基于学生自主创新实验的“跨学科实践”策略研究

潘书朋，汤金波

(1.玉皇中学，山东 莱州 261400；2.南京师范大学附属中学树人学校，江苏 南京 210003)

目前,各学科边界日益模糊，学科融合发展的态势十分明显. 各学科的交叉点往往就是学科新的增长点，不同学科通过相互影响、融合发展能够解决复杂多变的应用型问题，从而创造出更加丰富多彩的超学科知识.

“跨学科实践”是义务教育物理课程内容的重要组成部分，占总课时的10%，与4个一级主题(物质、运动与相互作用、能量、实验探究)的内容密切相关[1]. “跨学科实践”是基于2种或2种以上学科的核心概念和能力，以整合的方式在各学科之间建立联系，学生通过把不同学科中学到的知识、技能和态度整合到一起，并且在解决问题的过程中加深对项目主题的理解，最终实现心智的转换[2].

在“跨学科实践”主题教学中，教师要创设具有综合性、实践性和开放性的真实问题情境，采用“学生自主创新实验”的教学方式，让学生运用多学科知识和方法解决问题，以不断提升学生的问题解决能力和实践创新能力. 本文基于物理学科知识特点和学生现状，以物理学与日常生活、工程实践、社会发展以及其他学科知识融合发展为例，尝试探索“基于学生自主创新实验的‘跨学科实践’策略研究”. 通过多学科的交叉融合帮助学生解决各种应用型问题，锻炼学生的科学思维，提升学生的科学探究和合作能力[3]，有利于培养学生的核心素养.

1 物理学与日常生活的融合

课程标准关于物理学与日常生活的内容要求有如下建议[1]：发现日常生活中与物理有关的实际问题，提出解决方案；运用所学知识分析日常生活中的安全问题，提出解决方案，践行安全与健康的生活；运用所学知识指导和规范个人行为，践行低碳生活，具有节能环保意识.

创新实验1：不起雾的镜子

黄梅季节，天气又闷又热，车上也很潮湿，开车时后视镜总是起雾，造成一定的交通安全隐患(见图1)，而老司机的后视镜却很少起雾. 为了探究此问题，设计了实验进行真实情境模拟. 具体操作步骤如下：

1)准备1盆热水，然后用洗洁精涂抹镜子中央，涂抹均匀后用纸巾将洗洁精擦拭干净.

2)将处理后的镜子放置在热水上方，片刻后可以清晰地观察到镜子的周围被蒙上了水雾，而涂抹过洗洁精的部分没有水雾.

图1 起雾的后视镜

普通镜子的表面具有亲水性，镜子会起雾，是因为热的水蒸气碰到镜子表面，遇冷放热液化成小水滴. 洗洁精的主要成分是半亲水半亲油的活性剂，当洗洁精被擦到镜子上时，亲水部分与镜子亲和，亲油部分则裸露在外表面，相当于给镜子镀上膜，使其不再亲水，所以不会起水雾.

该实验很好地体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念，培养了学生的物理课程核心素养. 在物理教学中，教师要努力创设真实问题情境，引导学生自主设计创新实验，理论联系实际，帮助学生提升探究能力并形成科学创新型思维.

2 物理学与工程实践的融合

课程标准关于物理学与工程实践的内容要求有如下的建议[1]：具有初步的工程设计和制作技能，能把自己的创意做成作品；调查物理学在工程技术中的应用，体会物理学对工程技术发展的作用；了解物理学在信息技术中的应用，能利用信息技术手段辅助学习.

创新实验2：用磁悬浮和传感器研究真空不能传声[4]

“探究真空不能传声”是在实验基础上通过推理得出结论的理性化实验，传统实验中存在如下弊端：a.抽气机的噪声大、干扰大；b.电铃放在底座上，会通过底座传声. 导致实验效果并不理想从而影响学生的认知. 针对传统实验中的问题，进行如下改进：

实验器材：磁悬浮展台、硬塑料罐、蓝牙微型扬声器、冰箱压缩机、压强传感器、带实验软件的计算机、智能数字实验盘.

实验步骤：

1)按图2所示将装置连接好，放置在安静的环境中.

2)打开智能数字实验盘，同时打开计算机中的实验软件，用冰箱压缩机抽气，观察声强与气压的关系.

3)根据软件记录的图像进行分析和推理.

图2 实验装置

改进后的创新实验有如下优点：

1)使用冰箱压缩机抽气时，噪声小、对实验影响小；

2)使用磁悬浮展台可以实现发声体脱离底座悬浮，避免固体传声；

3)运用传感器，实验数据精准，可以直接通过数字化信息系统采集的数据得出图像，实验结论更有说服力.

采用传感器等进行数字化信息系统采集数据，具有实验过程可视化、实验设计重点化、数据采集和处理智能化、教学过程现代化的特点，已经成为中学物理实验探究教学的技术支撑，也是中学物理实验面向现代化，提升实验档次的重要途径.

3 物理学与社会发展的融合

课程标准关于“跨学科实践”主题的要求有如下的建议[1]：能体会物理学对人类生活和社会发展的影响；乐于思考与实践，敢于探索，勇于创新，进一步增强安全意识、践行健康生活；具有节能环保、可持续发展的责任感.

创新实验3：研究天然气燃烧后是否产生温室气体[5]

实验器材：隔热手套、烧杯、澄清石灰水[主要成分为Ca(OH)2].

实验步骤：

1)使用天然气灶台点火，并把火焰调至最小.

2)戴上隔热手套，将干燥的烧杯罩在火焰上方，稍后可观察到烧杯内壁出现小水珠，说明有H2O生成.

3)取下烧杯，擦干烧杯内壁上的水珠，再将少量的澄清石灰水倒入烧杯内，充分摇晃后倒掉，此时烧杯壁上有残留的石灰水.

4)再将此烧杯罩在火焰上方，观察到烧杯上的澄清石灰水水滴变浑浊，说明有CO2生成.

结合化学知识，天然气的主要成份是CH4，燃烧时会产生H2O和CO2. H2O可以利用液化的方法显示，CO2可以利用澄清石灰水来检验[CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O]. 其中CO2是温室气体，大量使用化石能源，会向大气中排入大量的CO2，导致全球气候变暖[5].

课程标准在“物理学与社会发展”主题内容中有“分析能源的开发利用与可持续发展的问题，收集资料并举办报告会，讨论能源对环境的影响，结合对当地现状的调查，提出应对建议.”因此，学生在学习“能源的使用对环境的影响”时，教师可以引导学生进行“研究天然气燃烧后是否产生温室气体”的自主创新实验.

4 物理学与其他学科的融合

4.1 初中物理与学科德育的融合

学科德育是落实立德树人根本任务的直接体现，源于创新德育途径和提升教学价值的需要，从根本上破解智德分离、智情分离的问题. 集德育内容目标和教学规律为一体的学科德育，是崭新的教学实践活动，能够终结“教书”和“育人”的分离. 从“学科教学”转向“学科教育”，突出教学的育人价值，提高课堂教学品质，发展学生的核心素养，实现从“做题”“做事”向“做人”的课堂教学价值取向的转变.

创新实验4：自制欹器[6]

水满则溢，月圆则缺，这是常见的自然现象，从这些自然现象中，先哲们悟出了深刻的人生道理：满招损，谦受益. 为此，鲁国的有识之士在鲁桓公的庙中安装了欹器(图3)，藉此警示后人“虚则欹，中则正，满则覆”.

图3 古代欹器

为了感悟古人的智慧，领略科学的魅力，利用矿泉水瓶自制简易欹器. 具体操作如下：

1)在空矿泉水瓶靠近底部的位置，左右各扎1个小孔，并用细线系好，瓶口向下，然后向瓶中加入少量红色液体，可观察到瓶口向上竖立起来，稍微有点倾斜.

2)继续加水，可观察到瓶子稳稳地竖立[见图4(a)].

3)在此基础上继续加水，则瓶子不再稳定，而是发生倾斜导致瓶口向下，瓶内的水全部流出[见图4(b)].

(a)竖立

最初没有加水时，空矿泉水瓶倒立着. 加入少量水之后，整个瓶子的重心在矿泉水瓶的下部，所以瓶口在上方竖立起来并逐渐稳定. 当水量逐渐增加，重心逐渐上移，瓶子则不再稳定，当瓶中的水量增加到一定量时，重心过高使瓶子发生倾斜，从而导致瓶中的水流出.

该实验引导学生认识到：不学无术，腹中空空，就不能自立；只有不断学习，掌握知识，才能立得稳、站得直；学无止境，不能自满，自满就会跌倒，前功尽弃.

类似于“欹器”这种翻斗式的容器已被广泛应用，例如矿山的矿车，厕所里定时冲洗的翻斗，气象观测雨量计内的计量容器，等等，都是根据这种构思设计的. 课后，教师可让学生查阅相关资料，了解这些翻斗式容器的工作原理，并尝试利用身边的器材设计几个有创意的小制作来说明“重心越低越稳定”的道理.

新时代的德育，要用中国传统文化、革命文化和社会主义先进文化引导学生厚植爱国主义情怀，树立强国之志[7].

4.2 初中物理与艺术教育的融合

著名美学家蒋勋曾说：审美水平的高低，决定了竞争力的水平. 因为审美不仅代表整体思维，也代表细节思维. 给学生最好的礼物就是培养其审美能力. 音乐、美术都属于艺术范畴，其功能不在于培养学生成为艺术家，而是在传播美的过程中，培养学生审美的高雅情趣. 体育在带给学生健美体魄的同时，还能磨练学生的意志品质，让其更具活力和创造力.

4.2.1 设计并制作乐器

音乐，是最古老的艺术之一，广泛应用于各种场合. 古代，人们用动物的毛发制作弦乐器，用骨头制作哨子，用动物的角制作喇叭. 如今，乐器已改用木材、黄铜、银和尼龙等来制作. 教材中的“声现象”探讨了声音的性质，学生能从课本中学习到声音是如何产生和传播的. 为了加深学生对声音的理解，设计了如下实验.

实验目的与要求：利用身边的物品设计简单的乐器；制作并修改乐器；用制作的乐器演奏1首曲子.

实验内容：

1)学习本章内容，并准备乐器的制作.

2)为了按时完成乐器的制作，进度安排如下：

a.学习完第1节课本知识后，寻找能够发声的材料.

b.学习完第2节课本知识后，收集拟制作乐器的材料.

c.学习完第3节课本知识后，设计并且制作乐器.

d.学习完第4节课本知识后，测试制作好的乐器，修改并多次校准.

e.用制作好的乐器，练习演奏乐曲.

在学完“声现象”后，教师组织学生在课堂上展示自制的乐器，让学生描述乐器的制作过程，分享设计中遇到的问题及其解决方案，并演示自制的乐器.

在物理教学中融合艺术教育的元素不仅能够丰富学生的生活内容，提高学生的生活品质，还能让学生具有更丰富的想象力和创造力以及更强的生命活力. 因此，加强体育和美育(主要是音乐、美术)教育是提高国民综合素质的重要途径.

4.3 初中物理与化学学科的融合

化学同物理一样，也是以实验为基础的自然科学. 实验教学是培养学生科学探究能力、科学思维能力和动手能力的有效途径. 物理、化学都与生产、生活密不可分，如果在教学中将二者融合，可以给学生展示更加丰富的实验现象，活跃课堂气氛，使学生感受理化世界的奇妙与和谐，加深学生对课本知识的理解，培养其科学精神.

创新实验5：空气的浮力[8]

在学习“浮力”内容时，设计了创新实验证明空气浮力的存在，实验如下：

实验器材：托盘天平、薄荷糖、气球、可乐瓶、砝码、皮筋.

实验步骤：

1)将托盘天平放在水平桌面上，调节平衡.

2)将装有薄荷糖(2粒)气球的出气口与装有可乐的瓶口相连，并用皮筋缠紧(避免薄荷糖掉入可乐中)，再将其放在天平的左盘[图5(a)].

(a)薄荷糖未掉入瓶中 (b)薄荷糖掉入瓶中图5 空气浮力实验

3)在天平的右盘增减砝码，移动游码，直到天平再次平衡.

4)将气球中的薄荷糖迅速倒入可乐中，观察到可乐迅速“沸腾”，瓶内产生大量气泡，随后气球迅速膨胀[图5(b)]，天平左盘升高，刻度盘中间的指针向右偏转.

薄荷糖与可乐发生化学反应，产生的大量CO2充满气球，天平失去平衡验证了空气浮力的存在.

“验证空气浮力的存在”是课堂教学的拓展实验，该实验能够培养学生的发散思维，并提高学生的动手能力. 在实验设计时，将物理、化学知识进行结合，符合新课标“跨学科实践”的课程理念.

在生活中用心观察、思考可以学到书本上学不到或理解不深入的知识，把理化知识应用于实践，并不断进行改进，能够增强学生的理解能力和创新能力.

5 结束语

“跨学科实践”具有情境性、实践性和社会性等特征，是一种解决实际问题的实践活动，与日常生活、工程实践及社会热点问题密切相关. 本文旨在提高学生跨学科应用知识的能力、分析和解决问题的能力、动手实践的操作能力，培养学生积极认真的学习态度和乐于实践、勇于创新的精神. 教师在认真研读《义务教育物理新课程标准》，梳理物理学科知识特点以及分析学生现状的基础上，采用形式多样的教学策略，在具体应用情境中突破学科边界，使物理学与日常生活、工程实践、社会发展以及其他学科知识融合，促使学生在多元化环境中探索科学知识，实现学生在课堂学习中的主体性，锻炼学生的科学思维，提升学生的科学探究能力和交流合作能力，培养学生适应个人终身发展和社会发展的价值观和必备品格.