物理核心素養下的跨學科融合教學設計與實踐
——以“內燃機”為例

■福建省廈門市杏南中學 張麗萍

《義務教育物理課程標準（2022 年版）》將“跨學科實踐”首次寫入課標，其意義不言而喻。文中指出，跨學科實踐旨在發展學生跨學科應用知識的能力、分析和解決問題的綜合能力，培養學生積極認真的學習態度和樂于實踐、敢于創新的精神。2020 年6 月，教育部頒發的《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》明確指出，“要在發揮各學科獨特育人功能的基礎上，充分發揮學科間綜合育人功能”。

因此，在素養時代下，應圍繞跨學科實踐主題，樹立跨學科融合意識，選擇合適的內容和時機進行跨學科課程設計與實踐，這樣既符合當下的新課程要求，也體現了育人方式的多樣化和課堂方式的多元化，有助于提升教師跨學科素養水平，促進學生綜合應用相關學科知識解決實際問題能力與核心素養的發展。本文以“內燃機”為例，從明確核心素養融合目標、探尋育人融合目標、思考教學融合目標、構建課程融合脈絡、注重學科融合評價五個方面進行闡述。

一、明確核心素養融合目標

在分科課程教學中，各學科都要面向全體學生，以其核心素養發展為導向進行教學設計，跨學科教學也一樣，以物理內容為主線，融合其他學科知識或方法落實立德樹人根本任務，促進學生核心素養發展。

在本課中，物理學科重視從熱機對社會發展產生的影響角度，體會科技進步對人類和社會發展的推動作用，從能量轉化角度認識內燃機工作過程，以及從能量轉化和轉移具有一定的方向性角度，體會節約能源與可持續發展的重要性。

歷史學科方面，通過工業革命為基礎的史料實證和工業革命在歷史長河中的地位，致力于提升學生科技強國的家國情懷。

工程學科方面，對整個內燃機的工作原理進行多方面了解，知道多輪驅動的優勢，滲透科學技術對內燃機原理理解層面的學科價值，以及對社會發展的深遠影響。

化學學科方面，通過化學知識解決壓縮沖程的意義及火花塞和噴油嘴的設計緣由，讓學生體會能量轉化的方向性，并提出提高燃料利用率的方法。

環境方面，對于內燃機排氣沖程的尾氣釋放，從環境保護角度方面，讓學生設計環境保護方案，樹立節能環保意識。

總的來說，以物理內容為載體，授課過程中結合物理內容、過程、理解，甚至解決問題等需要，借以融入其他學科思想和方法進一步提出問題、解決問題，同時發展學生相應的學科核心素養，達到相輔相成的作用。

二、探尋育人融合目標

新課程標準前言部分指明：隨著義務教育全面普及，教育需求從“有學上”轉向“上好學”。明確培養什么人—以核心素養為導向，怎樣培養人—以課程標準為依托，為誰培養人—為黨和民族復興。總的來說，就是聚焦學生發展核心素養，培養學生適應未來發展的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。在融合教學中，積極探尋育人融合目標，在學習要素多元、目標統整、內容統合的整體設計下，有機融入社會主義核心價值觀。而在內容選擇上，本課以“內燃機”為載體，主要從以下四個方面進行考慮：

為了將課堂教學與現實生活緊密結合在一起，教師在講解知識點的時候，就要結合生活中的實例進行講解，從一開始就讓學生認識到物理與現實生活離得并不遙遠。例如，講解運動的相對性的時候，可以列舉坐車時感覺到樹木、房屋朝后面退的事例，結合身邊的生活和生產關聯的事例，進行分析和解釋，讓學生感受到物理學習的作用和價值，保持學生穩定持久的學習激情和興趣。這樣的環境中，學生就會快樂學習物理，從物理的學習中，感受到更多的生活氣息，借助對生活的熟悉感和親切感，提高學生對物理這門學科的親切感。

第一，在“雙減”背景下，需要做科技創新的加法。而熱機作為我國交通工具的科技突破，要著力推動熱機性能的開發應用，拓展研發熱機應用于市場的競爭力，讓科技發展深入學生內心，對學生是很好的教育啟發。

第二，在本節中，學科知識間互相關聯、彼此滲透又融為一體。從物理學科角度來說，作為內能與熱機的自然章節，重視對熱機工作原理的理解以及啟發學生從科技角度看待內燃機對社會發展產生的巨大影響；從歷史學科角度來說，熱機作為工業革命發展的產物，能從歷史長河中看待熱機的發展歷程以及對生產生活帶來的便利；從工程角度來說，對熱機工作原理的進一步挖掘有利于培養學生知其然并知其所以然的刨根問底的科學精神，讓其埋下發明創造的種子；從環境角度來說，人與自然和諧共生的現代化是進一步創造人類文明新形態的必由之路。綠水青山就是金山銀山，生態興則文明興，生態衰則文明衰，由此可見，環境之于人類的重要性，要讓學生重視并踐行在科技飛速發展的今天保護環境。

第三，熱機的出現對社會發展的作用是巨大的，有著極其重要的價值，體現了科技進步對國家發展的推動作用；與此同時，要啟發學生從能量轉化角度認識其工作效率對環境的影響和意義，學會用發展的眼光看待事物，形成節約能源與可持續發展的意識。

第四，隨著電力工業的發展，熱機由課本介紹的汽油機和柴油機進一步發展為汽輪機、燃氣輪機，為我國航天事業做出了巨大貢獻。這些信息的獲取可以讓學生在理解性學習的基礎上激發創造的動力。

三、思考教學融合目標

在融合教學實踐中很多教育家認為：跨學科教學是指以某一學科為中心，在學科中選擇一個中心題目進行加工和設計教學。基于此種理念，本次教學實踐以物理學科為中心，歷史、化學、工程、環境等進行輔助。基于核心素養融合目標和育人融合目標，本節的教學融合目標如下：

第一，了解熱機的工作原理和熱機的歷史發展進程，能用能量轉化的觀點解釋熱機的工作過程及相關日常生活中類似的問題，形成初步的能量觀念。

第二，基于對排氣沖程的理解，知道能量的利用存在效率問題，并且存在污染環境的威脅；能用能量轉化規律對有關具體問題進行科學推理，并形成結論；在對能量問題進行推理時，能從信息中尋找證據并做出說明。

第三，能通過觀察汽油機和柴油機的異同，以及現代熱機的應用情況，發現并提出關于能量的問題，能根據已有知識對問題做出猜想與假設；能通過各種渠道收集數據；能用表格、圖像等多種方式展示數據，并通過分析和處理數據得出相關結論；能書面或口頭表述探究過程和結果。

第四，能從熱機對社會發展產生影響的角度體會科技進步、工程技術對人類和社會發展的推動作用，啟發學生要具有創新精神；能從能量的轉化和轉移具有一定方向性的角度體會節約能源、重視環境保護可持續發展的重要性。

四、構建課程融合脈絡

境脈理論認為，境脈是一條標志課堂進程發展的主線。結合本節教學實際，現將本節根據時間線、問題情景線、活動線、素養線四條線融合推進，以切實培養學生成為有理想、有本領、有擔當的時代新人。

本課導入環節以現代熱機的發展進程圖片切入，并提問學生“是否乘坐過以上各類交通工具”，引發學生對身邊各類熱機的關注，引出本課學習主題——內燃機。接著從熱機歷史發展的時間線展開，最早我國南宋出現的走馬燈是熱機（渦輪機）的雛形，到第一次工業革命出現蒸汽機→蒸汽輪機，再到第二次工業革命出現內燃機→噴氣發動機→火箭發動機等發展過程，感受熱機在歷史長河中各階段的應用及其對人類不同時代的重要意義，感悟科技進步在人類社會發展中的關鍵作用。從問題情景來說，從燒水壺頂壺蓋說起，了解熱機的工作原理：將燃料的化學能轉化為內能再轉化為機械能的器械。這中間涉及燃料的種類、燃料是否充分燃燒、能量的轉化方向問題，以及整個熱機一個工作循環的四個沖程，內燃機的兩種分類及工作過程的異同，熱機從古到今的繼承與創新。比如，在內燃機的兩種分類及工作過程異同學習過程，按汽油和柴油燃料使用分類，以及兩種熱機的吸氣沖程中都要進入空氣，在做功沖程發生的同時，探尋點火和壓燃的原因，結合化學知識燃燒條件等展開，以利于學生理解熱機的部分設計意圖。再如，學習完基本熱機工作過程后，結合現代工程技術革新，介紹多輪驅動的工作過程，滲透科技創新對未來競爭的重要性，強調科技人才的力量，鼓勵學生為我國科技自立自強而學習。

從活動線來說，本節主要圍繞熱機尤其是內燃機展開，基本由問題、觀察（收集數據）、解釋、交流的科學探究手段推進。比如，燃料燃燒的化學能全部轉化為內能了嗎？內能全部轉化為機械能供交通工具形成動力了嗎？學生在學習過程中提出上述問題，并觀察熱機的工作過程，收集燃料殘渣，發現沒有完全燃燒，以排氣沖程中帶走一部分熱量為表象，并結合生活實際，列舉燃燒不充分的熱機，甚至冒出黑煙等加以證明，小組討論并用表格（圖像）等方式將能量轉移過程及損耗表示出來，從而進一步解釋問題，在課堂上小組內和小組間交流，注重學生科學思維和學科探究能力的培養。

從素養線來說，通過學習熱機的歷史發展過程及其工作原理，學生能用能量轉化的觀點解釋它，并且會將能量轉化觀點用于日常生活中，如用打氣筒打氣、燒水壺蓋被水蒸氣頂起、火箭發射等，初步形成能量觀，滲透歷史核心素養的“時空觀念”；在解決問題的過程中，由內燃機工作過程衍生出如何利用化學學科知識和工程技術提高熱機工作效率方法和應用技術過程中如何保護環境等問題，討論尋找新的能源或技術降低能源消耗、設計符合未來發展的熱機，需要學生加以技術創新和觀念轉變，以培養學生科技強國的家國情懷，堅定人類與自然和諧共生的可持續發展道路。滲透物理和化學核心素養“科學態度和社會責任”的要素。教學流程如圖1 所示。

圖1 教學流程圖

五、注重學科融合評價

在2022 年版新課標中，分學科的物理、歷史、化學都在課程理念最后一條提及評價方式和方法的綜合應用，以促進學生學習的發生和素養的發展，充分發揮評價的育人功能。

本節授課過程中將評價融入教學設計，在每一環節時間線、內容線、活動線到素養線，都有評價貫穿始終。比如，模塊一認識熱機：時間線——從18 世紀到現代；活動線——學生讀圖片，觀察不同時期的交通工具；內容線——熱機工作原理；素養線——物理學科的能量觀念及歷史的時空觀念；評價線——診斷并發展學生觀念形成過程及觀念應用水平。再如，模塊二了解熱機工作過程：時間線——第二次工業革命到內燃機出現；活動線——觀察汽油機和柴油機工作過程，記錄它們的異同；內容線——熱機工作的四沖程；素養線——物理化學科學思維與科學探究；評價線——診斷并發展學生的證據意識、能量利用效率認識水平、收集數據方式多樣化情況及對探究問題的口頭表述能力。

評價始終伴隨著課程推進，希望能在課堂上建立起“以素養為本，評價為綱”的教學評價模式，即評價以素養為本，指向學生發展，不是用傳統的練習情況或小測分數給學生貼標簽，而是基于學生在課堂的具體表現，以評價促進學生興趣發展、能力建構和素養的提升。

評價貫穿課堂始終，實現教學評一致性：第一，學習即評價。在模塊學習中，課堂設置了“活動線－素養線－評價線”，重在評價學生的科學思維、合作探究、討論未來熱機產品創造等方面的素養表現水平，學生在討論或模擬完成任務的過程中，也會利用評價來反思學習，對學生自我認識、反思評價和多元評價主體相結合的評價過程相當于學習過程，即“學習也是評價”。第二，遷移即評價。學生遷移應用能力是評價學生素養發展的一個重要標準，在模塊“未來熱機我創造”環節中，學生觀看多輪驅動和火箭發射視頻后進行評價，這一過程學生將學到的熱機知識、生成的素養內化為自己的標準進行輸出，促進了學生思維的發展。

評價之于學生可以幫助他們獲得及時性的反饋，從而開展自我監控、自我反思和自我調整，得到發展。同時，評價之于教師是一種反思教學的重要手段。

上完本節后，據筆者任教三個班的不完全統計，55%的學生有意識地從物理、歷史、化學、工程、環境保護等融合角度認識了本節學習內容，43%的學生有了部分學科融合意識，這就有利于培養學生綜合應用相關學科知識看待問題、解決問題的能力，真正促進了學生關鍵能力的發展和核心素養的提升。

六、結語

以上是基于“內燃機”一課進行的基于核心素養的跨學科融合教學的總體設計與實踐體會。在這一過程中，筆者深刻地意識到，在新課程理念下，跨學科融合帶給教師和學生巨大挑戰，同時也見證了跨學科融合教學給課堂帶來的新活力，學生在課堂上有了不一樣的收獲。相信在下一階段的教學中，跨學科融合教學會更多地出現在課堂中，有著廣闊的發展空間，成為踐行新課標的有力抓手！