基于核心素養的跨學科主題教學實踐探索

趙亞偉 韓敘虹 趙偉 馬崢

摘? ?要：如何開展跨學科實踐，如何在教學中落實學科核心素養，受到研究者越來越多的關注。以設置主問題鏈、任務驅動等形式展開教學，以制作“噴泉”為出發點，設置看到的現象、涉及的原理、形成噴泉的關鍵、影響氣壓大小的因素等一系列問題，引導學生以問題為載體，動手實驗、制作“噴泉”。

關鍵詞：跨學科；項目式學習；氣壓差；“噴泉”實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）9-0073-4

收稿日期：2023-06-05

基金項目：北京市朝陽區特級教師工作室項目“基于‘學習進階’的高中物理教學設計的實踐研究”。

作者簡介：趙亞偉（1990-），女，中學二級教師，研究方向為初中物理課堂教學。

*通信作者：韓敘虹（1971-），女，正高級教師，北京市特級教師，研究方向為物理教學設計。

跨學科主題學習是《義務教育物理課程標準（2022年版）》提出的一個新舉措，跨學科主題學習的設立，是在分科背景下開展的。它既能彌補分科課程的不足，又能明確承認分科課程的合理性，最終促進學科綜合育人、整體育人任務的完成。

下面以“美麗的‘噴泉’”為例，詳細闡述如何基于核心素養開展跨學科主題式教學的實踐探索。

1? ? 問題的背景

大氣壓是初中物理力學部分的重要內容之一，雖然大氣壓很常見，但很多學生對大氣壓的感受還是不太真切。為了增加學生對大氣壓的體驗感，本節課以制作“噴泉”作為主線來組織教學，在課堂上創造機會讓學生動手操作并感受大氣壓的力量。在講到氣體體積變化對氣壓影響的時候，不失時機地加入學過的生物學知識進行補充，且“噴泉”的制作不僅僅借助大氣壓的作用得以實現，課中還利用化學方法制作彩色“噴泉”，讓學生在制作“噴泉”的過程中，同時復習了物理、化學和生物學科的相關知識。

2? ? 教學目標

該節課的教學目標具體有：（1）通過設計實驗，知道影響氣壓大小的因素有哪些，能制作物理“噴泉”并運用大氣壓的知識解釋“噴泉”的形成原理。（2）能運用會產生或者消耗大量氣體的化學反應設計并自制化學“噴泉”。（3）能通過構建呼吸運動的生物模型，進一步理解氣壓差與人體完成呼吸的關系，明確影響氣壓大小的相關因素。

3? ? 教學重難點

重點：通過物理方法和化學方法認識“噴泉”的形成原理并制作“噴泉”。

難點：如何利用所提供的簡單實驗器材制造“真空”狀態以實現制作“噴泉”所需要的足夠的氣壓差。

4? ? 教學過程

4.1? ? 課題引入

介紹三位上課老師，指出在接下來完成項目的過程中，有任何問題，三位老師都會及時提供學科方面的支持和幫助。

課題引入——“美麗的‘噴泉’”

設計意圖：三科老師同上一節課，對于學生比較陌生，讓學生明確本次上課的形式以及每位老師可以給學生提供什么樣的幫助；明確項目。

4.2? ? 環節1——認識影響“噴泉”形成的原理之一——氣壓差

活動1 教師演示正壓“噴泉”實驗。

演示實驗1：將少量的氣體打入容器。

演示實驗2：將大量的氣體打入容器。

提問：你看到了哪些現象？說明什么原理？

答：水噴出來形成“噴泉”。原理是通過往容器內打氣，增大氣壓，使容器內外形成氣壓差，液體噴出，形成“噴泉”。

提問：實驗中形成“噴泉”的關鍵是什么？

答：氣壓差足夠大。

提問：在上述實驗中，影響容器內氣壓大小的因素是什么？

答：容器內氣體的量。

提問：除了用上述方法可以改變容器內氣體的量，還有其他方法也能改變容器內氣體的量嗎？

活動2 學生實驗：在裝有碳酸氫鈉粉末的試管中迅速加入白醋溶液，蓋好膠塞，觀察實驗現象并解釋出現這種現象的原因。

學生小組合作完成實驗，分組匯報、交流，從化學的角度分析形成噴泉的原因，碳酸氫鈉和酸性溶液發生反應產生二氧化碳氣體，試管內產生氣體，使試管內的氣壓增大，從而將試管內的液體噴出。

提問：我們還知道哪些反應可以產生二氧化碳氣體？

答：碳酸鹽和酸反應產生二氧化碳氣體。

學生書寫相關化學方程式并進行小組交流，互相補充講解。

追問：消耗氣體可以改變裝置內的氣壓嗎？改變氣壓的原理是什么？能否寫出消耗二氧化碳的方程式？

答：消耗氣體會使裝置內的氣壓減小，形成氣壓差。

學生上臺書寫相關消耗二氧化碳的方程式，包括二氧化碳與水反應、二氧化碳與氫氧化鈣反應、二氧化碳與氫氧化鈉反應。

追問：改變容器內氣體的量可以改變容器內的氣壓，如果容器內氣體的量不變，可以通過哪些方法改變容器內的氣壓？

學生小組討論匯報。

小結：溫度、氣體體積也是影響氣壓差的因素之一。

活動3 學生分組實驗：將包有橡皮膜的廣口瓶放入裝有熱水（裝有冰水混合物）的燒杯中。觀察實驗現象，思考實驗原理。

學生分組討論、匯報：

熱水組現象：橡皮膜向上凸起。

實驗原理：溫度升高，容器內氣體氣壓變大，容器內大氣壓力大于容器外大氣壓力，使橡皮膜向上凸起。

冷水組現象：橡皮膜向內凹陷。

實驗原理：溫度降低，容器內氣壓變小，容器內大氣壓力小于容器外大氣壓力，使橡皮膜向內凹陷。

結論：對于一定量的氣體，溫度可以改變其氣壓大小。

活動4 分組體驗：深深吸氣，再緩緩吐出，感受人體呼吸過程中胸腔容積的變化。

提問1：胸腔容積的變化導致氣體進出人體，還是與之相反？為什么？

提問2：引發胸腔容積變化的動力是什么？

活動5 學生實驗：根據實驗桌上提供的“模擬呼吸運動的生物模型”，動手實踐。

要求：①準確判斷“人體呼吸運動的生物模型”中的結構模擬人體呼吸系統的哪些結構。②分析胸腔容積變化與氣體進出的關系。

學生分組匯報、交流，從生物學的角度分析人體呼吸運動的過程。用手向下拉動底部氣球，胸腔容積變大，氣體進入使得肺擴張，模擬人體的吸氣過程（圖1）；用手向上推動底部氣球，胸腔容積變小，氣體呼出使得肺回縮，模擬人體的呼氣過程（圖2）。可見，是由于胸腔容積的變化引發了氣體進出人體，且膈肌這一類呼吸肌的收縮引發了胸腔容積的變化。

追問：為什么胸腔容積發生了變化，氣體就能自發進出人體呢？

學生經過分析得到：根本原因是由于胸腔容積的變化改變了胸腔內部的氣壓，使胸腔內外產生氣壓差，最終使得氣體自發進出人體。當胸腔容積變大，胸腔內氣壓變小，小于外界氣壓，外界氣體就能進入人體，這是人的吸氣過程，呼氣過程與此相反。

小結：在氣體量一定的情況下，容器體積影響容器內氣壓大小。體積變大，容器內氣壓減小；體積變小，容器內氣壓增大。

設計意圖：打破學科界限，通過正壓噴泉實驗從物理角度認識改變裝置內氣壓的方法，通過復習化學知識從化學角度認識改變裝置內氣壓的方法，通過對生物學科呼吸運動模型的分析認識改變裝置內氣壓的方法。通過不同學科的內容整合認識改變裝置內氣壓的方法，為后續制作“噴泉”提供理論依據。

4.3? ? 環節2——如何制作“噴泉”？

通過改變溫度改變容器內氣壓大小，從而形成容器內外氣壓差，制作噴泉。

活動6 學生實驗：利用實驗桌上的1號塑料瓶、氣球、帶有吸管的瓶蓋、熱水等設計制作“噴泉”。

分組實驗后分小組匯報。

實驗操作：向氣球中裝入盡量多的水，擰緊瓶蓋，將塑料瓶放到裝有熱水的燒杯中（圖3）。

實驗現象：觀察到水從吸管涌出。

實驗原理：熱水可以增大瓶內氣壓，使瓶子內外產生氣壓差，使瓶內的水涌出。

追問：利用溫度這一影響因素改變氣壓制作“噴泉”，效果不明顯的原因是什么？

學生小組討論后匯報：“噴泉”形成的關鍵在于形成較大的氣壓差，在熱水實驗中，溫度對氣壓有影響但是不夠大，如果能增大內外裝置的氣壓差，就會產生更明顯的實驗現象。

追問：如何增大容器內外氣壓差，產生效果更為明顯的“噴泉”呢？

設計意圖：讓學生體驗利用溫度這一影響因素制作“噴泉”，并且通過現象明確“噴泉”效果不明顯的原因，為接下來的教學內容作鋪墊。

4.4? ? 環節3——如何制作效果明顯的“噴泉”？

想要容器內外形成較大的氣壓差，可引導學生利用學過的大氣壓的知識，在容器內制造一個近似“真空”的狀態，這樣就可以借助大氣壓力的作用，使水噴出，從而形成現象較為明顯的“噴泉”。

引導學生觀察在學習大氣壓這部分知識時見到的幾個重要實驗，如覆杯實驗、托里拆利實驗、馬德堡半球實驗等。

提問：思考這些實驗有什么共同點？

答：都是利用大氣壓的作用。

提問：這些實驗中是如何體現大氣壓的“強大”呢？

答：都是在裝置或容器內制造了一個“真空”的狀態，使內外形成較大的氣壓差。

提問：如何利用手中的器材在塑料瓶中制造一個近似“真空”的狀態呢？

活動7 學生實驗：利用實驗桌上的2號塑料瓶（瓶底打孔）、氣球、帶有吸管的瓶蓋、設計制作“噴泉”。

學生討論、設計實驗方案：將瓶內氣球吹大，借助氣球和瓶底的小孔將瓶內的氣體盡量排空，氣球吹得越大，氣體被排出的就越多，氣球吹得足夠大時，用手堵住瓶底小孔，這時，瓶內可近似看成是“真空”狀態。再將氣球內裝滿水，蓋上瓶蓋，松開小孔，觀察現象。

學生分組實驗。

小組討論實驗原理：氣球裝滿水后，蓋上瓶蓋，此時瓶內氣球和水達到了一個平衡的狀態，松開小孔，瓶外氣體進入瓶內，在大氣壓和氣球彈力的作用下，使水“噴出”，形成“噴泉”（圖4）。

設計意圖：突破本節課的教學重難點，通過改進實驗裝置，利用學過的物理知識在瓶內制造近似“真空”的狀態，設計實驗并制作效果較為明顯的“噴泉”。

4.5? ? 環節4——制作美麗的“噴泉”

提問：如何制作多彩的“噴泉”呢？

可以利用化學反應產生顏色變化，或者讓噴泉噴出的是有顏色的溶液。

活動8 學生實驗：根據桌上提供的實驗器材和藥品，小組討論如何設計制作“噴泉”并進行小組匯報。

學生設計實驗，利用提供的裝置收集二氧化碳氣體（圖5），通過注射器中的氫氧化鈉濃溶液將二氧化碳消耗（圖6），減小裝置氣壓，將裝置與溶液相連，打開止水夾，形成“噴泉”（圖7）。

學生分組實驗，制作并展示本組的彩色“噴泉”。

設計意圖：該環節通過化學的方法分析如何制作彩色“噴泉”，通過二氧化碳的產生和消耗形成氣壓差，制作彩色“噴泉”。

結束語：通過前邊一系列的探究活動，我們經歷了猜想、實驗驗證、對實驗結果的否定及再猜想再實驗過程，最終通過化學方法單純改變氣體的量，以及通過物理方法在改變氣體體積的基礎上進一步增加氣體量的方法，產生了足夠大的氣壓差，形成了美麗的、可持續性噴涌的“噴泉”。在人類科技發展歷程中，任何一個研究成果的問世都歷經艱辛，我們需要秉承這種精神，不斷探索和認識自然運行的規律。

設計意圖：教學“留有余地”；立德樹人，激發學生繼續探究的內驅力。

5? ? 教學反思

5.1? ? 打破學科界限，實現跨學科實踐教學

本節課通過將物理、化學、生物三個學科知識進行整合，以問題解決過程為線索設計方案，將跨學科實踐的教學過程分解為若干個驅動性任務，以觀察、實驗、設計、制作等方式設計活動，順利解決了影響裝置內氣壓大小的三大因素。在設計制作“噴泉”環節，由易到難，首先通過溫差制作“噴泉”，進而討論如何讓“噴泉”的效果更明顯，通過物理方法改變裝置的氣壓，形成較大氣壓差從而制作出明顯的“噴泉”，最后學生依托化學知識進行分析、討論、設計等過程，利用教師提供的藥品和裝置進行彩色“噴泉”的制作。

5.2? ? 借助項目式學習，以知識學習為載體，以過程體驗為核心，落實學科的核心素養

本節課注重在問題解決過程中落實學科核心素養。學生以問題為載體，分析看到的現象、涉及的原理、形成“噴泉”的關鍵、影響氣壓大小的因素等一系列問題。以制作“噴泉”為出發點，思考如何制作噴泉，如何制作效果更明顯的“噴泉”，如何制作美麗的“噴泉”，從原理—分析—設計—實踐—改進—再實踐，有機地融合了化學、物理與生物三個學科的知識與理念，最終落實學科核心素養。人在解決問題的時候是不分學科的，綜合多學科知識解決實際問題，是教育發展的趨勢。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：1-3.

［2］艾蒂，韓敘虹.基于物理核心素養培養的STEM教學的實踐——以“反沖小車”為例［J］.中學物理，2019，37（5）：18-20.

［3］韓敘虹.基于物理核心素養培養的STEM教學的實踐與探索——以“重現富蘭克林的風箏實驗”項目式學習為例［J］.中學物理，2018，36（3）：2-6.

［4］韓敘虹.基于STEM項目式學習的實踐和探索——以研究性學習“鉆木取火”課題為例［J］.中學物理，2018，36（10）：18-20.

（欄目編輯? ? 李富強）