在高中物理教學中培養(yǎng)學生的跨學科素養(yǎng)

【摘 要】跨學科素養(yǎng)是面對復雜的、不確定情景時，整合多個學科知識、觀念、方法，解決實際問題所表現(xiàn)出來的必備品格和關鍵能力。在高中物理教學中可以通過“放還”現(xiàn)實情境、創(chuàng)設注重高階思維的實踐活動、辨析交叉概念等策略，促進學生適應終身發(fā)展和社會發(fā)展需求的核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

【關鍵詞】跨學科素養(yǎng);學科教學;物理教學;高階思維

【中圖分類號】G633.7? 【文獻標志碼】A? 【文章編號】1005-6009（2020）91-0056-05

【作者簡介】李俊成，南京市第九中學（南京，210018）教師，高級教師，南京市學科帶頭人。

一、概念界定

跨學科素養(yǎng)是由 “素養(yǎng)”和“跨學科”兩個語素復合而成。“素養(yǎng)”指的是由訓練和實踐而獲得的技巧或能力。“跨學科”指整合兩門及兩門以上的學科知識與思維模式以推動學生認知能力的進步，例如解釋現(xiàn)象、解決問題、創(chuàng)造產品或提出新問題。“跨學科素養(yǎng)”是面對復雜的、不確定情景時，以非“加和”形式整合多個學科知識、觀念、方法解決實際問題所表現(xiàn)出來的必備品格和關鍵能力。

跨學科素養(yǎng)有如下特征。首先，跨學科素養(yǎng)具有“后天可干預性”，它可以通過訓練和實踐獲得，為后天的培養(yǎng)提供了可能。其次，跨學科素養(yǎng)是一種“隱性”素養(yǎng)，與學科素養(yǎng)的具體、顯性的特點相比，跨學科素養(yǎng)更為隱蔽，是在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力，是學生知識網絡完備、能融會貫通的體現(xiàn)。最后，跨學科素養(yǎng)與學科素養(yǎng)密不可分，跨學科素養(yǎng)培育不能脫離學科素養(yǎng)而單獨存在，學科素養(yǎng)如果沒有跨學科素養(yǎng)的補充，就失去了核心素養(yǎng)對“人”的發(fā)展的綜合性、整體性的培育。正是由于跨學科素養(yǎng)的存在，使學科素養(yǎng)的培育能從一個“人”的角度進行思考，而不是單一的學科視角。

二、培養(yǎng)跨學科素養(yǎng)的高中物理教學設計策略

物理學是關于“萬物之理”的學問，遠到宇宙深處，近至咫尺之間，大到廣茂蒼穹，小到微觀粒子都是物理學探索分析的對象，物理學與“萬物”有著密切的聯(lián)系。隨著科學的發(fā)展、技術的進步，物理學成為關聯(lián)其他學科的重要節(jié)點，所以，在物理學科教學中滲透跨學科素養(yǎng)的培育有良好的基礎。

高中階段是學生成人成才的關鍵期，也是核心素養(yǎng)培養(yǎng)的關鍵期，他們即將面對更為復雜多元的學習、生活，因而擁有能應對復雜情境的跨學科素養(yǎng)顯得非常重要，在物理學科教學中滲透跨學科素養(yǎng)有著必要性和緊迫性。

在物理學科教學中培養(yǎng)跨學科素養(yǎng)可以從以下幾個方面入手。

1.“放還”現(xiàn)實情境。

“放還”現(xiàn)實情境即將某個關鍵知識“放還”于這個知識可以發(fā)揮作用的現(xiàn)實問題情境中，發(fā)現(xiàn)這個知識在情境脈絡中是如何獨立解決或者與其他知識是如何交織作用、共同解決一個真實問題的。

現(xiàn)實情境中的實際問題是雜糅多向的，需要學生整合多學科的知識方法，對問題建立全面的認識來解決。國外的跨學科課程都是將實際問題設計成一個項目或者“結構不良”的問題，通過學生的合作探究和反思實踐，最終形成一個創(chuàng)新性產品或者問題解決方案，在高中物理教學中可以做借鑒。舉例如下。

【教學片段1】地磁場。

“地磁場”是人教版高中物理選修3-1“磁場”第一節(jié)“磁現(xiàn)象和磁場”的內容。在教學地磁場的方向、分布等特點時，可以融合“制作指南針”這樣一個項目，把對地磁場的認識“放還”到現(xiàn)實問題情境中去。教師可以給學生提供如下器材：一塊強磁鐵，一根縫衣針，一個碗，一些水，一塊塑料泡沫（形狀規(guī)則即可）。

首先引導學生思考下列問題：指南針的功能是什么？普通的縫衣針能指示南北嗎？指南針本身有沒有磁性？水和塑料泡沫可能有什么用途？如何確認制作的指南針指示方向正確？

學生通過交流討論、合作探究，總結出指南針的基本制作過程（內容略）。

教師引導學生進一步思考下列問題：

（1）你在教室里走動時指南針有什么變化？

（2）思考如何設計出精確、耐用、價廉的指南針。（要做到這一點，必須徹底了解地球磁場的方向和強度，進而介紹像“磁偏角”這樣的科學概念。）

（3）候鳥、海龜?shù)葎游锩磕甑倪h距離遷徙為什么不會迷路？

（4）如果沒有地磁場，我們的生活會有什么影響？

學生知道指南針，也知道它的用途，但是要動手設計、制作指南針并通過指南針來了解地磁場還是有一些難度的。在教學中教師恰當?shù)乩矛F(xiàn)實情境，讓學生能較全面地考慮問題，通過這樣的現(xiàn)實情境的研究引出地磁場，進而描述磁場，然后介紹候鳥、海龜?shù)葎游镞h距離遷徙時辨認方向依靠的也是地磁場，再通過播放科幻片的相關片段——如果地磁場消失，飛行的鳥類將不能辨識方向，導致自殺式亂飛亂撞。這樣把物理、地理、生物等學科的知識融合在一起，帶領學生多角度認識看不見摸不著的地磁場。通過“放還”現(xiàn)實情境，教師將高中物理教學中跨學科素養(yǎng)的培育真正落實。

2.創(chuàng)設關注高階思維的實踐活動。

所謂“高階思維”，是指發(fā)生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力，它在教學目標分類中表現(xiàn)為分析、綜合、評價和創(chuàng)造。

在滲透跨學科素養(yǎng)的物理教學中，我們可以借助實踐探究活動，以多元化問題驅動學生進行高階思維的思考，形成更廣闊的學習視角，幫助學生進行多學科知識的靈活遷移與運用。舉例如下。

【教學片段2】電流和電源。

電流和電源在生活中比較常見，但學生并不真正理解關于電流和電源的知識，比如學生知道電流，但不了解電流產生的原因，更不知道如何產生持續(xù)的電流。在學習人教版高中物理選修3-1“恒定電流”第一節(jié)“電流和電源”時，可以從學生感興趣的水果電池展開，用銅片、鋅片作為電極，插入一個水果（橙子）制成水果電池，與電子鐘連接，電子鐘開始工作。然后引導學生自主提出問題，分析問題并解決問題。問題如下。

（1）這個現(xiàn)象說明了什么？

（2）如何確定電流的流向，進而確定電源的正負極？

學生想到用發(fā)光二極管、電壓表、電流表，具體操作如下。

學生A嘗試使用發(fā)光二極管，發(fā)現(xiàn)不管怎么接，能使電子鐘工作的水果電池卻不能使二極管發(fā)光，進而想到電源提供給二極管的電流太小，不足以讓它工作，因此將幾個水果電池串聯(lián)，接到二極管兩端，發(fā)現(xiàn)二極管的正極接到銅片上時發(fā)光，判斷銅片是正極。學生B嘗試使用電壓表，通過電壓表指針偏轉的方向，判斷出銅片是正極。學生C嘗試使用電流表，發(fā)現(xiàn)使用最小量程，電流也不工作，想到可能工作電流很小，換用靈敏電流計，指針偏轉，進而判斷出電源的正負極。

判斷電源的正負極，看似簡單，但是真正操作起來，會遇到很多問題，需要學生綜合分析，比如要分析發(fā)光二極管電壓、電流的特點，電壓表、電流表指針偏轉和電流流向的關系，電流表和靈敏電流計的區(qū)別等，進而找出原因，最終解決問題。這樣的問題引導易于將學生的思路打開，提升他們思維的層次。

（3）為什么電流從銅片流向鋅片？

對于此問題，教師可以利用化學中的原電池的原理，給出解釋：

Cu（正極）：Cu2+ +2e=Cu

Zn（負極）：Zn-2e=Zn2+

從而進一步揭示原電池原理的微觀解釋是“電子的轉移”。

對這個問題，學生暫時無法從物理的角度解釋，但是學生可以從化學的角度去理解。通過運用跨學科的知識解決問題是知識融會貫通的表現(xiàn)，在這一過程中需要高階思維，這樣的思維能力正是跨學科素養(yǎng)的體現(xiàn)。最后再由物理角度從微觀方面揭示原電池的原理，可以讓學生深刻理解這一知識點，形成牢固的知識網絡結構。

（4）影響水果電池的電壓有哪些因素？電壓如何測？控制哪些變量？

學生從原電池的原理很快想到電壓可能與水果的果酸濃度（原電池的電解質溶液）、電極的材質、兩電極間的距離、兩電極插入水果的深度有關，然后依次實驗。

對一個對象的影響因素的分析，綜合性較強，通過原電池的電解質溶液的知識，學生可以分析出水果的果酸濃度是其中的影響因素之一;通過原電池電極的知識，可以分析出電極的材質、兩電極間的距離以及兩電極插入水果的深度也是影響因素。這些都需要學生調用化學、生物、物理的相關知識進行綜合分析。建立這樣的跨學科知識的生長點，對于培養(yǎng)學生跨學科素養(yǎng)有積極作用。

（5）用數(shù)字電壓表測量水果電池兩端的電壓可達到2.2V，卻不能使一個小燈泡發(fā)光（小燈泡接1.5V的干電池就能發(fā)光），用電壓表測量水果電池兩端電壓，電表指針幾乎無偏轉，此外之前接電流表，電流表也是無偏轉，這是什么原因？

學生分析：小燈泡的亮度是由它的實際功率決定的，當電流、電壓很小時，小燈的實際功率很小，所以不能發(fā)光，而電流、電壓（路端電壓）很小的原因，是因為水果電池本身的內電阻很大。

（6）希伯來大學的研究人員一直在開發(fā)“土豆電池”，一個土豆產生的能量就足以讓一個房間的LED燈亮40天，但是為什么土豆電池沒有成功應用呢？

學生各抒己見。最后，教師根據(jù)討論的實際情況，給出解釋——聯(lián)合國糧食與農業(yè)組織（FAO）的高級官員表示，將食物用作能源，必須考慮是否有足夠的存儲量以及是否會對銷售土豆的農民產生影響，如果都沒有問題，那么這一想法就能實現(xiàn)。

這是一個跨學科的高階思維問題，它的設置是想提醒學生注意，新產品的應用不能僅僅從技術層面考慮，對于一個國家、一個社會而言，需要考慮的因素還很多，比如在這個問題中就涉及地理中的人口與糧食問題。學生在面對較復雜的問題時能綜合多學科的知識來考慮問題，這正是跨學科素養(yǎng)的集中體現(xiàn)。

3.辨析交叉概念。

各個學科都具有各自完整的知識結構和研究方法，學生在跨學科情境的驅動下，有序地組織學科概念，在實踐活動中以交叉概念為橋梁，構建系統(tǒng)化的知識網絡，建立多個單一學科視角下科學現(xiàn)象的有機聯(lián)系，才能形成整體性的問題解決方案。由此可見，在設計教學的過程中可以利用交叉概念作為滲透跨學科素養(yǎng)的載體。

【教學片段3】擴散。

“擴散現(xiàn)象”源于人教版高中物理選修3-3“分子的熱運動”一節(jié)，教師在介紹一系列的擴散現(xiàn)象后，給出定義：不同物質能夠彼此進入對方，物理學中把這類現(xiàn)象叫作“擴散”。最后分析其本質是分子永不停息的無規(guī)則運動。

學生A的疑問：按照書本的介紹，擴散現(xiàn)象是不會停止的，但我們在生物中學過，擴散是指物質的分子從高濃度區(qū)域到達低濃度區(qū)域，直到區(qū)域的濃度達到均勻或達到平衡為止。顯然，擴散是會停止的。

學生B的疑問：化學中也有擴散的定義，和生物中的定義式類似的，達到平衡了就應該不會再擴散了。

學生C的理解：擴散是不會停止的，生物和化學中“擴散”的定義，主要強調擴散的特點，是從宏觀的角度分析的，它的微觀本質還是分子的永不停息的無規(guī)則運動，正是由于這種熱運動，生物和化學中談到的“均勻”“平衡”應該指的是動態(tài)平衡。

這種不同學科對同一概念進行不同定義的現(xiàn)象在高中階段還比較常見，這些概念的出現(xiàn)，需要進行跨學科概念辨析，才能降低學生理解的難度，進而達到精準的理解。另一方面，正是由于存在這些交叉概念，可以培養(yǎng)學生多角度認識、思考問題，使他們的知識結構穩(wěn)固并易于拓展。

再比如，高中物理中講的是“能量守恒”，講能源的時候談到“節(jié)能”;在生物學中又談到生態(tài)系統(tǒng)中的物質流動和能量流動，物質可以在生物界和非生物界之間循環(huán)往復，但能量會隨著食物鏈傳遞逐漸減少，并通過具體實例讓學生理解是怎么減少的。這時相同的概念似乎出現(xiàn)了矛盾，這需要教師整合關于能源的品質、能量流動和能量轉換的知識，結合學生的認知規(guī)律進行跨學科聯(lián)席教學，滲透跨學科素養(yǎng)，從而讓學生真正理解。

三、結語

在物理教學中滲透跨學科素養(yǎng)，絕不是簡單的在物理課程中加入其他學科知識的講解。在教學中我們可以通過“放還”現(xiàn)實情境、創(chuàng)設注重高階思維的實踐活動、辨析交叉概念等策略，關注知識的內在關聯(lián)性和綜合性，加強知識的橫向聯(lián)系和縱向溯因，促進多學科知識的融合和學科方法的相互借鑒，幫助學生進一步提升學科核心素養(yǎng)，促進適應終身發(fā)展和社會發(fā)展需求的核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

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