并以這3 個維度規劃了《下一代科學標準》的目標體系.［21］美國為了給中小學生日后大學階段選擇主修科學、技術、工程或數學專業創造條件，倡導中小學開展“STEM”教育.［22］中小學開展的“STEM”教育，強調“整合的課程設計模式”，屬于跨學科教育范疇.［23］

在近幾十年各國基礎教育課程改革的過程中，無論是倡導“再構造”學科知識結構還是強調多維體驗與自主建構的科學探究，無論是倡導跨學科的“STS”教育與“STEM”教育還是強調發展學生核心素養，都是試圖在廣泛采用學科課程的現實背景下，超越學科本位課程，使學生獲得全面發展.可見，基礎教育課程改革正致力于將學生的學習盡可能“還原”為人類實踐活動，讓學生“重演”人類知識的探究活動與應用活動.“還原”與“重演”的目的顯然是增強學生學習的情境性、體驗性、主動性與建構性，引導學生自主建構多維知識，以便學生未來能夠運用多學科知識解決真實的實踐問題.

4 “還原”實踐邏輯：實現物理課程的目標

物理課程既要啟發學生探究物理學，又要引導學生應用物理學解決人類實踐的問題，從而促進學生核心素養發展，推動人類科學事業發展與社會進步.在實施學科課程的背景下，物理課程的跨學科實踐，強調立足物理學，盡可能“還原”生活、工程與社會場域，讓學生探究物理學與應用物理學，促進其物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等核心素養發展.

物理觀念是物理概念和規律的升華，物理概念和物理規律是物理學探究活動的核心內容；科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證與質疑創新，而跨學科推理與跨學科論證則正是質疑創新的前提.在生活、工程與社會場域中，物理學家為了方便，總要對實踐情境與真實研究對象進行簡化或理想化處理，忽略次要因素，淡化非物理因素，從而提出物理概念、建構物理模型、總結物理規律.但是，在學科本位課程背景下，學生“形成概念”“建構模型”“掌握規律”等物理學習活動，成為教師“灌輸概念”“強加模型”“推演規律”的過程，學生根本不清楚產生物理概念、模型與規律的真實的實踐背景和推理論證過程，因此，他們在應用物理學解決實際問題時也必然張冠李戴.按照2022年版《義務教育物理課程標準》，科學探究活動，正是遵循“知識生產模式2”的跨學科實踐邏輯展開的；科學態度與責任則突出學生把握科學、技術、社會、環境之間的關系，基于物理學及其他學科綜合形成科學本質觀與科學價值觀，為推動人類社會可持續發展和實現中華民族偉大復興做好準備.可見，“還原”人類實踐的跨學科邏輯，是實現物理課程目標的必然要求.中學物理課程應該通過探究型跨學科實踐、應用型跨學科實踐和升華型跨學科實踐，促進學生核心素養發展.

4.1 探究型跨學科實踐

探究型跨學科實踐以探究物理學為目的，“還原”生活情境或生產情境，將人類物理探究中原本有的跨學科環節，以學生觀察實驗、動手制作與科學推理等跨學科探究任務，嵌入學習過程，讓學生“重演”人類探究物理世界的真實過程，理解提出物理概念、建構物理模型與概括物理規律的跨學科背景與推理過程，發展科學思維與科學探究能力.

嵌入與生活相關的跨學科探究任務，有助于學生深入探究物理學.例如，生理學和醫學告訴我們，聲波既可以通過空氣傳導，又可以通過骨傳導，刺激大腦聽神經后，便產生聽覺.［24］因此，一些存在空氣傳導障礙的人，如果聽神經沒有被損壞，還可以利用骨傳導聽到聲音.貝多芬（L.Beethoven）失聰后用牙咬住小木棍抵住鋼琴堅持創作，就是通過骨傳導聽到自己的音樂.從探究物理學的角度看，骨傳導是一個值得讓學生完成的跨學科探究任務.目前已有教科書率先將其成功嵌入.［25］這一跨學科探究任務需要學生合作完成，在堵住某一同學耳朵的情況下，用消毒干凈的振動音叉尾部，安全地抵在該同學的前額、耳后的骨頭和牙齒上，看看該同學能否聽到音叉的聲音.當然，學生探究過程還可以嵌入對貝多芬自強不息精神的討論.又例如，為了探究眼睛晶狀體的調焦原理，物理課程可以讓學生選取器材，制作一個可以用注射器改變彎曲程度的“水透鏡”來模擬眼睛，探究眼睛成像過程.［26］這一跨學科探究任務，不僅能讓學生清楚近視眼的成因，還能指導學生如何預防近視眼.

嵌入與生產相關的跨學科探究任務，也有助于學生深入探究物理學.例如，眾所周知，電動機是重要的生產工具.它是根據通電導體在磁場中受到力的作用這一原理研制出的.物理學與技術結合，巧妙地在電動機電源的引入處設計了一個能夠及時改變線圈中電流方向的換向器，解決了電動機不能持續轉動的困難，實現了電動機在生產中的廣泛應用.由于認為換向器屬于純粹技術問題，過去的物理課程對此往往忽略或進行淡化處理.顯然，將探究電動機換向器作為一個跨學科探究任務嵌入，讓學生解構電動機，有助于探究電動機的技術設計原理.目前也已有教科書率先將其成功嵌入.［27］2022年版《義務教育物理課程標準》已將“新材料的特點及其應用”等內容納入跨學科實踐.過去的物理課程主要羅列新材料的知識，介紹這些新材料的生產應用.物理課程完全可以嵌入跨學科探究任務，讓學生通過現場觀察、實驗探究或查閱資料等活動，獲得關于新材料的感性經驗與理性認知.例如，學生對生產中廣泛運用的納米材料非常好奇，常常苦于沒有接觸真實納米材料的機會.其實，“文房四寶”中的墨，其超微碳粒就屬于納米材料，物理課程可以用墨作為載體，設計跨學科探究任務，探究納米材料光反射率低和電磁波吸收率高的特性.

4.2 應用型跨學科實踐

應用型跨學科實踐以應用物理學為目的，在學生探究某一物理原理之后，“還原”生活情境或生產情境，設計應用該原理的跨學科應用項目，讓學生通過調查、考察、設計、加工、制作與實驗等跨學科活動，提高其跨學科應用知識的能力、分析和解決問題的綜合能力、動手操作的實踐能力.

與生活相關的跨學科應用項目，有助于培養學生運用多學科知識解決實際問題的能力.例如，隨著生活水平的提高，家庭中使用的電器越來越多，當電路中同時工作的大功率電器過多時，線路總電流就可能超過其額定值，使導線、開關和插座等處于過熱狀態，甚至引發事故.物理課程可以設計家庭電路防止過載的跨學科應用項目，讓學生調查自己家庭各電器的功率、使用時間與導線的額定電流等，制訂家庭大功率電器錯時使用的方案，設計大功率電器專線供電的家庭電路圖.又例如，學生學習了影響蒸發快慢的規律后，可以設計一個關于家庭蔬菜和水果保鮮的跨學科應用項目，讓學生查閱資料，明確保鮮就是保留其維生素（水溶性或脂溶性維生素）和水分，為家庭的不同蔬菜與不同水果制訂保鮮方案.

與生產相關的跨學科應用項目，也有助于培養學生運用多學科知識解決實際問題的能力.例如，電磁鐵的制造，促進了繼電器、電報機、變壓器和電動機等電氣設備的產生.在探究了通電螺線管外部的磁場之后，結合電磁起重機利用電磁鐵工作的原理，可以設計一個跨學科應用項目，讓學生制作簡易電磁鐵并探究影響其磁性強弱的因素.這個跨學科應用項目，要求學生自選電磁鐵內管、鐵芯、漆包線、電源與鐵質重物等器材，獨立完成制作；再設計方案，合作探究影響電磁鐵磁性強弱的因素.這個跨學科應用項目，涉及選材、加工與制作等技術工作，模擬電磁起重機工作開展實驗探究，能夠培養學生動手操作的能力與跨學科應用知識的能力.類似的跨學科應用項目題材很多.例如，制作腳踏垃圾桶模型、制作簡易電動機和制作機翼模型探究升力等.

4.3 升華型跨學科實踐

升華型跨學科實踐以培養學生科學本質觀、科學價值觀與社會責任感為目的，針對社會熱點、“科學 技術 社會 環境”問題以及我國古代與當代科技成就等，設計跨學科實踐課題，通過考察調研、實證分析、觀點交鋒和宣講報告等方式，促進學生更新理念與升華思想，自覺以科學態度與社會責任規范個人行為，增強科技強國的責任感和使命感.

在學生具有一定的物理學與其他學科知識儲備的條件下，物理課程可以根據社會熱點與“科學 技術 社會 環境”問題，設計跨學科實踐課題，發展學生的科學本質觀、科學價值觀與社會責任感.例如，全球變暖帶來了“熱島效應”，人們往往要采取控制空調溫度、綠色出行、合理規劃建筑、加強城市綠化與改善城市水系等對策.物理課程可以讓學生設計課題方案，調查當地產生“熱島效應”的原因，提出并制定緩解當地“熱島效應”的設想與措施.又例如，現代熱機的出現，極大地改進了人類的工作方式和生活條件，但是，所有熱機工作時都要排放有害物質，控制廢氣的排放量，已成為熱機發展與環境保護的重要舉措.物理課程可以讓學生在安全的前提下，開展跨學科實踐課題研究，考察汽車發動機運行時對周圍環境的影響，運用化學與生物學知識，分析熱機排放的廢氣有哪些有害成分，對人體健康有什么危害.

我國古代的技術應用案例，我國當代科技特別是物理學發展的成就，我國物理學家的杰出貢獻和愛國情懷，都可以設計跨學科實踐課題，增強學生的自豪感、責任感和使命感，激發勇攀科技高峰的精神.我國古代“龍骨水車”始于東漢，是流行于我國大部分地區的灌溉工具.以“龍骨水車”為跨學科實踐課題，讓學生在考察“龍骨水車”的基礎上，設計與制作模擬裝置，既能夠讓學生了解我國古代的技術成就，又能夠訓練學生的動手操作能力.類似的案例還很多，例如，設計與制作浮子式液體比重（密度）計等.以我國“兩彈一星”事業、核能和平利用和500 米口徑球面射電望遠鏡（FAST）等成就為主題，設計跨學科實踐課題，能夠激發學生強烈的物理學習動機.以我國物理學家的杰出貢獻和家國情懷為主題，開展跨學科實踐課題研究，更能從人格層面促進學生核心素養發展，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人.例如，物理學家王淦昌為祖國科學事業獻出了畢生精力，周光召、鄧稼先、于敏和程開甲等都曾接受過他的直接指導.但是，王淦昌不以權威自居，為人誠懇熱情、謙虛友善，還謙虛地向年輕人請教.［28］這是設計跨學科實踐課題的極好素材.