基于科學素養的初中物理跨學科實踐作業的探索與實踐

一、基于科學素養的跨學科實踐作業的理論探索

《義務教育物理課程標準（2022年版）》中首次把“跨學科實踐”列為五個一級主題（課程內容）之一，凸顯了“跨學科實踐”在課程標準中的地位。“跨學科實踐”主題的內容具有跨學科性和實踐性特點，與日常生活、工程實踐及社會熱點問題密切相關。這部分內容的設計旨在提升學生跨學科運用知識的能力、分析和解決問題的綜合能力、動手操作的實踐能力，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。

（一）培養學生的科學素養是課程標準的“目標要求”

科學素養是指個體在了解科學知識、掌握科學方法、形成科學思維、具備科學態度和價值觀等方面的綜合素養。《義務教育物理課程標準（2022年版）》對培養學生的科學素養提出了具體要求：

1.具有初步的科學推理能力；有利用證據對所研究的問題進行分析和解釋的意識，能使用簡單和直接的證據表達自己的觀點，具有初步的科學論證能力；能獨立思考，對相關信息、方案和結論提出自己的見解，具有質疑創新的意識。

2.有科學探究的意識，能發現問題、提出問題，能制訂簡單的科學探究方案，會通過實踐操作等方式收集信息，初步具有對科學探究過程和結果作出解釋的能力。

3.初步認識科學本質，體會物理學對人類認識深化及社會發展的推動作用；崇尚科學，樂于思考與實踐，不迷信權威，敢于提出并堅持基于證據的個人見解，勇于放棄或修正不正確的觀點；能關注科學技術對自然環境、人類生活和社會發展的影響，遵守科學倫理，有保護環境、節約資源的意識，能在力所能及的范圍內為社會的可持續發展做出貢獻，具有實現中華民族偉大復興的責任感與使命感。

（二）跨學科實踐作業的意義

跨學科實踐作業是指打破學科界限，將不同學科的知識、方法、技能有機融合到一項或多項實踐活動中，通過解決實際問題提升學生的綜合素養。對于初中物理教學而言，跨學科實踐作業的意義在于：

1．增強學習興趣：將物理知識與其他學科知識相結合，使學習內容更加生動有趣，以激發學生的學習興趣。

2．促進知識整合：幫助學生建立知識間的聯系，形成系統的知識網絡，提高學習效率。

3．培養創新思維：鼓勵學生在實踐中發現問題、提出假設、設計方案、驗證結論，培養創新思維和問題解決能力。

4．提升科學素養：通過實踐活動，讓學生體驗科學探究的過程，培養科學精神、科學態度和科學價值觀。

（三）跨學科實踐作業設計的原則

1．主題化原則：在深入了解物理學科知識體系的基礎上，結合學生的認知水平，確定單元作業主題，實現知識的整合與拓展。

2．開放性原則：豐富作業形式，以多種方式呈現作業，為學生提供多種完成作業的途徑。

3．項目化原則：通過設置真實性的項目學習任務，讓學生在完成復雜、具有挑戰的學習任務中提升問題解決能力。

4．探究性原則：設置具有探究價值的問題，引導學生在探究的過程中培養科學思維。

5．學科性原則：依據新課程標準，將作業設計分為前設計、具體設計、評價再設計三個階段，確保作業的學科性。

二、跨學科實踐作業設計的案例

（一）農村智能溫室蔬菜大棚調查

1.設計意圖

智能溫室系統有許多新型智慧之處，以溫室種植茄子為例，選取其有代表性的、涉及各學科專業的知識來設計作業，旨在考查學生的知識綜合應用能力，進一步說明“物理來源于生活，物理服務于社會”，引導學生關注日常生活，關注工程實踐，符合課程標準關于跨學科實踐作業的要求。

2.前期準備

利用電腦搜集互聯網上“智能溫室”的相關材料信息，學生6人一組，交流討論，并回答以下問題。

（1）智能溫室有什么優點（寫出3個）：________ 、________、________。

（2）智能溫室適合種植什么類型的蔬菜（寫出2種）： ________ 、________。

（3）根據智能溫室的基本組成框架圖（見圖1），你認為建設智能溫室需要哪些學科的技術支持，完成表1（仿照示例，寫出2條）

3.作業內容

某科研小組在智能溫室大棚中采用無土栽培形式種植茄子。

（1）茄子的營養液配方如下：（單位：毫克/升）硝酸鈣354，硫酸鉀708，磷酸二氫銨115，硫酸鎂246。寫出硝酸鈣和硫酸鉀的化學式： ________ 和________ 。

1升的營養液中可為茄子的生長提供鉀元素的質量為 mg。大棚中二氧化碳氣肥的來源采用化學法，即碳酸氫鈉與硫酸在簡易的氣體發生裝置內產生二氧化碳氣體，請寫出生成二氧化碳的化學方程式 。

（2）茄子的生長過程中吸收的 和 是不同的，同時進行的 作用是綠色植物吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有機物，并釋放出 。

（3）茄子的適宜種植溫度范圍為24～30℃，圖2是智能溫室內環境溫度控制簡易示意圖，溫控開關在環境溫度高于30℃時自動斷開，環境溫度低于24℃時自動接通電路。利用這一特性，請用圖2中給出的元件連成一個電加熱器自動控制電路。

（4）要求：①電熱絲中加熱冷水時紅綠指示燈都亮；②水溫上升到30℃后，電熱絲不加熱，紅指示燈熄滅，綠指示燈亮。

（二）設計家庭節能方案

1.設計意圖

以“設計家庭節能方案”為主題，教師結合物理學、地理學、數學、工程測量技術、氣象學等多學科知識，制訂合理的教學與作業計劃。教師通過大概念落實科學知識、科學內容，關注社會熱點、日常生活和交叉學科，精選項目學習內容。

2.作業內容

【設計活動任務】

任務1：發現問題——探究當前家庭用電現狀及節能的重要性。

任務2：數據收集——收集家庭一個月各電器的耗電情況。

任務3：數據分析——將測量的電器耗電數據以圖表形式表現，分析數據間的關系。

任務4：形成方案——設計一份家庭可行性節能方案。

教師根據不同任務群的要求設計不同類型的作業，如調查報告、圖表設計、實驗測量等，讓學生可以根據自己的水平完成作業。

【評價反饋】

教師制訂開放性的評價標準量表，從自評、互評和師評三個維度對學習過程進行評價，打通上下反饋渠道，實施分層、分類反饋，注意尊重每一位學生，做到及時反饋、有效反饋、用心反饋。

【跨學科知識點整合】

物理學：電能消耗、能量轉化、電路分析等。

地理學：太陽能利用、氣候變化與能源需求等。

數學：數據統計分析、比例計算、圖表繪制等。

工程測量技術：家庭電器能耗測量、節能設備安裝等。

氣象學：季節變化對家庭用電的影響等。

3.作業建議

教師角色：教師需引導學生進行科學探究，鼓勵學生不斷探索，提高分析問題、解決問題的實踐本領和科學思維能力。

教學方式：采用多樣化的教學方式，如小組合作、實驗探究、調查報告等，合理運用信息技術手段。

學習資源：整合多方教育資源，包括教材、網絡資源、實驗器材等，為學生提供豐富的學習素材。

4.預期成果

學生作品：形成一份具有可操作性的家庭節能方案。

能力提升：提升學生的觀察能力、理解能力、分析能力、實驗探究能力、協作組織能力以及理論與實踐相結合解決問題的能力。

科學素養：增強學生的科學素養，培養創新思維和批判性思維。

（三）實踐作業——制作氣壓計，測量大氣壓

1.設計意圖

教師鼓勵學生在實踐中學習，在實踐中激發學生的學習興趣，培養學生的集體觀念和合作精神。通過數據感知大氣壓的變化，激發學生的探究欲望，增強學生的體驗感、成就感。

2.作業內容

（1）請學習小組各設計一個氣壓計，可以上網查詢相關資料，也可以在教師的指導下完成。

（2）感受不同高度大氣壓的變化。乘坐電梯上樓，看看你的氣壓計示數怎樣變化，也可以在父母陪伴的登山活動中感受山腳大氣壓與山頂大氣壓有什么不同。說一說物理原理。

（3）跨學科體驗。用自制氣壓計感受晴天、雨天氣壓的變化，了解天氣預報的原理，了解地理“等高線”的意義。

3.作業評價

實踐作業能激發學生的學習興趣和熱情，本作業打破了學科壁壘，能用物理知識解釋地理學科中的相關內容，開闊學生的視野。

三、評價與反思

（一）評價方式

跨學科實踐作業的評價方式是多方面的，評價方式的選擇要突出評價的育人功能，通過評價激勵學生參與到跨學科實踐項目中，通過評價培育學生的科學素養。主要有以下幾種評價方式：

1．過程性評價：關注學生在跨學科實踐作業中的參與度、合作能力、問題解決能力等。

2．成果展示與評價：通過學生提交的實驗報告、設計作品等成果，評價其對壓強概念的理解程度及跨學科應用能力。

3．同伴評價與自我評價：鼓勵學生相互評價作品，同時進行自我反思，提升自我認知和學習動力。

（二）反思與改進

跨學科實踐作業實施過程可以圍繞以下幾方面進行反思與改進。

1．內容整合度：回顧跨學科實踐作業的設計過程，檢查各學科知識是否有效整合，是否存在知識盲點或重復。

2．難度適宜性：根據學生的實際表現和反饋，調整作業難度，確保既具有挑戰性又符合學生的認知水平。

3．資源利用：評估實驗材料、工具等資源的利用情況，思考如何更高效地利用現有資源或開發新的教學資源。

4．學生興趣與參與度：關注學生在跨學科實踐作業中的興趣和參與度，分析影響學生積極性的因素，并采取措施加以改進。

四、總結與提升

（一）素養立意：培育科學素養的出發點與落腳點

跨學科實踐以學生科學素養的培育為出發點和落腳點。它強調學科知識的整合發展，關注學科科學概念及跨學科大概念的運用，通過現實問題的跨學科解決，培養學生的理想信念、社會責任感、創新精神與實踐能力。這種實踐方式有助于打破學科壁壘，讓學生在解決實際問題的過程中，綜合運用多學科知識，形成跨學科的綜合素養。

（二）綜合學習：提升知識整合與應用能力

跨學科實踐推動學生把當下所學與所處的學校情境、社會情境和未來職業情境加以聯結。它提供給學生綜合運用不同學科領域的內容和方法解決問題或完成任務的機會，是一種“活動”的學習、“協作”的學習和“反思”的學習。通過跨學科實踐，學生能夠更全面地理解知識的內在聯系，提升知識整合與應用能力，從而更好地適應未來社會的發展需求。

（三）融合創新：拓展認知邊界與激發創意

跨學科實踐超越傳統單一學科方法的束縛，在解決真實問題中借用、移植多學科的方法，拓展認知邊界。它嘗試用更廣闊的思路實現不同學科知識的碰撞，從而產生新的創意，實現知識創新。這種創新能力的培養，對學生未來的個人發展和社會進步具有重要意義。

（四）具身行動：強調親身體驗與具身實踐

跨學科實踐倡導超越傳統心智層面的學習，積極發揮“身體參與”的作用。它強調學生學習的親身體驗與具身實踐，讓學生在問題解決的基礎上，將解決方案與個體想法付諸實踐，實現“身心一體”的活動學習。通過具身行動，學生能更深入地理解知識，提升實踐能力，有助于培養責任感和擔當精神。

（五）適應社會發展需求：培養具備科學素養的高素質人才

跨學科實踐有助于培養學生的社會責任感、創新精神與實踐能力，這些素養是現代社會對高素質人才的基本要求。通過跨學科實踐，學生能夠更真切地認識真實世界，有效解決實際問題，激發內在的學習興趣，促進知識的共享以及高階思維的發展。

綜上所述，跨學科實踐在培養學生科學素養上具有重要意義。它不僅能夠提升學生的知識整合與應用能力，還能促進學生的全面發展，培養學生的社會責任感、創新精神與實踐能力。

（作者單位：福建省松溪縣第三中學）

編輯：趙文靜