初中物理跨學科教學探索

摘" 要：自《義務教育物理課程標準（2022年版）》頒布以來，跨學科教學已經成為亟待研究和實踐的重要課題。本文以“看得見的溫度”教學主題為例，給出了跨學科教學活動的實施路徑，在融入STEAM教育理念的基礎上，設計了科普宣傳、調查報告、手工制作、創(chuàng)客設計四個教學模塊，為跨學科教學的實施提供了參考案例。

關鍵詞：課程標準；初中物理；跨學科教學

新時代背景下，科技進步和社會生產愈發(fā)依賴于多學科融合。通過跨學科教學來培養(yǎng)學生運用多學科知識解決實際問題的能力已成為教育領域的共識。《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）在課程內容模塊，將跨學科教學設置為一級主題，確立了該模塊在未來教學中的重要地位。［1］國際上，芬蘭的現(xiàn)象學習、北愛爾蘭的結構化主題學習、美國的PBL項目式學習以及風靡全球的STEAM教育等教學模式，已經具有了跨學科教學的特征。近年來，我國的教育工作者們也開展了積極探索，為《課程標準》的順利實施積累了經驗并提供了教學資源。

1" 教學設計與實施

跨學科教學在本質上是創(chuàng)設真實問題情境，從不同學科視角對學生的知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀進行重構，幫助學生建立不同學科的知識脈絡，形成一個立體、鮮活的知識體系。在選取跨學科教學主題內容時，教師既要立足物理課程，又要跨出物理課程。跨學科教學強調知識點在不同學科中的特異性表現(xiàn)，同時還要促進不同學科知識點的有機融合。

1.1" 教學分析

開展跨學科教學活動，要立足物理學科知識，注重從多學科視角解決真實問題。教學目標的確立要依據(jù)《課程標準》，基于教材內容，關注學生身心發(fā)展和認知能力，以確保能夠促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展，并具有可行性、可操作性、可評價性。

1.2" 方案設計

為了實現(xiàn)預設的教學目標，教師需要制定翔實的教學活動計劃。制定的跨學科教學模塊要符合學生的認知發(fā)展規(guī)律，內容由淺入深、從簡單到復雜，分層次逐步展開、節(jié)奏性遞進。布置的任務不能過多占用學生的課外時間。跨學科教學活動的難易程度應符合學生的認知能力。

1.3" 課程實施

根據(jù)教學模塊的特征，教師要采用適宜的教學方式，及時了解學生的學習進展。根據(jù)學生的知識基礎，教師應給予合適的指導。教師應確保教學活動緊密圍繞教學目標，發(fā)揮支架作用，幫助學生克服認知困難。教學環(huán)節(jié)設置的問題要有啟發(fā)性，活動要突出學生的主體地位，為學生預留充足的探究和實踐時間、提供必要的活動空間和學習資源。

教師應從學生的認知水平出發(fā)，耐心解答學生的問題，營造學生的“自主”課堂。

1.4" 總結評價

跨學科教學要重視活動成果的展示和交流，教師應組織學生開展交流研討活動。教師可以安排學生通過宣傳海報、PPT講解、撰寫報告、設計作品、制作模型等多種方式呈現(xiàn)學習成果。根據(jù)成果的形式，教師還可以指導學生申報發(fā)明專利，撰寫科普論文或參加相關學科競賽，通過評價為學生提供成長依據(jù)，激發(fā)學生的學習興趣與潛力。評價貫穿跨學科教學的全過程，評價的主體、內容、方法應更加多元化，評價的框架應更加系統(tǒng)化和綜合化。

2" 教學案例：“看得見的溫度”

本文以“看得見的溫度”為教學主題，設計了四個項目式教學模塊，并實施了跨學科教學。

教師在教學設計與實施的過程中，應采用問題驅動的學習方法，以項目化理念為指導，發(fā)揮調查研究、手工制作、實驗探究對學生認知的積極促進作用。教師通過跨學科實踐，向學生揭示物理概念、物理規(guī)律在生活及工程中的重要作用。

本案例通過使用軟件處理、分析、模擬等方法來探究物理問題，以可視化的方式展示其過程，進而形成令人信服的結論。具體而言，如使用phyphox或Tracker等軟件來探究物理問題并展示物理過程，能讓學生感受到物理原理的巨大應用價值。在教學過程中，教師既要對物理知識進行深度挖掘，還要重視物理與其他學科知識的廣泛聯(lián)系。［2］

2.1" 模塊一：科普宣傳

當前中學物理教材以基礎性知識為主，雖然會涉及科學前沿、社會與生活，但常常受篇幅的限制。科普宣傳是進行跨學科實踐教學的有效方式之一，它可以有效地補充教材中缺乏的科普知識。在教師或專家指導下，學生可以通過查閱網絡資源、閱讀學術著作等方式，對主題素材進行加工、提煉，并通過開展講座、制作宣傳海報等形式，在班級或校內開展科普宣傳活動。學生圍繞具體的物理知識，闡述其在日常生活、工程技術領域的應用，以較低的時間成本獲得相關知識，從而激發(fā)自身對物理的熱愛。教師在指導過程中應注意把握科普內容的科學性、趣味性和適宜性。

本模塊的任務是探究“中國古代氣候變化與社會變遷”，這一主題涉及地理、歷史、藝術等多個學科的知識。教師可以在課前安排學生通過查閱歷史資料、學術論文、觀看紀錄片等方式，梳理氣候變化（主要是氣溫變化）與古代社會變遷之間的聯(lián)系，并制作宣傳海報在班級張貼，或制作多媒體課件在課堂上進行講解。中國古代社會以農業(yè)為基礎，由于生產力欠發(fā)達，社會受氣候變化的影響尤為強烈。歷史上，王朝的興衰成敗與氣溫的冷暖變化存在著一定的對應關系。歷史資料表明，地球平均溫度即使發(fā)生1～2℃的微小變化，也足以影響人類的生產活動，甚至能夠改變歷史的進程。太陽黑子的爆發(fā)周期、地球公轉軌道和地軸的周期性變化是決定地球大氣溫度的重要因素。以“溫度”為紐帶，地理、歷史、氣候等相關知識在這千年為經、光年為緯的時空中交匯。時至今日，全球氣候變化和極端天氣仍然是人類社會需要面對的共同挑戰(zhàn)，而跨學科研究則是應對氣候變化的有效途徑。教師采用科普報告方式進行教學，可以讓學生最大限度地整合各類知識資源。該方式具有不受硬件資源約束的優(yōu)點，同時可以培養(yǎng)學生關心社會發(fā)展的情懷。

2.2" 模塊二：調研報告

調研報告是通過實地考察、交流訪談、問卷調查以及數(shù)據(jù)查詢等方式，對具體領域或社會問題進行深度分析，并給出解決方案。開展調查研究是撰寫高質量調研報告的先決條件，而撰寫調研報告則可以加深學生對不同學科知識的理解，是課堂教學的有效延伸和必要補充。此外，調研活動還可以增強學生對社會的認識和了解，培養(yǎng)他們的社會責任感。在開展調研活動時，教師應協(xié)助學生制定活動細則，并注意方案實施的可行性、安全性等問題。在必要時，教師和家長應共同參與，以確保活動順利進行。

本模塊的任務是認識“城市熱島效應”，這一現(xiàn)象涉及城市規(guī)劃、大氣科學等領域的知識。宋朝詩人陸游在《秋懷》中寫道：“園丁傍架摘黃瓜，村女沿籬采碧花。城市尚余三伏熱，秋光先到野人家。”詩中后兩句說明近千年前古人就觀察到了城市熱島效應。城市中心區(qū)域的溫度顯著高于郊區(qū)或周邊農村的溫度，這種現(xiàn)象被稱為熱島效應。在現(xiàn)代社會，熱島效應不僅會增加制冷能耗，還會對城市居民，特別是老年人的健康構成風險。為緩解熱島效應，人們進行了諸多研究，發(fā)現(xiàn)綠色植被通過蒸騰、遮陽以及高反照率能夠降低環(huán)境溫度。此外，合理的城市規(guī)劃可以使冷風氣流穿透城市內部街區(qū)，從而緩解熱島效應。近年來，科學家還提出了“輻射制冷”的新技術，有望在未來為城市降溫。教師可以通過查閱氣象局公開數(shù)據(jù)或科研論文，統(tǒng)計所在城市各區(qū)域的氣溫情況，并引導學生從建筑分布、綠色植被及水體分布等多個角度討論影響城市氣溫的因素，分析市區(qū)與郊區(qū)溫度差異的形成原因。在調研過程中，學生學會查閱行業(yè)數(shù)據(jù)，并能夠使用專業(yè)工具（如地圖軟件等）分析城市地表特征。通過調研任務的實施，學生能夠理解“溫度”不僅僅是教材中抽象的物理概念，而且與我們的生活息息相關。知識不應該局限于單一學科，而是要進行跨學科整合，形成廣泛聯(lián)系。學習不僅是為了考試，更是為了解決實際問題，改善人們的生活。

2.3" 模塊三：手工制作

手工制作是一種實踐活動，學生利用使用常見工具和材料，發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，進行手工創(chuàng)作，以解決實際生活中遇到的問題。在物理教學中，手工制作過程包括收集生活中常見的材料和物品，進行創(chuàng)意設計，并制作出具有特定功能的結構或模型，以此來揭示相關的科學原理或物理規(guī)律。例如使用紙板、亞克力板、彩泥等材料制作保溫建筑模型，可以幫助學生加深對熱傳導規(guī)律的理解。通過手工制作，學生不僅能夠表達自己的設計思想，還能培養(yǎng)自身的審美情趣，增長知識和經驗。

本模塊的任務是“自制溫度計”，這是一項涉及手工制作的實踐活動。教師需在課前準備好實驗材料，包括帶乳膠塞的玻璃瓶、透明吸管、紅色墨水、酒精、塑料杯、冷水、熱水，以及溫度計等。實驗前，教師引導學生探討酒精溫度計的工作原理。學生經過討論、設計、制作、修改等環(huán)節(jié)，最終確定如下自制溫度計的步驟：首先，將酒精用紅色墨水染色后裝入玻璃瓶；然后，蓋上乳膠塞，插入透明吸管；最后，將玻璃瓶分別放入冷水和熱水中，觀察和對比酒精液面的變化。

在探索制作溫度計的過程中，學生可能產生兩個猜想：一是認為瓶中留存的空氣受熱膨脹產生壓力，推動液面升高；二是認為玻璃瓶受熱膨脹導致內部體積縮小，從而使液面升高。為驗證上述兩個猜想，學生對作品進行改進，使玻璃瓶內部不留間隙地充滿紅色墨水，放入熱水后發(fā)現(xiàn)紅色液面持續(xù)升高，從而排除了空氣膨脹產生壓力的猜想。為了驗證第二個猜想，學生需要闡明熱膨脹時玻璃瓶內部體積是增大，不是縮小。

通過查閱紅色酒精（用酒精近似代替）和玻璃的熱膨脹系數(shù)，學生發(fā)現(xiàn)前者的數(shù)值是后者的數(shù)千倍，因此玻璃瓶膨脹帶來的影響可以忽略不計。至此，學生充分相信自制溫度計液面的升高是由于酒精受熱膨脹引起的。最終作品效果如圖1所示，放入左邊冷水杯中的酒精液面沒有變化，溫度計顯示溫度為28.0℃；放入右邊熱水杯中的酒精液面快速上升，最后穩(wěn)定在固定的高度，溫度計顯示溫度為46.0℃。手工制作活動不僅可以培養(yǎng)學生的動手操作能力，還有利于知識的建構。通過探究性實驗，教師能夠培養(yǎng)學生嚴謹?shù)乃急婺芰Α?/p>

2.4" 模塊四：創(chuàng)客設計

創(chuàng)客設計是一種使用數(shù)字化工具把創(chuàng)意變成現(xiàn)實作品的新型教育模式，它旨在培養(yǎng)學生的跨學科問題解決能力，并強調團隊協(xié)作精神。與手工制作相比，創(chuàng)客設計的顯著特點在于其對信息技術和數(shù)字化工具的運用。3D打印、可編程硬件和傳感器的應用是創(chuàng)客設計中比較常見的形式。教師在進行創(chuàng)客設計的教學中應重視信息技術及數(shù)字化工具的使用，并圍繞跨學科實踐的教學目標進行教學設計，這包括基于微型控制器編寫程序代碼、使用傳感器采集數(shù)據(jù)，以及利用軟件展示實驗數(shù)據(jù)等。

本模塊的任務是“自制小冰箱”，該任務涉及電子技術的知識。

在創(chuàng)客設計中，通常會涉及信息技術等知識與技能，教師要進行必要的示范和指導。教師需要提前準備直流穩(wěn)壓電源（邁勝；MS-3010DS）、半導體制冷片（富信；TEC1-12706）、紅外熱成像模塊（英菲；MLX90640）及熱成像軟件。半導體制冷片是一種熱電交換裝置，可以實現(xiàn)電流和熱量的相互轉換。其內部由P型半導體及N型半導體陣列組成，表面有字的一面是冷端，無字的一面是熱端。熱端通常要加上鋁散熱片，必要時還需加入風扇以增強散熱效果。

自制小冰箱及其檢測裝置如圖2所示。制冷片按正負極對應接入直流電源，設置電壓為11.57 V、電流為3.001 A。使用紅外熱成像攝像頭對制冷片進行攝像，并將數(shù)據(jù)上傳到計算機，通過軟件展示制冷片的溫度分布。半導體制冷片接入電源后每隔5秒保存的4幅熱成像圖，中央逐步封閉的方形區(qū)域為散熱片熱場，中心區(qū)域為制冷區(qū)（見圖3）。

可以看到，經過20秒后，冷區(qū)的溫度從28.4℃下降到24.5℃。有別于傳統(tǒng)教學模式，創(chuàng)客設計能夠將工程實踐融入教學，這可以極大地激發(fā)學生的好奇心，并幫助他們樹立運用工程技術解決問題的意識。

3" 結論

本文旨在突破初中物理的傳統(tǒng)教學模式，以“看得見的溫度”作為教學主題進行跨學科教學設計，給出了跨學科教學活動的設計路徑，設計了科普宣傳、調查報告、手工制作、創(chuàng)客設計4個相互關聯(lián)的教學模塊，為中學物理跨學科實踐的開展提供了參考。

教師利用不同類型的教學模塊，有助于激發(fā)學生內心深處的學習熱情，讓他們在實踐中體驗學習的樂趣，有助于落實新時代“雙增”“雙減”的政策要求。以項目化的教學模塊為載體，還可以幫助教師在教學過程中探索跨學科教學與人文藝術、思政教育的融合。

參考文獻

［1］李春密，張霄. 《義務教育物理課程標準（2022年版）》的變化分析 ［J］. 物理教師，2022，43（6）： 35-44．

［2］劉健智，胡惠琪. 物理教學融入STEAM教育：物理—STEAM課程教學模式的構建 ［J］. 物理教學，2022，44（6）： 15-19．