在高中物理教学中培养学生的跨学科素养

【摘 要】跨学科素养是面对复杂的、不确定情景时，整合多个学科知识、观念、方法，解决实际问题所表现出来的必备品格和关键能力。在高中物理教学中可以通过“放还”现实情境、创设注重高阶思维的实践活动、辨析交叉概念等策略，促进学生适应终身发展和社会发展需求的核心素养的养成。

【关键词】跨学科素养;学科教学;物理教学;高阶思维

【中图分类号】G633.7  【文献标志码】A  【文章编号】1005-6009（2020）91-0056-05

【作者简介】李俊成，南京市第九中学（南京，210018）教师，高级教师，南京市学科带头人。

一、概念界定

跨学科素养是由 “素养”和“跨学科”两个语素复合而成。“素养”指的是由训练和实践而获得的技巧或能力。“跨学科”指整合两门及两门以上的学科知识与思维模式以推动学生认知能力的进步，例如解释现象、解决问题、创造产品或提出新问题。“跨学科素养”是面对复杂的、不确定情景时，以非“加和”形式整合多个学科知识、观念、方法解决实际问题所表现出来的必备品格和关键能力。

跨学科素养有如下特征。首先，跨学科素养具有“后天可干预性”，它可以通过训练和实践获得，为后天的培养提供了可能。其次，跨学科素养是一种“隐性”素养，与学科素养的具体、显性的特点相比，跨学科素养更为隐蔽，是在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力，是学生知识网络完备、能融会贯通的体现。最后，跨学科素养与学科素养密不可分，跨学科素养培育不能脱离学科素养而单独存在，学科素养如果没有跨学科素养的补充，就失去了核心素养对“人”的发展的综合性、整体性的培育。正是由于跨学科素养的存在，使学科素养的培育能从一个“人”的角度进行思考，而不是单一的学科视角。

二、培养跨学科素养的高中物理教学设计策略

物理学是关于“万物之理”的学问，远到宇宙深处，近至咫尺之间，大到广茂苍穹，小到微观粒子都是物理学探索分析的对象，物理学与“万物”有着密切的联系。随着科学的发展、技术的进步，物理学成为关联其他学科的重要节点，所以，在物理学科教学中渗透跨学科素养的培育有良好的基础。

高中阶段是学生成人成才的关键期，也是核心素养培养的关键期，他们即将面对更为复杂多元的学习、生活，因而拥有能应对复杂情境的跨学科素养显得非常重要，在物理学科教学中渗透跨学科素养有着必要性和紧迫性。

在物理学科教学中培养跨学科素养可以从以下几个方面入手。

1.“放还”现实情境。

“放还”现实情境即将某个关键知识“放还”于这个知识可以发挥作用的现实问题情境中，发现这个知识在情境脉络中是如何独立解决或者与其他知识是如何交织作用、共同解决一个真实问题的。

现实情境中的实际问题是杂糅多向的，需要学生整合多学科的知识方法，对问题建立全面的认识来解决。国外的跨学科课程都是将实际问题设计成一个项目或者“结构不良”的问题，通过学生的合作探究和反思实践，最终形成一个创新性产品或者问题解决方案，在高中物理教学中可以做借鉴。举例如下。

【教学片段1】地磁场。

“地磁场”是人教版高中物理选修3-1“磁场”第一节“磁现象和磁场”的内容。在教学地磁场的方向、分布等特点时，可以融合“制作指南针”这样一个项目，把对地磁场的认识“放还”到现实问题情境中去。教师可以给学生提供如下器材：一块强磁铁，一根缝衣针，一个碗，一些水，一块塑料泡沫（形状规则即可）。

首先引导学生思考下列问题：指南针的功能是什么？普通的缝衣针能指示南北吗？指南针本身有没有磁性？水和塑料泡沫可能有什么用途？如何确认制作的指南针指示方向正确？

學生通过交流讨论、合作探究，总结出指南针的基本制作过程（内容略）。

教师引导学生进一步思考下列问题：

（1）你在教室里走动时指南针有什么变化？

（2）思考如何设计出精确、耐用、价廉的指南针。（要做到这一点，必须彻底了解地球磁场的方向和强度，进而介绍像“磁偏角”这样的科学概念。）

（3）候鸟、海龟等动物每年的远距离迁徙为什么不会迷路？

（4）如果没有地磁场，我们的生活会有什么影响？

学生知道指南针，也知道它的用途，但是要动手设计、制作指南针并通过指南针来了解地磁场还是有一些难度的。在教学中教师恰当地利用现实情境，让学生能较全面地考虑问题，通过这样的现实情境的研究引出地磁场，进而描述磁场，然后介绍候鸟、海龟等动物远距离迁徙时辨认方向依靠的也是地磁场，再通过播放科幻片的相关片段——如果地磁场消失，飞行的鸟类将不能辨识方向，导致自杀式乱飞乱撞。这样把物理、地理、生物等学科的知识融合在一起，带领学生多角度认识看不见摸不着的地磁场。通过“放还”现实情境，教师将高中物理教学中跨学科素养的培育真正落实。

2.创设关注高阶思维的实践活动。

所谓“高阶思维”，是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力，它在教学目标分类中表现为分析、综合、评价和创造。

在渗透跨学科素养的物理教学中，我们可以借助实践探究活动，以多元化问题驱动学生进行高阶思维的思考，形成更广阔的学习视角，帮助学生进行多学科知识的灵活迁移与运用。举例如下。

【教学片段2】电流和电源。

电流和电源在生活中比较常见，但学生并不真正理解关于电流和电源的知识，比如学生知道电流，但不了解电流产生的原因，更不知道如何产生持续的电流。在学习人教版高中物理选修3-1“恒定电流”第一节“电流和电源”时，可以从学生感兴趣的水果电池展开，用铜片、锌片作为电极，插入一个水果（橙子）制成水果电池，与电子钟连接，电子钟开始工作。然后引导学生自主提出问题，分析问题并解决问题。问题如下。

（1）这个现象说明了什么？

（2）如何确定电流的流向，进而确定电源的正负极？

学生想到用发光二极管、电压表、电流表，具体操作如下。

学生A尝试使用发光二极管，发现不管怎么接，能使电子钟工作的水果电池却不能使二极管发光，进而想到电源提供给二极管的电流太小，不足以让它工作，因此将几个水果电池串联，接到二极管两端，发现二极管的正极接到铜片上时发光，判断铜片是正极。学生B尝试使用电压表，通过电压表指针偏转的方向，判断出铜片是正极。学生C尝试使用电流表，发现使用最小量程，电流也不工作，想到可能工作电流很小，换用灵敏电流计，指针偏转，进而判断出电源的正负极。

判断电源的正负极，看似简单，但是真正操作起来，会遇到很多问题，需要学生综合分析，比如要分析发光二极管电压、电流的特点，电压表、电流表指针偏转和电流流向的关系，电流表和灵敏电流计的区别等，进而找出原因，最终解决问题。这样的问题引导易于将学生的思路打开，提升他们思维的层次。

（3）为什么电流从铜片流向锌片？

对于此问题，教师可以利用化学中的原电池的原理，给出解释：

Cu（正极）：Cu2+ +2e=Cu

Zn（负极）：Zn-2e=Zn2+

从而进一步揭示原电池原理的微观解释是“电子的转移”。

对这个问题，学生暂时无法从物理的角度解释，但是学生可以从化学的角度去理解。通过运用跨学科的知识解决问题是知识融会贯通的表现，在这一过程中需要高阶思维，这样的思维能力正是跨学科素养的体现。最后再由物理角度从微观方面揭示原电池的原理，可以让学生深刻理解这一知识点，形成牢固的知识网络结构。

（4）影响水果电池的电压有哪些因素？电压如何测？控制哪些变量？

学生从原电池的原理很快想到电压可能与水果的果酸浓度（原电池的电解质溶液）、电极的材质、两电极间的距离、两电极插入水果的深度有关，然后依次实验。

对一个对象的影响因素的分析，综合性较强，通过原电池的电解质溶液的知识，学生可以分析出水果的果酸浓度是其中的影响因素之一;通过原电池电极的知识，可以分析出电极的材质、两电极间的距离以及两电极插入水果的深度也是影响因素。这些都需要学生调用化学、生物、物理的相关知识进行综合分析。建立这样的跨学科知识的生长点，对于培养学生跨学科素养有积极作用。

（5）用数字电压表测量水果电池两端的电压可达到2.2V，却不能使一个小灯泡发光（小灯泡接1.5V的干电池就能发光），用电压表测量水果电池两端电压，电表指针几乎无偏转，此外之前接电流表，电流表也是无偏转，这是什么原因？

学生分析：小灯泡的亮度是由它的实际功率决定的，当电流、电压很小时，小灯的实际功率很小，所以不能发光，而电流、电压（路端电压）很小的原因，是因为水果电池本身的内电阻很大。

（6）希伯来大学的研究人员一直在开发“土豆电池”，一个土豆产生的能量就足以让一个房间的LED灯亮40天，但是为什么土豆电池没有成功应用呢？

学生各抒己见。最后，教师根据讨论的实际情况，给出解释——联合国粮食与农业组织（FAO）的高级官员表示，将食物用作能源，必须考虑是否有足够的存储量以及是否会对销售土豆的农民产生影响，如果都没有问题，那么这一想法就能实现。

这是一个跨学科的高阶思维问题，它的设置是想提醒学生注意，新产品的应用不能仅仅从技术层面考虑，对于一个国家、一个社会而言，需要考虑的因素还很多，比如在这个问题中就涉及地理中的人口与粮食问题。学生在面对较复杂的问题时能综合多学科的知识来考虑问题，这正是跨学科素养的集中体现。

3.辨析交叉概念。

各個学科都具有各自完整的知识结构和研究方法，学生在跨学科情境的驱动下，有序地组织学科概念，在实践活动中以交叉概念为桥梁，构建系统化的知识网络，建立多个单一学科视角下科学现象的有机联系，才能形成整体性的问题解决方案。由此可见，在设计教学的过程中可以利用交叉概念作为渗透跨学科素养的载体。

【教学片段3】扩散。

“扩散现象”源于人教版高中物理选修3-3“分子的热运动”一节，教师在介绍一系列的扩散现象后，给出定义：不同物质能够彼此进入对方，物理学中把这类现象叫作“扩散”。最后分析其本质是分子永不停息的无规则运动。

学生A的疑问：按照书本的介绍，扩散现象是不会停止的，但我们在生物中学过，扩散是指物质的分子从高浓度区域到达低浓度区域，直到区域的浓度达到均匀或达到平衡为止。显然，扩散是会停止的。

学生B的疑问：化学中也有扩散的定义，和生物中的定义式类似的，达到平衡了就应该不会再扩散了。

学生C的理解：扩散是不会停止的，生物和化学中“扩散”的定义，主要强调扩散的特点，是从宏观的角度分析的，它的微观本质还是分子的永不停息的无规则运动，正是由于这种热运动，生物和化学中谈到的“均匀”“平衡”应该指的是动态平衡。

这种不同学科对同一概念进行不同定义的现象在高中阶段还比较常见，这些概念的出现，需要进行跨学科概念辨析，才能降低学生理解的难度，进而达到精准的理解。另一方面，正是由于存在这些交叉概念，可以培养学生多角度认识、思考问题，使他们的知识结构稳固并易于拓展。

再比如，高中物理中讲的是“能量守恒”，讲能源的时候谈到“节能”;在生物学中又谈到生态系统中的物质流动和能量流动，物质可以在生物界和非生物界之间循环往复，但能量会随着食物链传递逐渐减少，并通过具体实例让学生理解是怎么减少的。这时相同的概念似乎出现了矛盾，这需要教师整合关于能源的品质、能量流动和能量转换的知识，结合学生的认知规律进行跨学科联席教学，渗透跨学科素养，从而让学生真正理解。

三、結语

在物理教学中渗透跨学科素养，绝不是简单的在物理课程中加入其他学科知识的讲解。在教学中我们可以通过“放还”现实情境、创设注重高阶思维的实践活动、辨析交叉概念等策略，关注知识的内在关联性和综合性，加强知识的横向联系和纵向溯因，促进多学科知识的融合和学科方法的相互借鉴，帮助学生进一步提升学科核心素养，促进适应终身发展和社会发展需求的核心素养的养成。

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