初中物理跨學科作業(yè)設計探索

摘" "要：初中物理跨學科作業(yè)設計旨在突破傳統(tǒng)學科間的界限，以學生的全面發(fā)展和社會需求為出發(fā)點，整合多個學科的核心知識體系，促進學生在完成綜合性學習任務的過程中解決問題。選取“臺風的形成和影響”作為案例，從多學科視角出發(fā)設計作業(yè)，從而使學生能更深入地了解臺風的形成機制及其帶來的多方面影響，同時認識到物理學在實際生活中的應用價值。

關鍵詞：初中物理；跨學科；臺風；真實情境

引言

《義務教育物理課程標準（2022 年版）》中明確指出跨學科實踐是落實物理學科育人的重要載體，旨在發(fā)展學生跨學科運用知識的能力、分析和解決問題的綜合能力、動手操作的實踐能力，培養(yǎng)學生積極認真的學習態(tài)度和樂于實踐、敢于創(chuàng)新的精神[ 1 ]。設計初中物理跨學科作業(yè)有利于促進學科核心知識整合，增強學科之間的聯(lián)系，提升學生的實際應用能力，培養(yǎng)綜合性思維能力，從而更好地促進學生綜合素養(yǎng)的全面提升。

1" 案例分析

下面筆者以基于“臺風的形成和影響”的跨學科綜合性作業(yè)設計為例進行分析。

1.1" 跨學科綜合性作業(yè)設計思路

基于“臺風的形成和影響”的物理跨學科作業(yè)設計旨在促使學生探索和理解臺風及其相關現(xiàn)象的物理原理，并將其與語文、生物、地理、工程等多學科的知識和技能進行跨學科的整合與應用。通過本份作業(yè)，旨在培養(yǎng)學生的科學思維、跨學科合作能力和問題解決能力。

通過多學科知識和技能的融合讓學生深入了解臺風，深入了解臺風的形成機制、氣象變化和影響等方面的知識，提高對臺風的整體認知。引導學生探究臺風的物理原理，了解熱帶氣旋的形成與發(fā)展過程，分析臺風的動力學和熱力學特征。鼓勵學生將所學的物理知識與地理學科知識進行跨學科的整合和應用，解決實際問題。

通過跨學科作業(yè)設計，培養(yǎng)學生的學科綜合素養(yǎng)，促進學生的跨學科思維和創(chuàng)新能力的發(fā)展。同時，也使學生意識到物理學在實際問題中的應用價值，為學生未來的學習和職業(yè)發(fā)展培養(yǎng)基礎。

1.2" 跨學科綜合性作業(yè)目標

基于以上跨學科作業(yè)設計思路，筆者提出了以下四點跨學科作業(yè)目標：

（1）能夠從物理和語文的視角理解文學作品中所描繪的自然現(xiàn)象，并運用所學的物理知識進行解釋。

（2）能夠從物理和生物的視角了解生物體的能量轉化和供應機制。

（3）能夠從物理和地理的融合視角，了解并解釋臺風的形成和測量原理，初識風速測量儀。

（4）能夠從物理和工程的融合視角設計制作簡易的風速計，用物理知識解決實際問題。

1.3" 跨學科作業(yè)具體題目闡述

在單元作業(yè)目標的導向下筆者設計的本份作業(yè)主要包括四道大題，以臺風的形成和影響為背景，結合多學科知識解釋或解決生活中的實際問題。這四道題中包含了填空、計算和實踐題，在題目的難易程度設置上總體是由易到難。題目設計時也考慮到學生的認知水平，在認知類型上由認識到理解再到應用與創(chuàng)新。

第一道題結合了物理和語文學科的知識，學生需要通過研究古詩文中的記載，了解臺風產(chǎn)生的影響，培養(yǎng)學生的文學解讀能力和物理知識的運用能力。

題1" 《南越志》中記載，“風起則人心恐懼，風來則四面具足。壞屋折樹不足喻也，甚則吹屋瓦如飛蝶。”文中所說的“吹屋瓦如飛蝶”是因為_________。文中所提到的“折樹”，從力的作用效果而言，樹發(fā)生了_________，如果有兩棵根系發(fā)達程度幾乎相同的樹，如圖1所示，_________（選填“甲”或“乙”）更容易被吹倒。

本道題的設計意圖是讓學生從語文和物理的融合視角，理解文學作品當中所描繪的臺風現(xiàn)象，并通過所學的物理知識來進行解釋。通過《南越志》這篇文章對臺風的記載，學生可以感受到詩人對大自然描繪和抒發(fā)情感的能力。在物理方面，學生需要運用所學的物理知識，如壓強差、力的作用效果、杠桿原理等概念來解釋古文中所記載的現(xiàn)象。這種綜合性的學習方式有助于學生將知識聯(lián)系起來，形成更為全面的視角和思考問題的方式，促進學生物理觀念和語言建構與應用能力的發(fā)展。

第二道題是物理和生物學科的融合，結合臺風來臨前的物資準備，貼合生活實際，學生通過學習人提重物做功和能量轉化的原理，以及人體能量轉化的機制，提升實踐操作和物理原理的應用能力。

題2" （1）臺風來臨前，為了應對可能出現(xiàn)的停電、斷水等情況，小明決定提前準備一些物資。假設體重為60 kg的小明需要將一箱質量為20 kg的水從一樓搬到五樓（每層樓高為3 m），這個過程中小明至少需要做多少功？

（2）小明提重物上樓的過程中會消耗大量的能量，這些能量需要由_________系統(tǒng)、_________系統(tǒng)、_________系統(tǒng)的配合來提供。

本道題筆者結合臺風來臨之前，每家每戶都會囤物資的實際生活場景進行設計。通過融合物理和生物的知識，學生可以了解搬運重物的過程中能量轉化和供應的機制。通過生物學和物理學角度的思考，學生可以深入地理解生命體內(nèi)能量轉化和供應的關鍵過程。促進學生的物理觀念、科學思維和生命觀念的發(fā)展。

第三道題是物理和地理學科的融合，學生需要了解臺風的形成原因、運動規(guī)律以及對地理環(huán)境的影響，培養(yǎng)學生地理知識的運用和實驗設計的能力。

題3" 臺風是一種在_________或_________海洋上形成并強烈發(fā)展的大氣旋渦；是由于大量海水的_________（填物態(tài)變化）而形成的一個低氣壓中心。臺風是一種" " " " "災害，影響我國的臺風主要源于_________。根據(jù)物理學原理，有一種氣象工具能夠通過測量風力來判斷臺風的強度，這種氣象工具叫做風速計。它的測量原理是利用風作用在測風面積上的力來測定風速。在測量過程中，當風力增大，風力對風扇葉片的力會增大，使得風扇轉動得更快。這個過程中將風能轉化為風扇扇葉的_________能，進而帶動風扇的運動。通過測算風扇轉動的速度，就可以測量風速。

這道題的設計意圖是讓學生從物理和地理融合的視角，去理解臺風的形成原因，以及氣象臺判斷臺風強度的方法。通過融合物理和地理知識，學生可以全面理解臺風的形成與測量原理。同時通過地理角度的思考，學生可以對臺風形成的地理環(huán)境和影響有深入的理解，促進學生物理觀念和人地協(xié)調觀念的發(fā)展。

第四道題是物理和工程的融合，制作一個簡單的風速儀。布置基于問題和任務驅動的有指導、有一定挑戰(zhàn)的自主學習活動，是培養(yǎng)學生處理真實問題的思維能力，落實和提升核心素養(yǎng)的關鍵環(huán)節(jié)[ 2 ]。學生需要小組合作，選擇適當?shù)牟牧虾凸ぞ撸⒖紤]風速儀的結構和工作原理，以制作一個可靠的風速測量裝置，由此培養(yǎng)學生的工程思維和實踐操作能力。

題4" 任務目標：4-6人合作，自主選擇材料，設計方案，制作一個簡易的風速計，測量風速。

背景知識：

（1）風速計是一種測量風速的儀器，在氣象學、工程和環(huán)境科學中廣泛應用。

（2）風速是單位時間內(nèi)空氣通過一個固定點的速度。

（3）常見的風速計如圖2所示，包括旋轉式風速計、光電風速計等。

任務要求：

（1）自行尋找合適的制作材料，設計方案。

（2）能夠提供合理的風速估計結果。

（3）風速計需兼具實用性與美觀性。

（4）形成書面報告。

作品提交要求：

（1）提交實物作品。

（2）提交書面報告（包括：小組分工、制作原理、材料選擇、制作過程、成果展示）。

評價標準：

（1）小組分工：小組成員是否合理分工。

（2）材料選擇：材料的選擇是否合理、易獲取、低成本。

（3）實物實用性與美觀性：與專業(yè)儀器相比是否具有可比性、創(chuàng)新性、美觀性，能否得出合理的風速估測結果。

（4）報告質量：能否清晰地將成果文字化呈現(xiàn)。

本道題是基于上一題學生已經(jīng)了解風速計的基礎上設計的。學生以合作的方式完成，自主選擇材料，形成方案，制作實物。本道題的主旨是讓學生通過實踐運用物理學和工程學的知識探索風速的測量和表示方法，培養(yǎng)學生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力。從物理學的角度學生需要知道風速是如何影響物體的，以及如何測量風速的原理和方法。從工程學的角度，學生需要知道如何設計，并從材料選擇、科學性、簡易性等方面實現(xiàn)制作一個簡易的裝置。促進學生物理觀念、科學思維、科學探究能力的發(fā)展。

在題目設計的過程中也對學生提出了明確的任務要求和作品提交要求，為了讓學生能夠有更明確的制作方向，筆者將評價指標表1呈現(xiàn)給學生。

因為跨學科實踐作業(yè)的呈現(xiàn)方式不僅限于紙筆作業(yè)，還有設計作品、模型制作、報告撰寫等多種形式，所以對于這類作業(yè)的評價，可綜合運用多種評價方式，從小組分工、材料選擇、實物成果、報告記錄四個方面進行分層評價，并分成自評、組評、師評三大板塊進行評價，以評促學，讓每一位學生都有不同程度的發(fā)展。

由于這一制作對學生來說有一定的挑戰(zhàn)性，對于無法獨立完成的學生，可提供參考方案。學生如果在設計制作過程中遇到障礙，可以參考以下兩個方案，并在此基礎上進行改進和創(chuàng)新。

方案1

材料：半圓形探頭、金屬桿、彈簧、滑動變阻器、電壓表、電線若干。

步驟：

（1）將半圓形探頭附在一個帶有彈簧的金屬桿上，使其在風中可以上下移動。

（2）正確連接電路，如圖3所示。

（3）將電表固定在一個合適的位置上，以方便觀察和讀取數(shù)值。

（4）當風吹過探頭時，半圓形探頭會上下移動，帶動滑動變阻器滑片移動。

（5）通過讀取電壓表示數(shù)，估算風速的大小。

方案2

材料：紙杯、細木棍、紙片、刻度尺、膠水、小石頭。

步驟：

（1）將紙杯豎立放置，在底部剪幾個小孔，以讓風通過。

（2）將細木棍固定在紙杯的一側，使它豎直伸出頂部。

（3）在細木棍的頂部固定一個紙片做成的小旗子，以便能夠轉動。

（4）在細木棍的底部固定一個小石頭，以保持平衡。

（5）在細木棍旁邊設置刻度，以便測量風速。

（6）觀察旗子的轉動，根據(jù)標尺上的刻度，估算風速的大小。

上述兩個方案均對簡易風速計的設計和制作過程中所涉及的物理知識、制作原理、制作材料、制作過程、關鍵步驟進行了引導，給學生搭建完成作業(yè)的腳手架，讓每一個學生都能在學中做，在做中學。當然也希望學生能在這兩個方案的基礎上進行改進和創(chuàng)新，在一道題中實現(xiàn)分層設計。開放性物理作業(yè)就是盡可能地增加現(xiàn)實情境，把學生的目光引向家庭、社會和大自然，用不同的視覺去洞察生活中的物理現(xiàn)象，去解釋日常生活中遇到的物理問題[ 3 ]。

通過跨學科作業(yè)設計，培養(yǎng)學生的學科綜合素養(yǎng)，促進學生的跨學科思維和創(chuàng)新能力的發(fā)展。同時，也使學生意識到物理學在實際問題中的應用價值，為他們未來的學習和職業(yè)發(fā)展提供基礎。

2" 小結

在實施跨學科項目式作業(yè)時，教師需要設計真實而復雜的問題情境，以激發(fā)學生解決問題的興趣和動機。這樣的問題情境可以激活學生大腦中的相關知識模塊，引導他們從中汲取有效信息并加深學習體驗。通過解決在項目中遇到的復雜問題情境，學生能夠得到更深層次的學習體驗，從而激發(fā)其內(nèi)在的深層學習動機。

跨學科實踐性作業(yè)可以促使學生將不同學科的知識結合起來，綜合運用多學科的知識解決實際問題，從而更好地理解知識之間的聯(lián)系和相互作用，這有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造性解決問題的能力，使其更好地適應未來跨學科合作、創(chuàng)新和解決復雜問題的需求。

參考文獻

［1］ 中華人民共和國教育部．義務教育物理課程標準（ 2022年版）［S］．北京：北京師范大學出社，2022：32-33．

［2］ 李春梅，白榮華.基于“雙減”的初中物理實踐作業(yè)設計：以人教版第3章“物態(tài)變化”為例［J］.物理教師，2023（3）：49.

［3］ 朱廷焰.培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的物理作業(yè)設計［J］.教育教學論壇，2013（24）：91.