高中物化结合的跨学科教学实践

【摘要】以高中物理教学中所使用的静电力理论和常用受力分析方法为基础，以参与化学反应的微观粒子的动力学模型为主线，讨论了物理与化学科目分科教材的不同表述，及其给学生造成的常见误解；从科学哲学的高度审视模型思维的嵌入与深化，梳理了物理与化学两种视角的关系；利用电磁力主导的复杂静电力模型，对接高中物理与化学两科对分子作用力的各自表述；类比电子轨道与行星轨道的动力学和能量特性，以整体法、隔离法探讨化学键的微观动力学本质；本文还讨论了物化结合教学，在教学进度、模型简化、逻辑线索梳理等方面所面临的实际困难。期望探索和打开高中物化学科交叉内容的教学思路。

【关键词】高中教学；跨学科；物化结合；静电力；化学键

物理与化学两个学科，同为现代文明的基石。观点的结合与模型的统一，对学生同时理解掌握两种学科的内容和思维方式，具有极其重要的作用。就知识体系而言，物理与化学两种学科的模型，既原则上相通，又有具体理想化条件的区别。而限于各种软硬件条件，分科教学不可避免地会造成内容割裂乃至表述上的矛盾。以高中生现有的理解能力和认知水平，完全依靠自由思考将两个学科的思维和各种模型逻辑进行贯通是非常困难的，有必要由教师主动引导，并进行特定内容的直接传授。

一、高中生在对照物化两科知识点时产生的常见疑问举例

1.物理教材中的分子力与化学教材中的分子间作用力是不是一回事

新课标人教版化学教材中，仅仅表述了“分子之间存在着相互作用力”“范德华是最早研究分子间普遍存在作用力的科学家，因而把这类分子间作用力称为范德华力”。只陈述了诸如壁虎抓墙这种范德华力体现为引力的例子，没有明确表达是否存在斥力。物理教材中则详细表述了分子力既可能表现为斥力也可能表现为引力。这就难免使学生感到无所适从。

2.范德华力与氢键到底区别在哪

物理教材中只介绍了分子力，没有提到范德华力、氢键。化学教材中又说分子间存在作用力，叫做范德华力，紧接着下一页就提出还有一种作用力叫做氢键。那么依前后文理解，氢键是不是分子间作用力？到底什么样的分子间作用力才算是范德华力？让人不明所以。

要想解决上述困难乃至矛盾，必须有意引导学生，超越两个学科在高中阶段的话语局限，从科学哲学的高度寻找战略方向，再着眼具体的科学理论，寻求表述的统一。

二、理想模型思维的嵌入与深化

1.模型理想化的哲学思维训练

对大多数物化选科生而言，政治往往不是选考科目，对于唯物辩证法的学习不够充分，培养学生相应哲学思维习惯的任务往往被忽略，需要物理教师补上这一环节，专门从科学哲学的角度传授主要矛盾与次要矛盾的辩证关系。

笔者在每届高中新生第一堂物理课就会开始这项工作。通常高一物理第一课会介绍质点和位移，并且适度展开对理想化模型的表述。笔者会通过举例阐明工具的使用价值由用途决定，科学实验的高精度伴随高成本，精度的利弊由需求决定。模型的好坏也看其是否即便利又准确，因而自然科学中会出现许多近似模型。在后续的位移概念中，便是忽略了大量次要信息，突出主要信息。因而在使用位移概念处理问题时，就H4cOFnYgZP8Am3Cj0I3Lo2niYEV2lz8QTv5mfOR2Vxo=一定要注意使用条件。特别是当精度要求比较高时，就要将整段运动分解为多段位移，选取节点要尽量的多。涉及辩证法的素材还有许多，比如体现“天之道，损有余而补不足”的楞次定律，体现“道生一，一生二”的电荷、动量守恒等。通过这些思辨训练，帮助学生形成综合思考的习惯。

2.科学模型的逻辑结构

在高中物理受力分析中，往往将研究对象视作质点。这在微观视野下，正好适用于绝大部分微观粒子的相互作用，当研究对象不能视作质点时，则需要使用近似方法。在热学中还存在压强不能过高、温度不能过高的限制条件，这些条件也同时存在于一般化学反应过程中，在物化结合时就要加以辨析。比如超高温高压会破坏电子壳层结构，直接将物态转化为基本粒子的组合方式。由此阐明，当近似模型不能适用时，就必须回到更基础的模型，重新设定近似条件。

三、从库伦定律到复杂静电力模型

1.库伦定律的理想化条件与应用范围

宇宙中已知的四种基本作用力中，电磁力直接主导了化学反应。库伦力在分析少数粒子行为时便利，而在分析分子、原子整体相互作用力时就会过于复杂，因而化学中才会引入各种各样的次级模型帮助分析。沿着这个思路，笔者得以初步梳理物化结合的表述逻辑。

2.复杂静电力模型的简化

原子、分子间作用力，是一大堆电正性原子核和电负性电子的静电力相互作用。在物理学中将这一系列相互作用的静电力合成为分子力在距离上呈现出分子力曲线。化学中的范德华力是在直接观察中发现的，可以近似对应于分子力的近程引力部分。从两者概念的建立过程便可使学生理解其历史原因，范德华发现的只是冰山一角，隐藏在水面下的庞大冰体，则是更深层次的基本作用力关系。

而氢键则可通过隔离法将呈现微弱电正性的氢原子当做单独的研究对象，同时将另外一个呈现微弱电负性的原子视作研究对象，这样两者间就存在库伦引力，同时由于其电性微弱，便可解释氢键作用力微弱的原因。

最后可以展开辨析，氢键与范德华力、分子力，本质相通，但针对问题不同，具体的受力分析对象也有差异，从而造成了表述差异。

四、化学存在形态的物理学本质

1.电子绕核运动的经典动力学和量子特性

以卢瑟福原子行星模型为基础，建立库伦力等于向心力的方程式，类比天体运动万有引力等于向心力的方程，可看出电子轨道越高则速度越慢、且机械能越高（如图1）。

电子会不断自发辐射跃迁至低能级，从而填满低能级，可以类比经典力学中低能状态更稳定的常识。再结合经典模型给出的能量关系，便可以更为可靠地解释能量最低原理。另外，利用长椭圆轨道与理想圆轨道的对比，还可以类比电子的能级交错现象，虽然并不严谨，却可以引导学生从另一个角度去理解电子云。

图1 行星轨道与电子轨道经典模型

2.以高中物理视角阐释离子健和共价键

两种基本化学键看似简单，在化学必修教材中缺乏理论乃至唯象的充分辨析。类比一颗行星同时围绕一对双恒星系统公转，他们会共同组成一个独立星系。如果一颗行星被另一个恒星夺走，他们依然是两个独立的星系。这就很好解释离子键化合物的水解等许多特性（如图2）。

图2 整体法视角下的离子键与共价键

化学反应过程被归结为旧化学键断裂和新化学键形成的过程，使用更为底层的逻辑就可以表述为：化学反应过程是电子运动状态的重新安排，从而将化学键视为电子运动方式的简化表述，是为模型“压缩包”。因为不同的化学键表示的就是不同的电子运动方式，不同的运行轨道有着不同的机械能，所以当化学键发生变化时，必然伴随能量的释放和吸收。以此为基础再引入电子云，也会更易于表述西格玛键与派键的区别等内容。

3.金属键与晶体熔点的物理学本质

将一个正离子从金属中摘去，那么它的空间周围作为一个整体就必然呈现电负性，会对这个正离子存在各个方向的引力。再对比电子气模型进行探讨，可知电子气也使用了整体法和隔离法思路。对于晶体而言，化学键整齐划一，冲破化学键需要的分子动能也一致，所以当温度达到熔点时，会有大量分子处于冲破化学键所需要的临界动能，宏观上便会熔化成为液体。由于熔化过程使电子的运动轨迹发生改变，也就是化学键发生了变化，也就伴随了能量的显著变化，因而在温度不变的条件下不断吸热。

4.从底层逻辑到大千世界

依微观粒子的动力学规律搭建出化学原理，进而决定了结构和物性，以此又可以进一步解释弹力、摩擦力这种宏观近似模型，并依此将弹力归结为电磁作用力。我们想要向学生展现的是这样一种情境：现实世界建立在化学物质之中，化学过程之基础在于微观粒子的动力学，由此一直通向科学工作者心目中的终极统一理论。反之，底层逻辑决定上层规则，不断架构，直抵我们眼前的大千世界。

五、物化结合教学的实践举例

对于上述内容，笔者以补充和拓展形式为主，进行了一系列教学实践，现将一些内容设计思路简介如下：

1.化学键的区分

教学形式：课后讨论。

教学时机：在高一第一学期物理课受力分析“整体法/隔离法”相关内容完成后，这时化学课中两种化学键的初步介绍早已完成，可以进行知识点综合。

设计思路：以“整体法/隔离法”为理论方法，以化学键为应用范例，重新区分两种化学键，进而回归物理模型的简化。

2.分子力的解释

教学形式：课内讨论。

教学时机：在高二第二学期物理课进行到分子运动的分子力内容时，正好回顾化学中提到过的范德华力、氢键等分子间相互作用力。

设计思路：首先阐明分子力来源于库仑力，然后将库仑力合成为分子力，有时可表现为斥力，有时可表现为引力。带领学生回顾化学课表述的分子间相互作用力，对比物化两科在此内容上表述的异同，使学生理解其本质相通，只是针对问题的不同以及历史原因造成了表述的差异。

3.固体

教学形式：课内提问、讨论。

教学时机：在高二第二学期物理课进行到固体内容时，化学课晶体结构的学习早已完成，笔者将其引入物理课堂用以解释物理现象。

设计思路：在该节新课的引入环节便可以预设问题，让学生思考各向异性、熔点等现象的微观本质。当固体的基本分类介绍完成后，展开讨论，以化学中介绍的晶体结构为理论依据，解释物理课介绍的晶体宏观特性。

以上内容虽不涉及具体的计算训练，但却在模型思维层面上使两个学科构成了有效的沟通，双向激活，促使学生进一步形成更加完整的知识网络，同时深化了对两个学科内容的理解，增强了思维能力。

六、物化结合教学的困难与挑战

1.进度难以配合

两个学科的内容前后错位，学科融合专题难以与课内教材同步且内容跳跃过大，会使得思维能力较弱的学生难以接受，所以在教学内容与教学时机的搭配上还需谨慎处理。

2.模型的简化处理难以取舍

比如原子结构与分子构型，原理上绕不过量子论，但又无法在高中基础上完善地解释电子云。这就需要我们进一步提高学科水平，思考和实践打磨相关内容的衔接设计。

3.逻辑线索难以梳理

学科本身有历史发展逻辑、理论自洽逻辑、认知过程逻辑，这三条逻辑线时而汇聚，时而殊途。我们要设计跨学科教案，就不得不重新梳理学科逻辑线，这对教师的专业素养和综合素质提出了相当高的要求。

学科融合应该以本学段为基，优先解决本学段迫切需要解决的问题，同时敞开更广阔的思维空间，在科学性、成效性、前瞻性之间取得平衡。自然科学的实证精神和理论自洽，要求务必逻辑一致，这样才能使学生真正理解透彻，以达成课标要求。

【参考文献】

[1]习近平.扎实推动教育强国建设[J].求是，2023（18）.

[2]牛梓人.法国高中物理与化学课程的跨学科特色[J].新课程研究，2020（4）.

[3]人民教育出版社课程教材研究所.普通高中教科书·化学·选择性必修2[M].北京：人民教育出版社，2023.

[4]高山.中学物理教师的哲学使命[J].福建教育学院学报，2019（04）.

[5]杨福家.原子物理学·第五版[M].北京：高等教育出版社，2019.