指向核心素養培養的高中物理跨學科教學設計

張聰聰 謝明艷 林興如 董麗娜 鄭勤紅

［摘 要］依據《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》，基于高中物理跨學科教學的主要困難，以“楞次定律”為例提出指向核心素養培養的跨學科教學設計策略。指向核心素養培養的高中物理跨學科教學，以促進學生核心素養發展為目標，以實驗為載體，以分析解決問題為主要教學內容，為高中物理教師的跨學科教學提供參考和借鑒。

［關鍵詞］核心素養；跨學科教學；楞次定律；教學設計

［中圖分類號］??? G633.7??????? ［文獻標識碼］??? A??????? ［文章編號］??? 1674-6058（2024）14-0044-04

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（簡稱《物理課標》）指出，為促進學生物理學科核心素養的發展，課程學習中要倡導基于項目的學習或整合學習等方法，促進學生基于真實情境下學科和跨學科問題解決能力的發展，促進學生素養的發展［1］。同時還指出，物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面［2］。這四個方面相互關聯，其中科學思維是科學探究的基礎，物理觀念和科學態度與責任是科學思維的結果［3］。截至目前，初中物理跨學科教學設計研究成果較為豐碩，高中物理跨學科教學設計研究則相對較少，但高考物理試題中有大量的涉及跨學科的內容［4］。

基于此，本文先分析高中物理跨學科教學的主要困難，再以“楞次定律”為例具體闡述指向核心素養培養的高中物理跨學科教學設計策略，以期為高中物理教師的跨學科教學提供參考和借鑒。

一、高中物理跨學科教學的主要困難

《物理課標》對于跨學科的表述理論性較強，可直接運用的內容相對較少，這一方面增加了高中物理跨學科教學的難度，而另一方面為高中物理跨學科教學創造了巨大的創新空間。目前，高中物理跨學科教學主要存在以下困難。

（一）跨學科教學內容的選取相對困難

跨學科教學內容的選取，不僅需要具備跨學科的形式，而且需要實現更高層次的教學目標。高中物理跨學科教學內容既涉及高中物理的重要知識，又涉及其他學科的重要知識，所以高中物理跨學科教學內容的選取相對困難。

（二）各學科教學進度不同引發的困難

由于各個學科的教學進度并不是按照跨學科教學設計需要而設置的，其他學科的教學進度往往滯后于高中物理，導致高中物理中符合跨學科教學條件的知識內容較少了，從而影響跨學科教學的開展。

（三）跨學科問題設計中認知負荷的評估存在困難

根據《物理課標》，高中物理跨學科教學需要設置問題，讓學生通過解決問題提升自身的核心素養。高中生在解決問題時所能承受的認知負荷是有限的，跨學科問題設計中學生認知負荷的評估較為困難。因此，在高中物理跨學科教學中教師要盡量降低內在認知負荷和外在認知負荷的比重，增加有效認知負荷的比重，以實現認知負荷的有效評估。

二、指向核心素養培養的“楞次定律”跨學科教學設計

（一）分析教材，遴選主題

楞次定律是電磁感應現象與電磁感應定律的橋梁，是學生學習選擇性必修第二冊“電磁感應”章節內容的重要基礎。楞次定律中的“阻礙相對變化”具有跨學科性，因此“楞次定律”適合作為跨學科教學內容。化學的勒夏特列原理中的“化學平衡朝著削弱影響因素變化的方向移動”與楞次定律中的“阻礙磁通量相對變化”具有較強的關聯性，都反映了系統自身應對外部條件變化的作用，且勒夏特列原理的教學進度剛好略早于楞次定律，由此提煉出“阻礙相對變化”這一跨學科教學主題。

（二）依托主題，設定目標

依托主題，將“楞次定律”跨學科教學的目標確定為：（1）通過楞次定律“感應電流的磁場阻礙磁體做相對運動”，培養運動與相互作用觀念和能量觀念；（2）通過楞次定律和勒夏特列原理的作用過程分析，培養邏輯思維能力；（3）通過分析、歸納楞次定律和勒夏特列原理的共同規律，培養科學思維能力。

（三）瞄準目標，設計問題

為實現既定教學目標，從“感應電流的磁場阻礙磁體做相對運動”和“能量守恒”兩個方面設計問題。首先，設計有關影響感應電流方向的因素的問題，引導學生探究感應電流的磁場阻礙磁體做相對運動的原因，分析總結出楞次定律，厘清楞次定律各物理量之間的邏輯關系。其次，設計能量轉化與守恒跨學科問題，使學生充分認識到楞次定律和勒夏特列原理都遵循自然界的普遍規律——能量守恒定律。最后，引導學生厘清勒夏特列原理各個參數之間的邏輯關系，分析比較楞次定律與勒夏特列原理的共同點。

（四）精心設計，高效教學

1.探究影響感應電流方向的因素

課堂導入：線圈與電流表相連（如圖1），將磁體的某一個磁極插入線圈中或從線圈中抽出，電流表的指針發生了偏轉，但兩種情況下偏轉的方向不同，這說明感應電流的方向并不相同，感應電流的方向與哪些因素有關？通過該問題引導學生思考影響感應電流方向的因素。

教學設計：首先，將磁體的不同磁極分別插入線圈和抽出線圈，使電流表的指針向不同方向偏轉，讓學生了解感應電流的方向與磁體的運動存在著一定的聯系（實驗操作1）。其次，帶領學生進行不同磁極靠近、遠離閉合銅環的實驗，使學生直觀感知感應電流的磁場對原磁場的阻礙作用，確定感應電流的磁場與原磁場的關系——“來拒去留”（實驗操作2）。再次，以感應電流磁場的方向為中間變量，結合感應電流方向和感應電流磁場方向的聯系（安培定則），以及感應電流磁場方向和原磁場方向的聯系（“來拒去留”），引導學生總結出楞次定律。最后，引導學生建構楞次定律各物理量之間的邏輯關系圖。

（1）實驗操作1

將學生進行分組，按小組分發儀器；為學生介紹探究步驟及注意事項（包括線圈與電流表的連接；根據電流表指針的偏轉方向判斷線圈中感應電流的方向）；布置探究任務，讓學生進行實驗操作：將磁體的不同磁極分別插入線圈和抽出線圈，并記錄數據（見表1）。磁體的N極插入線圈，感應電流的方向為逆時針方向（俯視），如圖2（a）所示；磁體的S極插入線圈，感應電流的方向為順時針方向（俯視），如圖2（b）所示；磁體的N極抽出線圈，感應電流的方向為順時針方向（俯視），如圖2（c）所示；磁體的S極抽出線圈，感應電流的方向為逆時針方向（俯視），如圖2（d）所示。

分析表1中的實驗數據可知：感應電流磁場的方向與磁體磁場的方向可能一致，也可能相反，暫時無法找到它們之間的邏輯關系，但感應電流磁場的方向與感應電流的方向之間存在著一定的邏輯關系。

（2）實驗操作2

讓學生分組進行如圖3所示的實驗，引導學生觀察磁體的不同磁極在靠近與遠離閉合銅環的過程中銅環的相對運動情況，并記錄數據（見表2）。①當磁體的N極靠近銅環時，銅環將遠離磁體，如圖3（a）所示；②當磁體的S極靠近銅環時，銅環將遠離磁體，如圖3（b）所示；③當磁體的N極離開（遠離）銅環時，銅環將靠近磁體，如圖3（c）所示；④當磁體的S極離開（遠離）銅環時，銅環將靠近磁體，如圖3（d）所示。

綜合分析表2中的實驗數據可知：①銅環附近由感應電流產生的磁場始終阻礙磁體的相對運動，對磁體表現為“來拒去留”，即當磁體靠近（“來”）時表現為遠離（“拒”），當磁體遠離（“去”）時表現為靠近（“留”）；②當穿過銅環的磁體磁場增加時，感應電流所產生的磁場的方向與磁體磁場的方向相反；當穿過銅環的磁體磁場強度減小時，感應電流所產生的磁場的方向與磁體磁場的方向相同，即感應電流所產生的磁場的方向與磁體磁場的方向表現為“增反減同”。由此可以總結出，感應電流所產生的磁場總是阻礙引起感應電流的磁通量的變化，這就是楞次定律。

（3）分析總結楞次定律的邏輯關系

總結獲得楞次定律之后，教師結合實驗操作2，向學生提問：“是什么在阻礙磁體？（感應電流所產生的磁場）阻礙什么？（阻礙磁體相對銅環運動、阻礙閉合導體回路中原磁通量的變化）如何阻礙？（產生感應電流，感應電流又產生磁場）為什么不是阻止？（楞次定律是能量守恒定律在電磁感應中的體現，若完全阻止磁通量的變化，則無法產生感應電流，也就不存在楞次定律）在學生順利解決相關問題后，教師引導學生建構楞次定律的邏輯關系（如圖4），以及磁體與線圈之間的相互作用模型，培養學生的科學思維能力。

[磁體相對銅環運動][引起閉合導體回路中磁通量的變化] [感應電流的磁場阻礙磁體相對銅環運動，即阻礙銅環中磁通量的變化] [感應電流產生磁場] [產生感應電流]

圖4 楞次定律的邏輯關系

2.解決跨學科問題

課堂導入：自然科學中，雖然每個學科都有大量的定律、原理，但不同學科中的部分定律、原理存在著相同或相似的邏輯關系或相互作用模型，亦即不同學科之間存在著某些共同的規律，那么楞次定律與勒夏特列原理有什么相同或相似之處呢？通過該問題，引發學生對“楞次定律中阻礙作用”的跨學科思考。

教學設計：首先，給學生介紹實驗裝置（如圖 5）及相應器材：可操作的強磁棒和改裝過的集氣瓶。改裝過的集氣瓶由瓶塞、銅管、瓶體組成。銅管的內徑大于強磁棒的直徑，銅管的外表面有油脂膠涂層，銅管的底部澆注蠟液進行密封，銅管穿過挖有孔洞的瓶塞，銅管的頂部與瓶塞接觸部分以油脂膠進行黏接密封。其次，介紹操作步驟。再次，以集氣瓶內氣體顏色變化的原因分析為切入點，引導學生建構勒夏特列原理在溫度變化條件下的邏輯關系。最后，通過分析楞次定律與勒夏特列原理的邏輯關系，比較楞次定律與勒夏特列原理的共同點，形成對“阻礙相對變化”的跨學科認識。

（1）實驗操作3

在集氣瓶內注入 NO2和N2O4 （NO2為紅棕色氣體，N2O4為無色氣體）混合氣體后，蓋緊貫穿有銅管的瓶塞，先用紅外測溫槍測量集氣瓶的溫度[T1]，之后將強磁棒不斷快速反復插入、抽出銅管（為避免破壞銅管底部的密封層，強磁棒移動中盡量不要觸及銅管底部），直至集氣瓶內氣體顏色明顯加深，再用紅外測溫槍測量集氣瓶的溫度[T2]，比較兩次溫度的差異，觀察集氣瓶內的顏色變化。

因果關系分析：NO2生成N2O2反應為可逆反應，NO2生成N2O4放熱，N2O4生成NO2吸熱。集氣瓶內的顏色逐漸加深說明有色氣體 NO2增多，NO2增多說明該化學反應朝著吸熱方向進行，即集氣瓶內溫度升高造成的結果，紅外測溫槍測量結果對此進行了證明。集氣瓶內溫度升高是由于強磁棒不斷反復插入、抽出銅管（外力移動強磁棒做功），銅管內產生感應電流使銅管發熱。由此，引導學生從能量轉化和守恒的視角解釋該現象，并使學生明白該化學反應所需要的熱量來自銅管中感應電流所產生的焦耳熱，線圈中的感應電流則來源于外力對強磁棒所做的功。

（2）分析總結勒夏特列原理的邏輯關系

根據實驗操作3，結合勒夏特列原理“如果改變影響平衡的一個因素（溫度、壓強及參加反應的物質的濃度），則平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動”，進行提問：“阻礙什么？（阻礙化學平衡條件的改變，即阻礙溫度升高）是什么在阻礙溫度升高？（化學平衡的移動）如何阻礙？（使化學平衡移動朝著吸熱方向進行，借此消耗部分熱量，建立新的化學平衡，阻礙溫度升高）在學生順利解決這些問題后，教師引導學生建構勒夏特列原理的邏輯關系（如圖6），加深學生對勒夏特列原理的理解。

[化學平衡條件改變

（溫度升高）][化學平衡被破壞][正反應速率等于逆反應速率，產生新的化學平衡和新的平衡溫度，阻礙溫度升高][正反應速率低于逆反應速率，化學平衡朝著逆反應（吸熱）方向進行]

圖6 勒夏特列原理的邏輯關系

（3）分析總結楞次定律與勒夏特列原理的共同規律

教師引導：根據楞次定律的邏輯關系圖和勒夏特列原理溫度參數變化邏輯關系圖，分析比較楞次定律與勒夏特列原理的共同規律，引導學生分析總結出楞次定律與勒夏特列原理都“阻礙相對變化”，都遵循能量守恒定律，從而促進學生對楞次定律勒夏特列原理的理解，培養學生的科學思維能力，鼓勵學生在未來的學習和工作中大膽開展跨學科研究。

綜上可知，指向核心素養培養的高中物理跨學科教學設計，不僅既具有理論意義，而且具有實踐指導價值，廣大高中物理教師應參考和借鑒，基于《物理課標》和高中物理教材，有效開展高中物理跨學科教學，培養學生的物理學科核心素養。

［?? 參?? 考?? 文?? 獻?? ］

［1］［2］? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］? 張文，茅艷婷.基于科學思維培養的物理課堂探究活動設計：以“分子的無規則運動”教學為例［J］.物理教學，2022（3）：29-31.

［4］? 鄧天華，傅敏.從2022年高考試題看物理跨學科教學［J］.物理教師，2023（1）：16-19.

（責任編輯 黃春香）

［通信作者］鄭勤紅（1962— ），男，博士，教授，博士生導師，主要從事物理教學、計算物理等研究。