基于跨學科融合的初中物理教學實踐*

陳海濤

(廣州荔灣區金道中學 廣東 廣州 510370)

1 物理新課標變化

《義務教育物理課程標準(2022 年版)》在課程內容中新增了“跨學科實踐”一級主題,包含物理學與日常生活、工程實踐和社會發展3個二級主題.新課標建議該主題既要立足物理課程內容,又要融合其他學科,發展學生運用跨學科知識分析和解決問題的綜合能力、動手操作的實踐能力,培養學生積極認真的學習態度和樂于實踐、敢于創新的精神.

2 跨學科融合內涵

跨學科融合學習是指整合兩種或兩種以上學科的內容進行的主題學習,強調各個學科之間的相互配合與融合.跨學科學習相較于傳統的單學科學習,具有綜合性、實踐性和社會性等特征.跨學科學習植根于學科核心素養,它的直接目的是培養學生的“跨學科能力”和“跨學科素養”,它也間接推動了“學科核心素養”的發展[1-2].

3 初中物理跨學科融合實踐案例

自然學科對跨學科融合有天生的優勢,特別是物理學科,本身就是一門注重動手實踐的自然科學基礎課程,物理知識與工程、能源、環境、材料等跨學科知識有密切聯系.下面是筆者從“融合方式、融合程度、融合空間”3個維度對跨學科融合教學進行實踐探索.

3.1 跨學科融合方式

初中物理跨學科融合學習可以是物理與單一學科融合,也可以物理與多學科融合,主要根據教學實際需要,對培養學生物理核心素養有利,既不能把物理知識復雜化,更不能增加學生學習負擔.

案例1:物理與單一學科融合

人教版第二章第3節聲的利用,教師在講授聲音可以傳遞信息時可以引用教材案例:“蝙蝠靠超聲波發現昆蟲”.讓學生思考為什么蝙蝠通常只在夜間出來活動、覓食,但它們從來不會撞到墻壁、樹枝上,并且能以很高的精度確認目標.它們的這些“絕技”靠的是什么?原來是蝙蝠在飛行時會發出超聲波,這些聲波碰到墻壁或昆蟲時會反射回來,根據回聲到來的方位和時間,蝙蝠可以確定目標的位置,蝙蝠這種方法叫做回聲定位.蝙蝠回聲定位的原理不僅僅是一種生物學奇觀,它還具有很多實際應用價值.例如,倒車雷達、超聲波導盲儀、聲吶、B超等.

案例2:物理與多學科融合

人教版第三章第1節溫度,教師在講授溫度計時,要利用好教材給出的3種溫度計的圖示,即分別是實驗室用溫度計、體溫計、寒暑表,讓學生思考3種溫度計不同,特別是體溫計、寒暑表在量程和分度值上設計不同的原因.教師可以引導從生物和醫學、地理、歷史多學科角度思考并解答這些問題.

(1)物理與生物和醫學融合

比較3種溫度計,體溫計量程最小,只有35～42 ℃;分度值也最小,只有0.1 ℃.體溫計為什么要這樣設計?教材解釋是因為人的正常體溫是“37 ℃”左右(口腔溫度),另一方面教師也可以通過“科學世界”給學生們科普,實際上人體各部分的溫度并不一樣.醫生檢查病人的體溫時,常選3個地方的溫度:直腸溫度正常時為36.9～37.9 ℃;口腔下溫度正常時為36.7～37.7 ℃;人體腋窩的溫度正常時為36.0～37.4 ℃.直腸溫度最穩定,但是腋窩溫度測量起來最方便.當人體發燒生病時,對測量體溫要求更準確,誤差不能超過0.1 ℃.如果像寒暑表或實驗用溫度計只是準確到1 ℃,那就會影響到醫生對病情的診斷.

(2)物理與地理融合

寒暑表量程為什么要設計成-35～50 ℃?因為寒暑表是我們居家使用的,用來測量室溫.不同地方不同季節,氣溫有很大差異,但國內氣溫一般都在-35～50 ℃范圍內.我國最冷的地方通常都以為在漠河,其實在內蒙古最北部的根河市.正是在根河,2009年時測得了零下58 ℃的極端低溫;2018年,國家氣象中心給根河頒了“中國冷極”的標志證書,10多年來沒有城市超越.

(3)物理與歷史融合

通過閱讀教材“科學世界”,讓學生了解通過測量體溫診斷疾病的方法是1858年德國醫生馮德利希創造出來的.后來經過英國醫生阿爾伯特改進,誕生了專用的體溫計.而且隨著電子技術的發展,20世紀70年代出現了電子體溫計,現在的電子體溫計通過液晶直接顯示體溫,有的可以精確到0.01 ℃.

3.2 跨學科融合程度

在跨學科學習中,根據融合程度,可以分為淺層融合和深度融合.淺層融合只是簡單知識點互相滲透,屬于學科知識拓展,只是讓學生“知道”涉及到另一學科知識,激發學生學習興趣,如案例3.深度融合屬于學科間全方位融合,從淺層的知識到高階的方法、思維等互補互通,讓學生學會多學科多角度認識問題,培養學生的核心素養.如案例4,物理與數學的融合經常就屬于這一類.

案例3:茅屋為秋風所破歌

教師在講授“液體壓強與流速關系”應用時,可以先讓學生一起背誦杜甫經典之作《茅屋為秋風所破歌》,再問這首詩體現了詩人什么樣的情感?“安得廣廈千萬間,大庇天下寒士俱歡顏”體現了詩人憂國憂民情懷.再從物理上解釋詩人創作這首詩的緣起——“茅屋被秋風所破”.當屋外刮大風時,由于茅屋頂上方空氣流速快,氣壓小,而茅屋內空氣流速慢,氣壓大,從而形成向上壓強差、壓力差,導致茅屋頂被大風刮破刮走(圖1).用物理觀點解釋語文情景,別開生面,學生感覺特別新奇,當然也要為詩人憂國憂民的崇高思想境界點贊.

圖1 茅屋為秋風所破歌

案例4:電流與電壓和電阻關系

人教版第17章歐姆定律第一節“電流與電壓和電阻的關系”,從探究實驗、數據分析、結論都體現了物理和數學融合之深、融合之美.

教學中學生通過實驗得到“電流與電壓”和“電流與電阻”的實驗數據,再根據實驗數據,在數軸上以橫坐標代表電壓或電阻,縱坐標代表電流,用描點法作圖分別得到電流與電壓和電阻關系圖像(圖2和圖3).分析圖像得出結論:電阻不變時,電流與電壓成正比;電壓不變時,電流與電阻成反比.進一步分析電流與電壓關系圖像可知,各點連成的直線代表電阻R的圖像;圖像中任何一點的橫坐標與縱坐標的比值是個定值,數學上這個定值就是正比例函數的K常數,物理上這個定值就是電阻不變;同理,進一步分析電流與電阻關系圖像可知,各點連成的曲線代表電壓U的圖像;圖像中任何一點的橫坐標與縱坐標的乘積是個定值,數學上橫坐標與縱坐標的乘積就是長方形的面積,實質這個定值就是反比例函數的K常數,物理上這個定值就是電壓不變.階段檢測也經?？疾檫@個知識點,如2023年廣州市荔灣區九年級物理第17題第3問(圖3),求電流與電阻關系圖中陰影面積的物理意義是( ),數值為( ).

圖2 電流與電壓關系

圖3 電流與電阻關系

“電流與電壓和電阻的關系”是物理和數學深度融合的典型教學案例,“數軸、描點法、正比例函數、反比例函數、面積”都是典型的數學研究方法.電流與電壓和電阻關系正是建立在數學函數圖像基礎上分析得到的結論.學生從多學科多角度觀察物理問題、學習物理規律,可以加深對物理知識的理解,提高學生跨學科綜合素養.

3.3 跨學科融合空間

在初中物理跨學科融合學習中,根據融合實施空間和時間可以分為課內跨學科融合和課后跨學科融合.課內跨學科融合主要為知識融合、方法融合、情感融合,實施的主要方式可以是物理與單一學科融合,也可以是物理與多學科融合,最終目標都是培養學生的物理核心素養,同時提高學生的跨學科綜合素養.課后跨學科融合主要體現為物理實踐作業的跨學科設計,通常結合STEM教育理念,以項目引領實施,如案例5[3].

案例5:“水瓶琴”

人教版第二章第2節聲音的特性,教材設計的課后實踐作業水瓶琴制作.教師在實施過程中,可以設計幾個跨學科任務.

任務1:生活中有哪些材質可以做成水瓶琴.

任務2:音調的高低與水量多少有什么關系(定性分析)?

任務3:敲打水瓶琴和吹水瓶琴兩種方式發出的音調規律一樣嗎?

任務4:用自己做的水瓶琴演奏一支小曲,如兩只老虎、小星星等.

學生實踐作業的完成情況很讓人驚喜,你不得不為學生的想像力和創造力嘆服.任務1中學生制作水瓶琴時有用啤酒瓶的,也有用可樂瓶的,甚至用高腳玻璃杯的,如圖4所示;但不管什么材質做的水瓶琴,學生都能敲打出簡單的小曲,如兩只老虎、小星星等,著實讓人為學生的動手能力和音樂天賦驚喜.開心之余學生們都能順利完成任務3,即瓶內水量越多,相同力度敲打的音調越低.如果是改為吹水瓶琴,則水量越多音調越低,進而引出樂器中的打擊樂和管樂,并通過教材“科學世界”對兩類樂器進行科普.

圖4 學生作品

4 跨學科融合實踐反思

初中物理跨學科融合教學必須以培養學生的核心素養為中心,必須緊密結合教學內容,靈活采用融合方式,把握好融合程度,利用好融合空間,發展學生的“跨學科能力”和“跨學科素養”.同時跨學科教學并不是在任何時候都是適用的,實踐時要充分考慮到學科知識間的契合度,不能生硬地將關聯性不大的知識強行融合,這樣反而增加了學生負擔.同時實踐證明教師的綜合素質對跨學科實踐的成敗有非常大的影響.