基于跨学科融合的初中物理教学实践*

陈海涛

(广州荔湾区金道中学 广东 广州 510370)

1 物理新课标变化

《义务教育物理课程标准(2022 年版)》在课程内容中新增了“跨学科实践”一级主题,包含物理学与日常生活、工程实践和社会发展3个二级主题.新课标建议该主题既要立足物理课程内容,又要融合其他学科,发展学生运用跨学科知识分析和解决问题的综合能力、动手操作的实践能力,培养学生积极认真的学习态度和乐于实践、敢于创新的精神.

2 跨学科融合内涵

跨学科融合学习是指整合两种或两种以上学科的内容进行的主题学习,强调各个学科之间的相互配合与融合.跨学科学习相较于传统的单学科学习,具有综合性、实践性和社会性等特征.跨学科学习植根于学科核心素养,它的直接目的是培养学生的“跨学科能力”和“跨学科素养”,它也间接推动了“学科核心素养”的发展[1-2].

3 初中物理跨学科融合实践案例

自然学科对跨学科融合有天生的优势,特别是物理学科,本身就是一门注重动手实践的自然科学基础课程,物理知识与工程、能源、环境、材料等跨学科知识有密切联系.下面是笔者从“融合方式、融合程度、融合空间”3个维度对跨学科融合教学进行实践探索.

3.1 跨学科融合方式

初中物理跨学科融合学习可以是物理与单一学科融合,也可以物理与多学科融合,主要根据教学实际需要,对培养学生物理核心素养有利,既不能把物理知识复杂化,更不能增加学生学习负担.

案例1:物理与单一学科融合

人教版第二章第3节声的利用,教师在讲授声音可以传递信息时可以引用教材案例:“蝙蝠靠超声波发现昆虫”.让学生思考为什么蝙蝠通常只在夜间出来活动、觅食,但它们从来不会撞到墙壁、树枝上,并且能以很高的精度确认目标.它们的这些“绝技”靠的是什么?原来是蝙蝠在飞行时会发出超声波,这些声波碰到墙壁或昆虫时会反射回来,根据回声到来的方位和时间,蝙蝠可以确定目标的位置,蝙蝠这种方法叫做回声定位.蝙蝠回声定位的原理不仅仅是一种生物学奇观,它还具有很多实际应用价值.例如,倒车雷达、超声波导盲仪、声呐、B超等.

案例2:物理与多学科融合

人教版第三章第1节温度,教师在讲授温度计时,要利用好教材给出的3种温度计的图示,即分别是实验室用温度计、体温计、寒暑表,让学生思考3种温度计不同,特别是体温计、寒暑表在量程和分度值上设计不同的原因.教师可以引导从生物和医学、地理、历史多学科角度思考并解答这些问题.

(1)物理与生物和医学融合

比较3种温度计,体温计量程最小,只有35～42 ℃;分度值也最小,只有0.1 ℃.体温计为什么要这样设计?教材解释是因为人的正常体温是“37 ℃”左右(口腔温度),另一方面教师也可以通过“科学世界”给学生们科普,实际上人体各部分的温度并不一样.医生检查病人的体温时,常选3个地方的温度:直肠温度正常时为36.9～37.9 ℃;口腔下温度正常时为36.7～37.7 ℃;人体腋窝的温度正常时为36.0～37.4 ℃.直肠温度最稳定,但是腋窝温度测量起来最方便.当人体发烧生病时,对测量体温要求更准确,误差不能超过0.1 ℃.如果像寒暑表或实验用温度计只是准确到1 ℃,那就会影响到医生对病情的诊断.

(2)物理与地理融合

寒暑表量程为什么要设计成-35～50 ℃?因为寒暑表是我们居家使用的,用来测量室温.不同地方不同季节,气温有很大差异,但国内气温一般都在-35～50 ℃范围内.我国最冷的地方通常都以为在漠河,其实在内蒙古最北部的根河市.正是在根河,2009年时测得了零下58 ℃的极端低温;2018年,国家气象中心给根河颁了“中国冷极”的标志证书,10多年来没有城市超越.

(3)物理与历史融合

通过阅读教材“科学世界”,让学生了解通过测量体温诊断疾病的方法是1858年德国医生冯德利希创造出来的.后来经过英国医生阿尔伯特改进,诞生了专用的体温计.而且随着电子技术的发展,20世纪70年代出现了电子体温计,现在的电子体温计通过液晶直接显示体温,有的可以精确到0.01 ℃.

3.2 跨学科融合程度

在跨学科学习中,根据融合程度,可以分为浅层融合和深度融合.浅层融合只是简单知识点互相渗透,属于学科知识拓展,只是让学生“知道”涉及到另一学科知识,激发学生学习兴趣,如案例3.深度融合属于学科间全方位融合,从浅层的知识到高阶的方法、思维等互补互通,让学生学会多学科多角度认识问题,培养学生的核心素养.如案例4,物理与数学的融合经常就属于这一类.

案例3:茅屋为秋风所破歌

教师在讲授“液体压强与流速关系”应用时,可以先让学生一起背诵杜甫经典之作《茅屋为秋风所破歌》,再问这首诗体现了诗人什么样的情感?“安得广厦千万间,大庇天下寒士俱欢颜”体现了诗人忧国忧民情怀.再从物理上解释诗人创作这首诗的缘起——“茅屋被秋风所破”.当屋外刮大风时,由于茅屋顶上方空气流速快,气压小,而茅屋内空气流速慢,气压大,从而形成向上压强差、压力差,导致茅屋顶被大风刮破刮走(图1).用物理观点解释语文情景,别开生面,学生感觉特别新奇,当然也要为诗人忧国忧民的崇高思想境界点赞.

图1 茅屋为秋风所破歌

案例4:电流与电压和电阻关系

人教版第17章欧姆定律第一节“电流与电压和电阻的关系”,从探究实验、数据分析、结论都体现了物理和数学融合之深、融合之美.

教学中学生通过实验得到“电流与电压”和“电流与电阻”的实验数据,再根据实验数据,在数轴上以横坐标代表电压或电阻,纵坐标代表电流,用描点法作图分别得到电流与电压和电阻关系图像(图2和图3).分析图像得出结论:电阻不变时,电流与电压成正比;电压不变时,电流与电阻成反比.进一步分析电流与电压关系图像可知,各点连成的直线代表电阻R的图像;图像中任何一点的横坐标与纵坐标的比值是个定值,数学上这个定值就是正比例函数的K常数,物理上这个定值就是电阻不变;同理,进一步分析电流与电阻关系图像可知,各点连成的曲线代表电压U的图像;图像中任何一点的横坐标与纵坐标的乘积是个定值,数学上横坐标与纵坐标的乘积就是长方形的面积,实质这个定值就是反比例函数的K常数,物理上这个定值就是电压不变.阶段检测也经常考查这个知识点,如2023年广州市荔湾区九年级物理第17题第3问(图3),求电流与电阻关系图中阴影面积的物理意义是( ),数值为( ).

图2 电流与电压关系

图3 电流与电阻关系

“电流与电压和电阻的关系”是物理和数学深度融合的典型教学案例,“数轴、描点法、正比例函数、反比例函数、面积”都是典型的数学研究方法.电流与电压和电阻关系正是建立在数学函数图像基础上分析得到的结论.学生从多学科多角度观察物理问题、学习物理规律,可以加深对物理知识的理解,提高学生跨学科综合素养.

3.3 跨学科融合空间

在初中物理跨学科融合学习中,根据融合实施空间和时间可以分为课内跨学科融合和课后跨学科融合.课内跨学科融合主要为知识融合、方法融合、情感融合,实施的主要方式可以是物理与单一学科融合,也可以是物理与多学科融合,最终目标都是培养学生的物理核心素养,同时提高学生的跨学科综合素养.课后跨学科融合主要体现为物理实践作业的跨学科设计,通常结合STEM教育理念,以项目引领实施,如案例5[3].

案例5:“水瓶琴”

人教版第二章第2节声音的特性,教材设计的课后实践作业水瓶琴制作.教师在实施过程中,可以设计几个跨学科任务.

任务1:生活中有哪些材质可以做成水瓶琴.

任务2:音调的高低与水量多少有什么关系(定性分析)?

任务3:敲打水瓶琴和吹水瓶琴两种方式发出的音调规律一样吗?

任务4:用自己做的水瓶琴演奏一支小曲,如两只老虎、小星星等.

学生实践作业的完成情况很让人惊喜,你不得不为学生的想像力和创造力叹服.任务1中学生制作水瓶琴时有用啤酒瓶的,也有用可乐瓶的,甚至用高脚玻璃杯的,如图4所示;但不管什么材质做的水瓶琴,学生都能敲打出简单的小曲,如两只老虎、小星星等,着实让人为学生的动手能力和音乐天赋惊喜.开心之余学生们都能顺利完成任务3,即瓶内水量越多,相同力度敲打的音调越低.如果是改为吹水瓶琴,则水量越多音调越低,进而引出乐器中的打击乐和管乐,并通过教材“科学世界”对两类乐器进行科普.

图4 学生作品

4 跨学科融合实践反思

初中物理跨学科融合教学必须以培养学生的核心素养为中心,必须紧密结合教学内容,灵活采用融合方式,把握好融合程度,利用好融合空间,发展学生的“跨学科能力”和“跨学科素养”.同时跨学科教学并不是在任何时候都是适用的,实践时要充分考虑到学科知识间的契合度,不能生硬地将关联性不大的知识强行融合,这样反而增加了学生负担.同时实践证明教师的综合素质对跨学科实践的成败有非常大的影响.