高中物理学习中跨学科思维的培养

摘 要：“跨学科学习”可以促进人的创造力和创新精神的发展，而创造力和创新精神是人们在信息时代的最高核心素养，在要求全面提升学生的学科核心素养的前提下，开展“跨学科学习”就显得尤为重要。

关键词：跨学科学习; 物理; 数学; 历史; 信息技术

中图分类号：G633.7      文献标识码：A          文章编号：1006-3315（2021）10-021-002

《普通高中课程改革方案（2017年版）》为高中各门学科研制了“学科核心素养”，这意味着我国已经向构建信息时代普通高中课程体系进发，课程与教学的核心追求是信息时代学生素养的发展。为了实现这一价值诉求，就需要我们改革当前普通高中的教育实践。而在信息时代中，创造力和创新精神是信息时代最核心的素养之一，为促进创造力和创新精神的发展，“跨学科学习”成为教育改革的重要內容和发展趋势。

美国哈佛大学鲍克斯曼斯勒教授将“跨学科学习”作出如下界定：跨学科学习是个人和群体将两个或两个以上学科或已确立的领域中的观点和思维方式整合起来的过程，旨在促进其对一个主题的基础性和实践性理解，该理解超越单一学科的范围。就是说，跨学科学习者需要通过自己已有的技术和工具，将所获得的资料、信息、概念，用两个或两个以上学科的观点和理论加以整合，创造性地解释现象或解决问题。我们可依据学科之间的整合程度和特性，将广义的“跨学科学习”区分为三类：“多学科学习”“跨学科学习”（狭义）与“超学科学习”。因幼儿园和小学阶段，儿童的抽象思维和逻辑思维尚在形成过程中，所以，这个阶段宜以“超学科学习”为主，伴随儿童年龄增长，到了初中和高中阶段，在帮助学生开展学科探究、发展学科理解的同时，就要渗透“多学科学习”和“跨学科学习”，同时使“超学科”探究不断升华。

本文以高中物理为例，谈谈如何在教学中开展“跨学科学习”。

一、高中物理与数学学科的整合

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中指出，物理学基于观察与实验，建构物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系。所以，高中物理和数学的整合在教学过程中是非常重要的，是学生学习时必须要重视的。

1.函数图像中的斜率在电学中的应用

在数学中，图线的斜率表示函数的变化率，反映在物理上表示一个物理量对另一个物理量的变化率，而高中物理量之间的关系很多是线性的，所以，在物理函数图像中，直线的斜率往往能反映物质的某种属性或某一个重要的物理量。

例1：在测量电源的电动势和内电阻的实验中，通过图示的实验电路，可以作出如图所示的U-I图像，然后可通过函数关系U=E-Ir，结合U-I图像的数据，可以得出电源的电动势和内电阻。这里就用到了数学中函数图像的斜率和截距的知识。

2.三角函数在力学中的应用

三角函数是高中物理学习过程中的必备工具，高中物理中许多问题的解决都需要用到三角函数的知识来处理，三角函数为高中物理提供了计量和计算的工具，同时，高中物理也为三角函数与实际应用联系提供了平台。有的问题当中还不能直接通过三角函数就能处理问题，这就需要通过三角的转换才能将问题解决。

例3：为使雨水尽快离开房屋的屋顶面，屋顶的倾角设计必须合理。某房屋示意图如图所示，设屋顶面光滑，倾角为θ，雨水由静止开始沿屋顶面向下流动，则理想的倾角θ为。

3.平面几何中圆的知识在带电粒子在磁场中运动的应用

圆的知识在高中物理的运用主要有圆周运动、带电粒子在磁场中运动、画矢量圆找极值等。因为涉及到圆的知识对高中学生已经比较陌生了，所以带电粒子在磁场中的运动是学生在学习过程中的一个难点，往往在各类测试中以压轴题的形式出现。

例4：如图所示，真空中四个相同的矩形匀强磁场区域，高为4d，宽为d，中间两个磁场区域间隔为2d，中轴线与磁场区域两侧相交于O、O′点，各区域磁感应强度大小相等。某粒子质量为m，电荷量为+q，从O沿轴线射入磁场，当入射速度为v0时，粒子从O上方处射出磁场，取sin53°=0.8，cos53°=0.6。

（1）求磁感应强度大小B;

（2）入射速度为5v0时，求粒子从O运动到O′的时间t;

（3）入射速度仍为5v0，通过沿轴线OO′平移中间两个磁场（磁场不重叠），可使粒子从O运动到O′的时间增加Δt，求Δt的最大值。

例4是2018年江苏高考第15题，要解决这个题目，特别是第（3）小问，就要求学生对圆这一平面几何的知识非常熟悉，要会将圆的知识用到带电粒子的圆弧运动中来，能画出圆弧运动的轨迹。

可见，平面几何中圆的知识在解决带电粒子在磁场中运动的问题是非常重要的。

二、高中物理与历史学科的整合

高中物理学科核心素养中提到，在教学中要培养学生基于事实证据，运用科学推理，对不同观点和结论提出质疑和批判，检验和修正，进而提出创造性见解的能力。而教师通过物理学史也可以带领学生研究科学的思想方法，以及科学家的思想方法存在的背景和观念的束缚。这样不仅能使课堂内容更加生动，也有利于学生发展科学思维，提升学习能力。

在“行星的运动”一节的教学中，学生通过开普勒定律的学习已经否定了行星的运动轨迹是圆，而应该是椭圆的。但在处理行星运动问题时都是用圆轨道来代替椭圆轨道，学生的心里肯定有很大的疑惑，此时，物理学史就可以使学生顺着科学家的思维轨迹得到解答。

从最初的日心说或地心说，都认为运动轨道是完美的匀速圆周运动，到天文学家第谷连续20多年对700多颗恒星的观察和记录，再到开普勒在第谷观测到的数据的基础上，经过多年繁琐的计算，否定了近20种设定的轨迹，最后才发现火星的运动轨迹是椭圆，进而发现每个行星围绕太阳的运动轨迹都是椭圆。

虽然行星的运动轨迹是椭圆，但在历史上，牛顿是通过将行星的运动作为一个匀速圆周运动，在开普勒等人研究的基础上通过数学方法推导出万有引力定律的。因此，我们是可以将行星的椭圆轨道运动看成是匀速圆周运动的。这样的过程同时提升了学生的模型建构能力。

奥斯特发现的电流磁效应证实了电现象与磁现象是有联系的，当时不少科学家通过进一步的研究发现，通电导线能使磁针发生偏转，是因为受到了力的作用，这种力的作用来自电荷的流动。电流的磁效应引发了科学家的对称性思考，既然电能生磁，磁是否也能生电呢？著名的法国科学家安培想尽了一切办法，未能获得成功，安培犯了一个根本性的认识上的错误，实际上他已经通过铜环实验观察到了电磁感应现象，但遗憾的是，安培并没有意识到这一实验的科学意义，他被分子电流说迷失了眼睛，看不到线圈通电瞬间铜环内产生的宏观感应电流，因而失去了发现电磁感应的机会。

瑞士物理学家科拉顿则“跑失良机”，科拉顿的实验装置设计得完全正确，在他将磁铁插入线圈时，隔壁房间的电流计确实摆动了，但科拉顿跑到隔壁房间的速度还是太慢了，没有观察到电流计指针的摆动，遗憾的失败了。英国科学家法拉第则比安培和科拉顿幸运得多，虽然法拉第也经历了十几年的实验探索，但最后通过一个偶然的现象发现了电磁感应，他把两个线圈绕在同一铁环上，一个线圈接入能反映电流的仪器，当将另一个线圈接到电源上的瞬间，那个接有能反映电流仪器的线圈中有了电流并很快消失，法拉第恍然大悟，感应电流的形成不是静态下的，而是在动态下产生的。

电流周围产生磁场这个是静态的、穩定的，当时的人们虽然从逆向思维上猜想磁也应该能生电，但科拉顿、法拉第开始都没有创造性地从静态的、稳定的向动态的、暂时的观念上转变，或者说，他们没有对磁生电也是静态的、稳定的提出质疑，导致了迟迟不能发现电磁感应，假如有这样的质疑和创新，电磁感应的发现可能还要早很多年。借古鉴今，通过这样的有关电磁感应的物理学史的学习，相信学生会得到启示的。

三、高中物理与信息技术的整合

信息技术在人们的生产生活中越来越广泛地渗透到各个领域，在物理教学方面表现在：将现实中不易被观察的现象在课堂上清晰地表现出来;在比较复杂的过程通过技术手段变得简单化等等，在物理学科与信息技术整合的过程中，合理运用技术媒体的功能，建立一种新型的师生关系，促进师生之间的情感流动，协调好学生智力、兴趣和情感等各方面因素，以此提高学生的科学素养。

在研究相互作用的两个力的大小是否相等时，可以采用力的传感器来收集数据，再通过计算机软件处理就可以清晰看到相互作用的两个力的大小时刻相等。

将两个力传感器的挂钩钩在一起，下方传感器挂一重锤，用手提着上方的传感器沿竖直方向不断上下运动。

通过数据采集器采集到力的大小数据，再经数据处理软件处理得出图形，点击镜像按键，得到图像，发现两个力传感器挂钩上的拉力大小几乎是时刻相等的。

在波的形成与传播一节中，前一质点通过介质带动后一质点，依次在平衡位置附近上下振动，从而形成了波动，对于这一运动形式，看惯了直线运动、曲线运动的学生还是感到比较抽象的，而通过信息技术就可以将这一抽象的运动形式清晰地展示在学生面前。

将波的传播过程通过信息技术进行动作分解后，将几个特殊时刻的波形图呈现出来，就能清楚地将这一运动展现在学生面前。这样学生就容易理解波动实际是将振动的传播，振动向前传播了，就形成了凹凸相间的波形，而质点并未随波逐流。

知识原本不分学科，也无学科界限。“跨学科学习”不仅体现学科发展的综合创新趋势，而且在培养学生的“跨学科理解力”和综合创造力方面迈出重要步伐。而持续开展基于项目的跨学科深度学习，让学生在发展“跨学科理解力”的过程中运用学科思维，实现学科理解与跨学科理解，这是“跨学科学习”的目标。

参考文献：

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[2]张华.论理解本位跨学科学习[J]基础教育课程，2018，（11下）：4-7

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[4]陆良荣.渗透物理学史教育 发展学生科学思维[J]中学物理教学参考，2018（11）：1-3