高中物化結合的跨學科教學實踐

【摘要】以高中物理教學中所使用的靜電力理論和常用受力分析方法為基礎，以參與化學反應的微觀粒子的動力學模型為主線，討論了物理與化學科目分科教材的不同表述，及其給學生造成的常見誤解；從科學哲學的高度審視模型思維的嵌入與深化，梳理了物理與化學兩種視角的關系；利用電磁力主導的復雜靜電力模型，對接高中物理與化學兩科對分子作用力的各自表述；類比電子軌道與行星軌道的動力學和能量特性，以整體法、隔離法探討化學鍵的微觀動力學本質；本文還討論了物化結合教學，在教學進度、模型簡化、邏輯線索梳理等方面所面臨的實際困難。期望探索和打開高中物化學科交叉內容的教學思路。

【關鍵詞】高中教學；跨學科；物化結合；靜電力；化學鍵

物理與化學兩個學科，同為現代文明的基石。觀點的結合與模型的統一，對學生同時理解掌握兩種學科的內容和思維方式，具有極其重要的作用。就知識體系而言，物理與化學兩種學科的模型，既原則上相通，又有具體理想化條件的區別。而限于各種軟硬件條件，分科教學不可避免地會造成內容割裂乃至表述上的矛盾。以高中生現有的理解能力和認知水平，完全依靠自由思考將兩個學科的思維和各種模型邏輯進行貫通是非常困難的，有必要由教師主動引導，并進行特定內容的直接傳授。

一、高中生在對照物化兩科知識點時產生的常見疑問舉例

1.物理教材中的分子力與化學教材中的分子間作用力是不是一回事

新課標人教版化學教材中，僅僅表述了“分子之間存在著相互作用力”“范德華是最早研究分子間普遍存在作用力的科學家，因而把這類分子間作用力稱為范德華力”。只陳述了諸如壁虎抓墻這種范德華力體現為引力的例子，沒有明確表達是否存在斥力。物理教材中則詳細表述了分子力既可能表現為斥力也可能表現為引力。這就難免使學生感到無所適從。

2.范德華力與氫鍵到底區別在哪

物理教材中只介紹了分子力，沒有提到范德華力、氫鍵。化學教材中又說分子間存在作用力，叫做范德華力，緊接著下一頁就提出還有一種作用力叫做氫鍵。那么依前后文理解，氫鍵是不是分子間作用力？到底什么樣的分子間作用力才算是范德華力？讓人不明所以。

要想解決上述困難乃至矛盾，必須有意引導學生，超越兩個學科在高中階段的話語局限，從科學哲學的高度尋找戰略方向，再著眼具體的科學理論，尋求表述的統一。

二、理想模型思維的嵌入與深化

1.模型理想化的哲學思維訓練

對大多數物化選科生而言，政治往往不是選考科目，對于唯物辯證法的學習不夠充分，培養學生相應哲學思維習慣的任務往往被忽略，需要物理教師補上這一環節，專門從科學哲學的角度傳授主要矛盾與次要矛盾的辯證關系。

筆者在每屆高中新生第一堂物理課就會開始這項工作。通常高一物理第一課會介紹質點和位移，并且適度展開對理想化模型的表述。筆者會通過舉例闡明工具的使用價值由用途決定，科學實驗的高精度伴隨高成本，精度的利弊由需求決定。模型的好壞也看其是否即便利又準確，因而自然科學中會出現許多近似模型。在后續的位移概念中，便是忽略了大量次要信息，突出主要信息。因而在使用位移概念處理問題時，就H4cOFnYgZP8Am3Cj0I3Lo2niYEV2lz8QTv5mfOR2Vxo=一定要注意使用條件。特別是當精度要求比較高時，就要將整段運動分解為多段位移，選取節點要盡量的多。涉及辯證法的素材還有許多，比如體現“天之道，損有余而補不足”的楞次定律，體現“道生一，一生二”的電荷、動量守恒等。通過這些思辨訓練，幫助學生形成綜合思考的習慣。

2.科學模型的邏輯結構

在高中物理受力分析中，往往將研究對象視作質點。這在微觀視野下，正好適用于絕大部分微觀粒子的相互作用，當研究對象不能視作質點時，則需要使用近似方法。在熱學中還存在壓強不能過高、溫度不能過高的限制條件，這些條件也同時存在于一般化學反應過程中，在物化結合時就要加以辨析。比如超高溫高壓會破壞電子殼層結構，直接將物態轉化為基本粒子的組合方式。由此闡明，當近似模型不能適用時，就必須回到更基礎的模型，重新設定近似條件。

三、從庫倫定律到復雜靜電力模型

1.庫倫定律的理想化條件與應用范圍

宇宙中已知的四種基本作用力中，電磁力直接主導了化學反應。庫倫力在分析少數粒子行為時便利，而在分析分子、原子整體相互作用力時就會過于復雜，因而化學中才會引入各種各樣的次級模型幫助分析。沿著這個思路，筆者得以初步梳理物化結合的表述邏輯。

2.復雜靜電力模型的簡化

原子、分子間作用力，是一大堆電正性原子核和電負性電子的靜電力相互作用。在物理學中將這一系列相互作用的靜電力合成為分子力在距離上呈現出分子力曲線。化學中的范德華力是在直接觀察中發現的，可以近似對應于分子力的近程引力部分。從兩者概念的建立過程便可使學生理解其歷史原因，范德華發現的只是冰山一角，隱藏在水面下的龐大冰體，則是更深層次的基本作用力關系。

而氫鍵則可通過隔離法將呈現微弱電正性的氫原子當做單獨的研究對象，同時將另外一個呈現微弱電負性的原子視作研究對象，這樣兩者間就存在庫倫引力，同時由于其電性微弱，便可解釋氫鍵作用力微弱的原因。

最后可以展開辨析，氫鍵與范德華力、分子力，本質相通，但針對問題不同，具體的受力分析對象也有差異，從而造成了表述差異。

四、化學存在形態的物理學本質

1.電子繞核運動的經典動力學和量子特性

以盧瑟福原子行星模型為基礎，建立庫倫力等于向心力的方程式，類比天體運動萬有引力等于向心力的方程，可看出電子軌道越高則速度越慢、且機械能越高（如圖1）。

電子會不斷自發輻射躍遷至低能級，從而填滿低能級，可以類比經典力學中低能狀態更穩定的常識。再結合經典模型給出的能量關系，便可以更為可靠地解釋能量最低原理。另外，利用長橢圓軌道與理想圓軌道的對比，還可以類比電子的能級交錯現象，雖然并不嚴謹，卻可以引導學生從另一個角度去理解電子云。

圖1 行星軌道與電子軌道經典模型

2.以高中物理視角闡釋離子健和共價鍵

兩種基本化學鍵看似簡單，在化學必修教材中缺乏理論乃至唯象的充分辨析。類比一顆行星同時圍繞一對雙恒星系統公轉，他們會共同組成一個獨立星系。如果一顆行星被另一個恒星奪走，他們依然是兩個獨立的星系。這就很好解釋離子鍵化合物的水解等許多特性（如圖2）。

圖2 整體法視角下的離子鍵與共價鍵

化學反應過程被歸結為舊化學鍵斷裂和新化學鍵形成的過程，使用更為底層的邏輯就可以表述為：化學反應過程是電子運動狀態的重新安排，從而將化學鍵視為電子運動方式的簡化表述，是為模型“壓縮包”。因為不同的化學鍵表示的就是不同的電子運動方式，不同的運行軌道有著不同的機械能，所以當化學鍵發生變化時，必然伴隨能量的釋放和吸收。以此為基礎再引入電子云，也會更易于表述西格瑪鍵與派鍵的區別等內容。

3.金屬鍵與晶體熔點的物理學本質

將一個正離子從金屬中摘去，那么它的空間周圍作為一個整體就必然呈現電負性，會對這個正離子存在各個方向的引力。再對比電子氣模型進行探討，可知電子氣也使用了整體法和隔離法思路。對于晶體而言，化學鍵整齊劃一，沖破化學鍵需要的分子動能也一致，所以當溫度達到熔點時，會有大量分子處于沖破化學鍵所需要的臨界動能，宏觀上便會熔化成為液體。由于熔化過程使電子的運動軌跡發生改變，也就是化學鍵發生了變化，也就伴隨了能量的顯著變化，因而在溫度不變的條件下不斷吸熱。

4.從底層邏輯到大千世界

依微觀粒子的動力學規律搭建出化學原理，進而決定了結構和物性，以此又可以進一步解釋彈力、摩擦力這種宏觀近似模型，并依此將彈力歸結為電磁作用力。我們想要向學生展現的是這樣一種情境：現實世界建立在化學物質之中，化學過程之基礎在于微觀粒子的動力學，由此一直通向科學工作者心目中的終極統一理論。反之，底層邏輯決定上層規則，不斷架構，直抵我們眼前的大千世界。

五、物化結合教學的實踐舉例

對于上述內容，筆者以補充和拓展形式為主，進行了一系列教學實踐，現將一些內容設計思路簡介如下：

1.化學鍵的區分

教學形式：課后討論。

教學時機：在高一第一學期物理課受力分析“整體法/隔離法”相關內容完成后，這時化學課中兩種化學鍵的初步介紹早已完成，可以進行知識點綜合。

設計思路：以“整體法/隔離法”為理論方法，以化學鍵為應用范例，重新區分兩種化學鍵，進而回歸物理模型的簡化。

2.分子力的解釋

教學形式：課內討論。

教學時機：在高二第二學期物理課進行到分子運動的分子力內容時，正好回顧化學中提到過的范德華力、氫鍵等分子間相互作用力。

設計思路：首先闡明分子力來源于庫侖力，然后將庫侖力合成為分子力，有時可表現為斥力，有時可表現為引力。帶領學生回顧化學課表述的分子間相互作用力，對比物化兩科在此內容上表述的異同，使學生理解其本質相通，只是針對問題的不同以及歷史原因造成了表述的差異。

3.固體

教學形式：課內提問、討論。

教學時機：在高二第二學期物理課進行到固體內容時，化學課晶體結構的學習早已完成，筆者將其引入物理課堂用以解釋物理現象。

設計思路：在該節新課的引入環節便可以預設問題，讓學生思考各向異性、熔點等現象的微觀本質。當固體的基本分類介紹完成后，展開討論，以化學中介紹的晶體結構為理論依據，解釋物理課介紹的晶體宏觀特性。

以上內容雖不涉及具體的計算訓練，但卻在模型思維層面上使兩個學科構成了有效的溝通，雙向激活，促使學生進一步形成更加完整的知識網絡，同時深化了對兩個學科內容的理解，增強了思維能力。

六、物化結合教學的困難與挑戰

1.進度難以配合

兩個學科的內容前后錯位，學科融合專題難以與課內教材同步且內容跳躍過大，會使得思維能力較弱的學生難以接受，所以在教學內容與教學時機的搭配上還需謹慎處理。

2.模型的簡化處理難以取舍

比如原子結構與分子構型，原理上繞不過量子論，但又無法在高中基礎上完善地解釋電子云。這就需要我們進一步提高學科水平，思考和實踐打磨相關內容的銜接設計。

3.邏輯線索難以梳理

學科本身有歷史發展邏輯、理論自洽邏輯、認知過程邏輯，這三條邏輯線時而匯聚，時而殊途。我們要設計跨學科教案，就不得不重新梳理學科邏輯線，這對教師的專業素養和綜合素質提出了相當高的要求。

學科融合應該以本學段為基，優先解決本學段迫切需要解決的問題，同時敞開更廣闊的思維空間，在科學性、成效性、前瞻性之間取得平衡。自然科學的實證精神和理論自洽，要求務必邏輯一致，這樣才能使學生真正理解透徹，以達成課標要求。

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