高中數學物理跨學科主題學習的理論基礎研究

摘要：當前高中數學教學中，部分學生難以將數學知識應用于實際物理問題的解決.為應對上述挑戰，本研究基于對高中數學物理跨學科主題學習理論基礎的深入分析，從創設多元教學情境，深化跨學科主題學習體驗；布置項目學習任務，強化跨學科主題知識應用；完善教學評價機制，保障跨學科主題學習成效三個方面，對高中數學物理跨學科主題教學策略展開研究.

關鍵詞：跨學科主題學習；教學情境；教學評價

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2025）09-0049-03

為適應新時代人才培養需求、提高學生的綜合素質，跨學科教學已成為教育改革的重要方向.跨學科教學是指將兩個或兩個以上學科的知識、方法、思維等進行有機融合，以提高學生的綜合素養和創新能力.高中數學與物理學科在研究對象、研究方法、思維方式等方面具有很高的契合度，這為跨學科教學提供了良好的基礎.然而，在實際教學中，數學物理跨學科教學面臨著諸多挑戰[1].一方面，部分教師受限于傳統的學科觀念，難以打破學科壁壘，實現知識的深度融合；另一方面，部分學生面對繁重的學業負擔，難以在短時間內適應跨學科教學模式.鑒于此，探索一套切實可行的高中數學物理跨學科主題教學策略，成為當前教育界亟待解決的重要課題.基于上述背景，本研究對高中數學物理跨學科主題學習的理論基礎進行研究，以期為高中教育改革提供有益的參考.

1高中數學物理跨學科主題學習的理論基礎

高中數學與物理跨學科主題學習的理論基礎是多學科整合與教育理念創新的產物，其理論基礎涉及知識生產模式、課程統整、具身認知以及增值評價等多方面[2].

在跨學科主題學習的內容與形式上，課程統整理論起到關鍵作用.課程統整理論主張將學科內容進行系統化整合，以避免知識的碎片化，幫助學生形成整體性的認知框架.在數學與物理的跨學科學習中，課程統整不僅僅是簡單地將數學公式應用于物理現象，更是通過科學探究過程促進學生理解背后深層的數學原理與物理機制.這種整合使得學生在解決物理問題時能更自然地運用數學工具，同時也能通過物理現象加深對數學概念的理解.

跨學科主題學習的實踐過程受益于具身認知理論的指導.具身認知理論強調知識的獲得與身體經驗、環境互動之間的關系，主張通過實際的操作和體驗促進理解.在數學和物理的跨學科學習中，具身認知理論鼓勵學生通過實驗、建模以及實踐操作來理解抽象的數學概念與物理定律，從而加深對理論知識的理解，提升學習的體驗感與參與度.這種結合理論與實踐的方式有助于將抽象的知識形象化、具體化，使得學習過程更加生動有趣[3].

在跨學科主題學習的效果評價方面，增值評價理論提供科學的評估框架.增值評價理論注重學習者在整個學習過程中的進步與成長，而不僅僅是終點結果的評價.在高中數學與物理跨學科學習中，增值評價可以幫助教師了解學生在知識整合能力、問題解決能力以及批判性思維等方面的提升情況.此種評價不僅能夠反映出學生對知識的掌握程度，還能揭示出跨學科學習對于學生綜合素養的實際提升效果.

2高中數學物理跨學科主題教學策略

2.1創設多元教學情境，深化跨學科主題學習體驗

在高中數學與物理的跨學科主題教學中，教師創設多元教學情境對于深化跨學科主題學習體驗起著至關重要的作用.一方面，高中階段的學生思維活躍，對新鮮事物充滿好奇，單一的講授式教學方式容易讓學生產生疲勞感和厭倦情緒，而多元的教學情境則能夠激發學生的學習興趣，調動其學習積極性和主動性；另一方面，數學和物理是兩門緊密相關的學科，教師可以通過創設多元教學情境以打破學科界限，幫助學生理解學科之間的聯系，培養學生的綜合思維能力和創新能力.

具體教學實踐中，教師可以通過創設與物理知識相關的故事情境激發學生的學習興趣，使其在生動的故事中體會數學與物理的融合.例如，開展湘教版高中數學必修第一冊“三角函數的應用”一課教學時，教師可以講述物理學家惠更斯對“擺的運動”進行研究的趣味故事：惠更斯在研究“擺的運動”時發現了擺的周期與擺長之間的關系，進而運用三角函數來描述這一現象.學生通過這個故事不僅能了解到三角函數在物理學中的應用，還能感受到數學與物理之間的緊密聯系.在此基礎上，教師可以引導學生運用數學知識解決物理問題，如計算擺鐘的周期、分析擺動的振幅等，從而加深對跨學科知識的理解和應用.

進一步地，在數學與物理的跨學科教學中，教師可以創設與物理知識相關的問題情境，引導學生運用數學知識解決物理問題.例如，在講解“三角函數的圖象和性質”時，教師可以創設如下問題情境：某簡諧運動的圖象如圖1所示，請根據圖象回答下列問題：

（1）此簡諧運動的頻率、周期與振幅分別是多少？

（2）請試著寫出這個簡諧運動的函數解析式.

這個問題情境既涉及物理中的簡諧運動知識，又需要學生運用數學中的三角函數知識來確定位移表達式.在此過程中，教師可以引導學生逐步分析問題，先從物理角度分析簡諧運動的位移、速度、加速度等物理量的關系，再從數學角度運用三角函數的性質來求解問題.此外，在數學與物理的跨學科教學中，教師可以利用多媒體創設與物理知識相關的情境，如通過動畫、視頻等形式展示物理現象，讓學生直觀地感受數學在物理中的應用.例如，在講解“三角函數的周期性”時，可以通過動畫展示正弦函數的圖象隨著時間的變化而重復出現的過程，同時結合物理中的周期現象，如交流電的變化、聲波的傳播等，讓學生在直觀的視覺體驗中理解周期性的數學原理和物理意義.這樣的教學方式不僅能夠豐富課堂表現形式，還能夠幫助學生建立起數學模型與實際物理現象之間的直觀聯系.

2.2布置項目學習任務，強化跨學科主題知識應用

為進一步鞏固學生對跨學科知識的理解，并促進其將理論知識轉化為實踐技能，教師應設計一系列富有挑戰性的項目學習任務.以“三角函數的應用”一課教學為例，教師可以以“指數函數在物理振動模型中的應用”為項目主題，引導學生探究物理學中振動現象的數學描述.為助力學生更好地完成該項目的學習任務，教師可以將其劃分為以下五個子任務：

任務1：收集和分析物理振動現象.要求學生通過查閱資料、觀察實驗等方式收集不同類型的物理振動現象，如彈簧振子、單擺、聲波等，并分析這些現象的共有特征和差異.

任務2：建立數學模型.在收集和分析物理振動現象的基礎上，指導學生運用數學知識建立描述振動現象的數學模型.例如，指導學生可以使用正弦或余弦函數來表示振動的位移隨時間變化的關系，進而推導出振動的周期、頻率以及振幅等關鍵參數.

任務3：實驗驗證與數據分析.鼓勵學生動手制作簡單的振動裝置，如自制彈簧振子或單擺，并通過實驗觀測振動的實際行為.同時，記錄實驗數據，并與之前建立的數學模型進行對比分析，探討模型預測值與實際測量值之間的偏差原因，這有助于學生深入理解理論與實踐之間的關系.

任務4：優化數學模型.基于實驗數據反饋，教師可以指導學生調整數學模型中的參數，如修正摩擦力的影響、考慮空氣阻力等因素，使模型更加精確地反映真實物理系統的行為.此過程不僅能夠鍛煉學生的批判性思維能力，還有助于提高其解決復雜問題的能力.

任務5：成果展示與評價.組織學生以小組形式準備報告或演示文稿，向全班同學介紹自己在項目中的發現和心得，包括振動現象背后的科學原理、建模方法、實驗操作步驟及數據分析結果等.此外，還可以邀請其他學科的教師或專家參與評價，提供跨領域的視角和建議，幫助學生進一步拓寬視野.

2.3完善教學評價機制，保障跨學科主題學習成效

為了確保跨學科主題學習的有效性和持續性，建立一個全面且科學的教學評價機制至關重要.評價機制不僅要關注學生最終的學習成果，更要注重學習過程中的動態評估，以及學生在跨學科學習中的綜合素質發展.具體來說，可以從以下幾個方面著手完善.首先，傳統的紙筆考試雖然能夠衡量學生的知識掌握情況，但對于跨學科主題學習而言，單一的知識點考核顯然不足以全面反映學生的能力.鑒于此，教師應引入多樣化的評價工具，如項目報告、小組討論、實驗報告、自我反思日志等，這些工具能夠從不同角度考查學生的研究能力、團隊合作精神、創新思維以及解決問題的能力.例如，在“指數函數在物理振動模型中的應用”這一項目結束后，除考核學生是否正確建立數學模型外，還應考查其能否通過團隊合作解決實驗過程中遇到的問題，以及能否在成果展示中清晰表達自己的思考過程和研究成果.其次，評價標準應具備明確性和可操作性.教師需制定詳細的評價量表，明確各項評價指標的權重和評分細則，確保評價過程的公正性和客觀性.例如，在評價學生的項目報告時，可以細分為內容完整性、邏輯性、創新性、數據分析準確性等多個維度，每個維度設定具體的評分標準，以便學生了解評價的具體要求，有針對性地提升自己的能力.最后，教師應注重形成性評價與終結性評價相結合.形成性評價主要關注學生在學習過程中的表現，如參與度、進步情況以及遇到問題的解決策略等，通過定期的反饋幫助學生調整學習策略，提高學習效率；終結性評價則是對學生在整個跨學科學習周期結束時成果的總體評價.將兩者結合可以更全面地反映學生的學習成效.

3結束語

綜上所述，本研究所提出的跨學科教學模式能夠打破傳統學科之間的壁壘，使得學生在一個更加綜合的視角下理解和應用知識，不僅有助于學生提高學習效率，還能夠增強其解決實際問題的能力.隨著教育技術的不斷進步和社會對復合型人才需求的增長，跨學科教學將成為培養新時代學子不可或缺的一部分.期待更多教師能夠共同探索更多元化的教學方法，以適應日益變化的教育環境.

參考文獻：

［1］李澤辰.高中數學與物理跨學科教學設計研究：以函數為例[D].上海：上海師范大學，2024.

[2]劉金輝，杜思敏.數學、物理跨學科思維在化學解題中的應用[J].中學生理科應試，2020（12）：44-45.

[3]韓玥，曹海霞.加強數理融合思維考查凸顯高考評價體系內涵：以2023年新高考全國卷數學、物理試題為例[J].中學教學參考，2023（35）：40-43.

［責任編輯：李慧嬌］

收稿日期：2024-12-25

作者簡介：贠鋼，本科，高級教師，從事高中數學教學研究.

基金項目：甘肅省2024年大中小學課程教材專項研究課題“高中數學物理跨學科主題學習的設計與實施策略研究”（項目編號：GSJC-Y2024342）.