物理跨學(xué)科實(shí)踐：內(nèi)涵、特點(diǎn)與案例

摘" 要：跨學(xué)科實(shí)踐作為培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的課程載體，其有效實(shí)施路徑需要厘清。在對(duì)物理跨學(xué)科實(shí)踐的內(nèi)涵與特點(diǎn)進(jìn)行解讀的基礎(chǔ)上，分析了物理跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)原則，提出了落實(shí)物理跨學(xué)科實(shí)踐的有效途徑。最后，通過案例進(jìn)行跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，供物理教師借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科實(shí)踐；初中物理；核心素養(yǎng)；實(shí)施路徑

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " 文章編號(hào)：1003-6148（2024）2-0076-6

2022年4月教育部頒布了新修訂的《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“物理課程標(biāo)準(zhǔn)”）。其中，課程內(nèi)容的最大變化是新增了“跨學(xué)科實(shí)踐”這一主題，旨在發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科運(yùn)用知識(shí)的能力、分析和解決問題的綜合能力、動(dòng)手操作的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生積極認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度和樂于實(shí)踐、敢于創(chuàng)新的精神［1］。跨學(xué)科實(shí)踐與其他物理課程內(nèi)容相結(jié)合，成為此次課程改革的亮點(diǎn)之一。學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中遇到的問題紛繁復(fù)雜，單一的學(xué)科知識(shí)往往限制了學(xué)生解決問題的視野與能力，而跨學(xué)科實(shí)踐能破除分科教學(xué)的桎梏，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。因此，教師有必要理解跨學(xué)科實(shí)踐的意蘊(yùn)，厘清跨學(xué)科實(shí)踐的有效實(shí)施路徑，在教學(xué)實(shí)踐中落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。

1" " 物理跨學(xué)科實(shí)踐的內(nèi)涵

物理課程標(biāo)準(zhǔn)中涉及跨學(xué)科實(shí)踐的描述為：“跨學(xué)科實(shí)踐”主題的內(nèi)容具有跨學(xué)科性和實(shí)踐性特點(diǎn)，與日常生活、工程實(shí)踐及社會(huì)熱點(diǎn)問題密切相關(guān)［1］。此描述可以看出跨學(xué)科實(shí)踐的特點(diǎn)，但對(duì)跨學(xué)科實(shí)踐的具體定義有待梳理。因此，有必要在明確定義的基礎(chǔ)上進(jìn)行內(nèi)涵解讀。何為跨學(xué)科？在跨學(xué)科研究中，人們常用多學(xué)科（multidisciplinary）、跨學(xué)科（interdisciplinary）和超學(xué)科（transdisciplinary）三個(gè)詞來區(qū)分不同研究范式或衡量學(xué)科的跨學(xué)科性，這些名詞反映出知識(shí)整合深淺的程度。而跨學(xué)科在強(qiáng)調(diào)學(xué)科立場(chǎng)的同時(shí)，又超越了學(xué)科邊界，創(chuàng)造性地綜合各學(xué)科知識(shí)來協(xié)同解決真實(shí)問題、淡化學(xué)科隔閡，形成豐富學(xué)生知識(shí)建構(gòu)的沃土［2-3］。同時(shí)，跨學(xué)科實(shí)踐的本質(zhì)需要進(jìn)一步探討。通過分析其他科目課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)跨學(xué)科實(shí)踐的描述，在個(gè)性中歸納出共性，有利于明確跨學(xué)科實(shí)踐的本質(zhì)。通讀其他科目義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)科目中對(duì)跨學(xué)科實(shí)踐（其他科目亦稱為“跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)”）有直觀的定義描述，如表1所示。

根據(jù)表1的描述，需要定性跨學(xué)科實(shí)踐，即跨學(xué)科實(shí)踐的本質(zhì)是實(shí)踐活動(dòng)還是學(xué)習(xí)方式。《辭海》指出：活動(dòng)是為某種目的而采取的行動(dòng)；方式是言行所采用的方法和形式；實(shí)踐是人們改造自然和改造社會(huì)的有意識(shí)的活動(dòng)。根據(jù)以上解釋，物理跨學(xué)科實(shí)踐的本質(zhì)應(yīng)該視為實(shí)踐活動(dòng)。眾所周知，物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、具有嚴(yán)謹(jǐn)理論體系、能進(jìn)行定量精密研究、帶有方法論性質(zhì)的應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)學(xué)科。根據(jù)物理學(xué)的特點(diǎn)及表1內(nèi)容可知，物理跨學(xué)科實(shí)踐是一種將學(xué)習(xí)置于真實(shí)、復(fù)雜、有意義的情境中，以物理課程內(nèi)容為主干，綜合運(yùn)用兩門或兩門以上學(xué)科（其中一門為物理學(xué)科）的知識(shí)、方法或觀念進(jìn)行問題解決，實(shí)現(xiàn)單一學(xué)科不能達(dá)成的目的，以促進(jìn)學(xué)科和跨學(xué)科理解，培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科視角分析與解決問題的能力，以實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)提升的綜合實(shí)踐活動(dòng)［6］。因此，物理跨學(xué)科實(shí)踐具有以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向、以跨學(xué)科知識(shí)為基礎(chǔ)、以實(shí)際問題為驅(qū)動(dòng)、以動(dòng)手實(shí)踐為經(jīng)歷的特征。

2" " 物理跨學(xué)科實(shí)踐的特點(diǎn)

在物理課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容框架中，一級(jí)主題“跨學(xué)科實(shí)踐”包含“物理學(xué)與日常生活”“物理學(xué)與工程實(shí)踐”“物理學(xué)與社會(huì)發(fā)展”三個(gè)二級(jí)主題，具體內(nèi)容如表2所示［1］。“物理學(xué)與日常生活”強(qiáng)調(diào)學(xué)生在日常生活中發(fā)現(xiàn)、分析及解決實(shí)際問題，并通過學(xué)習(xí)知識(shí)來踐行知行合一的理念。“物理學(xué)與工程實(shí)踐”注重學(xué)生了解物理學(xué)在工程學(xué)和信息技術(shù)中的應(yīng)用，尤其要讓學(xué)生了解我國古代的科技成就，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感。“物理學(xué)與社會(huì)發(fā)展”強(qiáng)調(diào)要結(jié)合實(shí)例，了解能源與新材料對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響，著重了解現(xiàn)代以來我國高新技術(shù)的發(fā)展與成就，強(qiáng)化學(xué)生投身科技強(qiáng)國的使命擔(dān)當(dāng)。基于物理跨學(xué)科實(shí)踐內(nèi)容的特征分析，可知物理跨學(xué)科實(shí)踐具有實(shí)踐內(nèi)容的整合性與真實(shí)性、學(xué)習(xí)方式的實(shí)踐性與多樣性和學(xué)習(xí)成果的遷移性等特點(diǎn)。

2.1" " 實(shí)踐內(nèi)容的整合性與真實(shí)性

物理跨學(xué)科實(shí)踐設(shè)置了“物理學(xué)與日常生活”“物理學(xué)與工程實(shí)踐”和“物理學(xué)與社會(huì)發(fā)展”三大主題，里面的內(nèi)容豐富，體現(xiàn)出不同學(xué)習(xí)領(lǐng)域的知識(shí)整合，多種方法的綜合利用。實(shí)踐內(nèi)容的整合是基于真實(shí)的問題情境，通過提出問題、確定實(shí)踐方案與目的、實(shí)踐行動(dòng)與評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)，將學(xué)習(xí)者頭腦中碎片化的知識(shí)轉(zhuǎn)化為連貫性想法，來提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，各個(gè)主題中的活動(dòng)案例都與學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)息息相關(guān)。這拉近了學(xué)生與自然科學(xué)的聯(lián)系，讓學(xué)生體會(huì)到所學(xué)知識(shí)的有用性，在強(qiáng)化跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的教學(xué)意義方面起著積極作用。

2.2" " 學(xué)習(xí)方式的實(shí)踐性與多樣性

跨學(xué)科實(shí)踐尤其強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過實(shí)踐性或具體性的學(xué)習(xí)情境獲得知識(shí)感知，在實(shí)踐中完成知識(shí)建構(gòu)，形成自己的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)結(jié)果［7］。跨學(xué)科實(shí)踐建構(gòu)了多學(xué)科整合的物理實(shí)踐活動(dòng)場(chǎng)域，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。物理實(shí)踐活動(dòng)主要包含查閱資料與實(shí)物考察、論文撰寫與作品制作、實(shí)驗(yàn)探究三類。不同類型的活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不同的學(xué)習(xí)方式，這些實(shí)踐方式既強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐，又注重培養(yǎng)學(xué)生在觀察、數(shù)據(jù)搜集與分析等方面的能力。同時(shí)，也為學(xué)生的交流合作提供了便利。

2.3" " 學(xué)習(xí)成果的遷移性

物理跨學(xué)科實(shí)踐的學(xué)習(xí)價(jià)值在于培養(yǎng)學(xué)生將已經(jīng)學(xué)到的相關(guān)知識(shí)應(yīng)用到新的情境之中的綜合能力。學(xué)生通過跨學(xué)科實(shí)踐，既能深入認(rèn)識(shí)本學(xué)科知識(shí)體系，更能從不同學(xué)科（或整合各學(xué)科）視角看待并解決問題。因此，跨學(xué)科實(shí)踐幫助學(xué)生形成對(duì)身邊世界連貫的、科學(xué)的理解，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

3" " 物理跨學(xué)科實(shí)踐的實(shí)施路徑

3.1" " 設(shè)計(jì)原則

核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的物理課堂轉(zhuǎn)型，需要著力挖掘跨學(xué)科實(shí)踐的教學(xué)價(jià)值。重審物理課堂教學(xué)，遵循跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)原則，才能更好地實(shí)施跨學(xué)科實(shí)踐。原則一：立足物理學(xué)科，遵循課程標(biāo)準(zhǔn)。初中物理跨學(xué)科實(shí)踐的開展，需要以物理學(xué)為學(xué)科基礎(chǔ)。根據(jù)物理課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)容要求與活動(dòng)建議，將物理學(xué)科知識(shí)與日常生活、工程實(shí)踐和社會(huì)發(fā)展緊密聯(lián)系起來，選擇綜合性、實(shí)踐性的課題設(shè)計(jì)合理的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)。原則二：一體化設(shè)計(jì)，優(yōu)化教學(xué)過程。10%課時(shí)的跨學(xué)科實(shí)踐與90%課時(shí)的物理課程內(nèi)容應(yīng)作為一個(gè)整體，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)。要重視跨學(xué)科實(shí)踐在打破分科教學(xué)桎梏、變革教材內(nèi)容呈現(xiàn)形態(tài)與優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)方式上發(fā)揮的示范作用。但在教學(xué)中，更應(yīng)將跨學(xué)科實(shí)踐融入物理課程中，并根據(jù)課程內(nèi)容的主題特征，一體化設(shè)計(jì)跨學(xué)科實(shí)踐，優(yōu)化課程內(nèi)容與跨學(xué)科實(shí)踐的教學(xué)銜接，落實(shí)學(xué)科育人價(jià)值。原則三：動(dòng)手實(shí)踐，學(xué)用結(jié)合。跨學(xué)科實(shí)踐作為物理課程的有機(jī)組成部分，既強(qiáng)調(diào)新知識(shí)的學(xué)習(xí)，又強(qiáng)調(diào)已學(xué)知識(shí)的應(yīng)用。跨學(xué)科實(shí)踐尤其注重學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐，讓學(xué)生參與到實(shí)踐活動(dòng)中去，親身經(jīng)歷科學(xué)探究與問題解決，以此發(fā)揮跨學(xué)科實(shí)踐在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、交流評(píng)價(jià)等方面的優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移與運(yùn)用，提升物理課程的教學(xué)效果［8］。

3.2" " 實(shí)施路徑

物理跨學(xué)科實(shí)踐的教與學(xué)需要立足本學(xué)科的知識(shí)展開，跨學(xué)科實(shí)踐不能、也不應(yīng)該完全取代學(xué)科學(xué)習(xí)，后者在未來很長一段時(shí)間內(nèi)仍然是學(xué)生的主要學(xué)習(xí)方式。但是，核心素養(yǎng)時(shí)代的物理教學(xué)呼喚學(xué)習(xí)方式的更新與變革。跨學(xué)科實(shí)踐作為一種實(shí)踐活動(dòng)，可以運(yùn)用于課堂教學(xué)、考試評(píng)價(jià)、社會(huì)實(shí)踐等各個(gè)環(huán)節(jié)［6］。無論是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、STEM教育，還是基于問題解決的教學(xué)、科學(xué)探究等，都可以運(yùn)用跨學(xué)科實(shí)踐。但要真正在初中物理課程中把跨學(xué)科實(shí)踐落實(shí)到一線教學(xué)中，就要基于物理課程標(biāo)準(zhǔn)，使跨學(xué)科活動(dòng)能豐富物理學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)綜合實(shí)踐能力。

實(shí)施跨學(xué)科實(shí)踐，要以物理學(xué)科為引領(lǐng)，以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，以融合目標(biāo)為線索，路徑如圖1所示。首先，以物理跨學(xué)科實(shí)踐主題內(nèi)容要求、相對(duì)應(yīng)的案例和活動(dòng)建議作為跨學(xué)科實(shí)踐課程的基點(diǎn)，建立起跨學(xué)科實(shí)踐與課程內(nèi)容之間的聯(lián)系，為物理跨學(xué)科實(shí)踐的開展提供立足點(diǎn)。接著，將物理核心素養(yǎng)作為課程的目標(biāo)導(dǎo)向，并以此為線索，通過課程內(nèi)容與學(xué)情分析、跨學(xué)科領(lǐng)域確定與主題情境創(chuàng)設(shè)、開展實(shí)踐活動(dòng)三個(gè)步驟，來實(shí)施物理跨學(xué)科實(shí)踐。

物理跨學(xué)科實(shí)踐基于物理學(xué)科知識(shí)，教師要充分考慮學(xué)生的實(shí)際情況，通過物理課程標(biāo)準(zhǔn)、教材和已有的跨學(xué)科實(shí)踐分析案例；通過樹立跨學(xué)科大概念整合的意識(shí)，明確跨學(xué)科所涉及的其他學(xué)科領(lǐng)域，選取跨學(xué)科實(shí)踐的現(xiàn)實(shí)主題、創(chuàng)設(shè)真實(shí)的課程情境。物理教師通過設(shè)計(jì)（或開發(fā)）與所學(xué)課程內(nèi)容相應(yīng)的跨學(xué)科實(shí)踐案例供學(xué)生實(shí)踐，來幫助學(xué)生完善原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移融合［9］。在實(shí)踐過程中，既要鼓勵(lì)學(xué)生自主實(shí)踐，又需要教師在學(xué)生遇到困難時(shí)給予幫助。同時(shí)，在跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)中，要對(duì)學(xué)生的活動(dòng)表現(xiàn)與成果進(jìn)行多樣化評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生與教師多溝通交流。其中，物理核心素養(yǎng)作為課程實(shí)施的主線，既貫穿于跨學(xué)科實(shí)踐的教與學(xué)之中，也作為課程所要實(shí)現(xiàn)的具體目標(biāo)，是幫助學(xué)生形成正確物理觀念、提升科學(xué)思維、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的價(jià)值體現(xiàn)。

3.3" " 案例呈現(xiàn)

日本新頒布的課程標(biāo)準(zhǔn)中新設(shè)了《理數(shù)》學(xué)科，其目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合分析事物現(xiàn)象，靈活運(yùn)用數(shù)學(xué)和理科的視角和思維方式進(jìn)行科學(xué)探究、解決實(shí)際問題的能力。《理數(shù)》提供的探究課題頗具跨學(xué)科特色［10］，一部分課題與我國的跨學(xué)科實(shí)踐主題內(nèi)容比較相似，且課題探究過程符合圖1所示的實(shí)施路徑，這為教師的跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)提供了素材。

物理課程標(biāo)準(zhǔn)中跨學(xué)科實(shí)踐的內(nèi)容要求：能發(fā)現(xiàn)日常生活中與物理學(xué)有關(guān)的問題，提出解決方案［1］。通過分析物理課程標(biāo)準(zhǔn)、教材和學(xué)情（在初中物理教材中，學(xué)生要學(xué)習(xí)光現(xiàn)象和透鏡及其應(yīng)用），選取《理數(shù)》中的“管中窺圖”（調(diào)查透過圓筒看到的奇妙圖案）作為跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)主題［11］。

3.3.1" " 探究目的

透過金屬圓筒望向藍(lán)天，可以看到圖2所示的同心圓狀花紋，花紋是如何產(chǎn)生的？

3.3.2" " 研究方法

（1）如圖3所示，用照明裝置照亮屏幕，使照相機(jī)鏡頭的光軸和圓筒的中心軸一致，保證相機(jī)通過圓筒拍攝屏幕。另外，從圓筒左半部分入射的光線被阻擋時(shí)，通過筒拍攝的照片如圖4所示。（2）利用圖像分析軟件對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行分析。（3）改變圓筒的半徑、長度、材質(zhì)和光的波長，重復(fù)上述步驟并進(jìn)行觀察。

3.3.3" " 研究結(jié)果

（1）以拍攝的圖像為基礎(chǔ)，用物理模型表示花紋圖案。各區(qū)域的環(huán)間距離幾乎全部相等，其大小與筒的內(nèi)徑相等，如圖5所示。（2）圖6是各區(qū)域的相對(duì)亮度。越靠近外環(huán)的區(qū)域，亮度越低。另外，即使在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)，亮度也是從內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸降低。筒的內(nèi)徑、長度、材質(zhì)和光的波長等因素都不影響上述結(jié)論。

3.3.4" " 解釋推論

圖4產(chǎn)生的原因可能與金屬筒內(nèi)襯的反射有關(guān)。光在不同的光路上前進(jìn)到各個(gè)區(qū)域，從外部入射的光在圓筒內(nèi)的第1次反射落在第1區(qū)域內(nèi)，第2次反射落在第2區(qū)域內(nèi)，第3次反射落在第3區(qū)域內(nèi)，如圖7所示。基于此，可以驗(yàn)證各區(qū)域的環(huán)間距離與筒的直徑相等。

3.3.5" " 案例分析

學(xué)生狀況及教師指導(dǎo)建議的案例設(shè)計(jì)如表3所示。該案例從日常生活中的有趣現(xiàn)象出發(fā)，通過物理模型建構(gòu)和實(shí)驗(yàn)探究解釋現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)未知事物的探究精神和問題解決能力。案例在物理光學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)軟件分析等跨學(xué)科知識(shí)的融合。以問題解決為線索，通過科學(xué)假設(shè)與驗(yàn)證、任務(wù)分解等完成跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，使學(xué)生在活動(dòng)中提升問題解決能力和合作意識(shí)。

4" " 總結(jié)與思考

跨學(xué)科實(shí)踐作為革新物理課程內(nèi)容、培育核心素養(yǎng)的重要學(xué)習(xí)活動(dòng)，在消除分科教學(xué)弊端、促進(jìn)學(xué)科融合方面能夠發(fā)揮積極作用。遵循跨學(xué)科實(shí)踐的設(shè)計(jì)原則開發(fā)出可行性高的跨學(xué)科實(shí)踐案例，仍需要教師的不懈努力。同時(shí)，案例的開發(fā)也可以放眼于域外，參考借鑒其他國家的跨學(xué)科實(shí)踐案例及設(shè)計(jì)特點(diǎn)。案例開發(fā)不僅可以加深教師對(duì)跨學(xué)科實(shí)踐的理解，也能為學(xué)生的實(shí)踐提供豐富的內(nèi)容素材，為核心素養(yǎng)落地到物理實(shí)踐教學(xué)中提供便利。

同時(shí)，還要關(guān)注跨學(xué)科實(shí)踐的成果展示和實(shí)踐活動(dòng)評(píng)價(jià)。成果的形式是多樣的，既可以是成品模型，也可以是科技論文、調(diào)查報(bào)告等。成果展示為學(xué)生交流互動(dòng)、教師評(píng)價(jià)反饋提供了平臺(tái)與依據(jù)。評(píng)價(jià)的目的是為了促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)與發(fā)展。不僅要對(duì)實(shí)踐成果進(jìn)行評(píng)價(jià)，更要在實(shí)踐過程中對(duì)學(xué)生遇到的情況給予及時(shí)指導(dǎo)，使得跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)順利完成。當(dāng)然，推進(jìn)物理跨學(xué)科實(shí)踐不僅需要教師的努力，還需要學(xué)校課程的合理規(guī)劃與管理、教師教研團(tuán)體的通力合作以及社會(huì)家庭資源的支持等，從而保證學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐步形成正確的價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。

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（欄目編輯" " 賈偉堯）

收稿日期：2023-09-12

作者簡介：范兵（1999-），男，博士研究生，主要從事物理課程與教學(xué)論、教育測(cè)量與評(píng)價(jià)的研究。