“还原”物理课程的跨学科实践逻辑

母小勇

（上海师范大学教育学院，上海 200234）

《义务教育物理课程标准》完成了第2 次修订，教育部于2022年正式颁布.2022 年版《义务教育物理课程标准》把“跨学科实践”作为课程内容的一级主题之一，确立了“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”等3个二级主题.2022 年版《义务教育课程方案》要求“跨学科实践”教学时间占总课时的10%.显然，跨学科实践不是可以在物理教学中随意取舍的“水课”，而是有助于学生探究物理学与应用物理学，发展学生核心素养的重要抓手.物理学来源于人类实践，生活实践、生产实践与社会实践构成了物理学探究与应用的场域.人为的学科之间必然存在着藩篱，而人类实践却始终遵循跨学科逻辑.学科本位课程必然使学生的学习成为接受知识、背诵知识与套用知识的过程.基础教育课程改革正致力于将学生的学习尽可能“还原”为人类实践活动，让学生“重演”人类知识的探究活动与应用活动.中学物理课程应尽可能“还原”实践的逻辑，通过探究型跨学科实践、应用型跨学科实践和升华型跨学科实践，促进学生核心素养发展.

1 人类实践：物理学发展的源泉

实践是人类同现实世界进行有目的的、复杂的但有时又不可理喻的相互作用过程.众所周知，“动物仅仅利用外部自然界，单纯地以自己的存在来使自然界改变；而人则通过他所作出的改变来使自然界为自己的目的服务，来支配自然界.这便是人同其他动物的最后的本质区别，而造成这一区别的还是劳动.”［1］人类实践或劳动的目的是探索、认知、干预与改造现实世界，以保证人类自身的生存与发展.人类实践包括生活实践、生产实践、社会实践与科学实践等4种类型，四种类型的实践，互为场域，相互影响.实践不仅造就了物质形态的文化，还产生了知识、思想、观念和意识等精神形态的文化.“思想、观念、意识的产生最初是直接与人们的物质活动，与人们的物质交往，与现实生活的语言交织在一起的.观念、思维、人的精神交往在这里还是人们物质关系的直接产物”.［2］为了满足生活实践、生产实践与社会实践的需要，人们在生活、生产与社会中有目的地开展科学实践，并在其中应用所发现的知识、方法、思想和观念.作为科学实践，与物理学相关的探究活动与应用活动，都发生在生活、生产与社会所提供的场域；推动物理学发展的动力，也来自生活实践、生产实践与社会实践.这正是2022 年版《义务教育物理课程标准》确立“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”等3个跨学科实践二级主题的根本原因.

物理学从诞生之时就与人类日常生活密切关联.一方面，物理学探究活动都缘起于人类对现实生活中遇到的各种物理现象的疑惑，好奇心与求知欲驱使人们在生活中探索物理学知识.昼夜、季节与气候等的变化，雷电、虹霓与海市蜃楼等自然现象，都激发人们去探究.中国早在殷代甲骨文里就有虹的记载，唐初的《礼记注疏》则粗略地揭示出彩虹的光学成因；根据天体周而复始运动的现象，古希腊人认为“太阳、月亮和行星都在一些以地球为中心的同心球壳中运动”，［3］这一宇宙模型后来发展成为“地心说”.另一方面，当人们在生活中遇到解释不了的奇异现象，总会尝试用已知的物理学知识去分析，这既促进了物理学发展，又使人们的生活变得更加智慧.划过两极地区上空耀眼的极光，让人产生无尽的遐想，人们最终清楚，它是因带电粒子流受到地球磁场产生的洛伦兹力而发生路线偏转所致；沙漠地区的温差往往比海滨地区的温差大，人们尝试用物质的比热容进行解释并获得成功，甚至帮助人们找到植树造林、治理沙漠的策略.

物理学与工程技术始终互动发展，相得益彰.古人因为建筑房屋、农业生产和航海旅行等的需要，探索并形成了早期的机械力学和天文学；物理学借鉴并引入早期工程技术中运用的“功”“潜活力”“活性力矩”或“作用矩”等概念及其计算方法，促进了能量守恒定律的最终确立.［3］精确定量的经典物理学研究促进了分析、归纳和演绎方法的发展，导致牛顿力学体系的建立.从此，物理学实现了从认识与解释自然世界，发展为将物理学原理转化为生产工具的新时代，开发出纺织、磨坊、钟表、抽水与灌溉等机械.工业革命对推动机械的动力要求越来越高，提高原始蒸汽机的效率迫在眉睫，蒸汽机修理工瓦特（J.Watt）的反复技术改造，既推动人类进入蒸汽机时代，又促进了热力学的发展.人类在探索物理世界的过程中，通过物理学与工程技术结合，创造了内燃机、发电机、电动机、视听设备、通讯设备、计算机及网络等仪器、设备与工具，不仅改善了物理学探究的条件，还让人类生产和生活方式发生了巨大改变.毋庸置疑，电动机只有实现了持续转动，才能为人类服务；物理学只有利用工程技术，才能设计出保证电动机持续转动的换向器.

物理学与社会往往以思想观念为中介，相互作用，共同发展.经典物理学的诞生，荡涤着腐朽的宗教神学和落后的封建迷信思想，特别是由它引起的一次次工业革命都显示着磅礴的力量，人们在实践中越来越自觉地运用物理学知识、方法和思想，进行社会行动决策与社会组织管理.物理学还在同各种社会思潮斗争中发展，不断更新人们的世界观.克劳修斯（R.E.Clausius）等人把热力学第二定律或“熵增加原理”外推到整个宇宙.他们认为，自然界中其他形式的能量最终都会转变为热，由于热平衡，各处温度将趋于相同，宇宙必定趋于一个终点——“热寂”状态.恩格斯曾及时对“热寂说”这一社会思潮进行了基于辩证唯物主义的批判：“放射到太空中的热一定有可能通过某种途径（指明这一途径，将是以后自然科学的课题）转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来.”［1］恩格斯预言的途径，被后来的普利高津（I.Prigogine）发现.普利高津创建自组织和耗散结构理论，给出了一种新的宇宙秩序观.相对论与量子力学的建立，进一步改变了人类的物质观、运动观、时空观与因果观，展现了全新的世界图景，推动了人类社会的飞速发展.当看到有人极端功利地使用科学技术，给人类生存与环境造成种种危害，人们不得不重新审视科学技术的价值，逐步形成了新的科学价值观.

2 跨学科范式：人类实践的基本逻辑

人类通过观察认知、耕耘劳作、加工制造、行为试误、行动决策与组织管理等实践活动，创造了人类文化与各类知识.为了讨论问题方便，我们把直接来源于人类实践，没有经过任何实质性人为加工的人类文化，称为“原初文化”.由于早期人类探索、认知、干预与改造世界的目的、对象、视野、条件与方式大同小异，生活因素、人文因素、社会因素、技艺因素与科学因素等共同制约了各种人类实践.因此，人类早期实践创造出的各类“原初文化”及其知识之间的界限并不泾渭分明.亚里斯多德（Aristotle）的《物理学》就是以自然界为特定的探索与认知对象，其研究涉及到现代意义上的物理学、化学、生物学、天文学和地理学等方面的内容.从现代学科的观点看，人类实践先天具有的根本特征是跨学科性，人类实践遵循跨学科范式或跨学科逻辑.当社会分工越来越细化时，人们因为选择不同的视角、方法、形式与过程，开展不同的探索、认知、干预与改造世界的活动，生产了不同的“原初文化”及其知识.那些采取类似视角、方法、形式与过程开展探索、认知、干预与改造活动的人，必然形成一个特殊的文化共同体或知识共同体.在生活、工程与社会场域中，各共同体为了方便，总要对实践情境与真实研究对象进行简化或理想化处理，忽略或淡化次要因素，从而提出概念、建构模型和总结规律.人类多元的文化共同体或知识共同体，为后来众多学科的产生奠定了坚实基础.

随着人类“原初文化”的积淀及社会文明形态的形成与发展，为了进一步推动文化发展与知识探索，人们便不断运用理性与逻辑的方法，依据探究目的、对象、方法与视角的差别，对各种复杂混沌的“原初文化”及其知识进行分类、归纳和整理，以方便各文化共同体或知识共同体进行知识的传承、交流、生产与创新.由此，人们将“原初文化”分解并改造成为一系列不同的知识领域——学科（discipline）.“欧几里得几何学”树立了学科的典范.欧几里得（Euclid）在《原本》中收录了当时几乎所有古希腊时期的数学研究成果，构建了以数、点、线、面、体为逻辑线索的几何学知识体系.学科虽然源于“原初文化”，却烙上了再次人为加工与构造的痕迹.除了数学之外，物理学科是最严格的和最典型的学科.以物理学科为例，可以明晰人类构建学科的逻辑：精确界定研究对象及其基本性质，提出基本公设，并“保证这些公设是相容的和独立的”，物理学科知识便“耐心地以无瑕疵的秩序展开包含在公设中的定律的长链”.［4］可见，学科是人为加工形成的远离人类实践与“原初文化”的知识体系.换言之，任何学科的知识逻辑并不是人类探索世界的逻辑，更不是人类实践的逻辑.

学科的产生，使得文化共同体或知识共同体演变为学科共同体，并形成一种社会建制.“既定的学科，为其每个成员提供了事业基础、社会身份和作为研究者或教师的公共舞台”；［5］学科共同体也“设立一定程度的权威标准”，［6］以便其成员不僭越所在学科的话语体系、研究方法、价值标准、行为方式与伦理规范；学科共同体既生产新知识，又为发展本学科而培养人才.毋庸置疑，各学科共同体极大地促进了各知识领域的纵深探究，也方便了各学科共同体学者之间的内部交流与对话.随着知识的不断增长与学科的不断分化，人们越来越崇尚知识的学科化或逻辑化，越来越追求抽象封闭与独立自洽的知识体系.但是，“各自为政”的学科逐步在知识生产与实践创新中举步维艰.在人为划分得越来越细的学科中，人们虽然能够进行知识生产，它却不是人类探究知识的唯一路径.为了知识生产与实践创新，必须遵循人类探索世界的逻辑与人类实践的逻辑，突破学科藩篱，开展基于实践的跨学科探究.

其实，“科学是内在的统一体，它被分解成单独的部门不是由于事物的本质，而是由于人类认识的局限性.实际上存在着由物理到化学，通过生物学和人类学到社会科学的连续链条，这是任何一处都不能被打断的链条”.［7］也就是说，各学科的发展并不是互不相干的.科学中发展最快的物理学科往往为其他新兴学科提供探究工具与方法，物理学科也在学习与借鉴其他学科的过程中得到发展.例如，1938年布拉格（W.L.Bragg）担任卡文迪许实验室第5任主任后，开发出用X 射线研究生物分子结构的强大工具，为沃森（J.Watson）等学生发现DNA 双螺旋结构创造了条件，开创了生命科学研究的新时代.20世纪后半叶，学科探索领域的交叉及学科研究方法的互相借鉴，使得学科互涉或学科渗透成为一种普遍的知识生产现象.物理学在化学、生物学、医学和心理学等学科的应用，使得这些学科的原创学术成果如雨后春笋，也使得物理学发展出繁荣的分支领域；化学的化学分析、有机合成与电泳等理论与技术在生物学与医学等学科的广泛应用，使得生物学、生理学与医学的原创学术成果层出不穷，化学也获得长足的发展.这使得人们重新对跨学科（interdiscipline或transdiscipline）的知识生产范式深信不疑.跨学科范式回归人类探索世界逻辑与人类实践逻辑，关注到由于单一学科局限而无法企及的认知空白，极大地促进了介于学科之间的交叉地带的新知识发现.

从人类实践的目的、对象、视野、条件与方式看，当代社会的实践比早期人类的实践复杂得多，但是，实践先天具有的根本特征——跨学科性没有改变，实践也没有改变其跨学科范式或跨学科逻辑.人类总是瞄准丰富多彩的生活世界，进行着生活实践、生产实践、社会实践与科学实践；人类总是希望对探究的问题、对象与条件进行整合性与情境性研究，从而解决由多种因素影响的实践问题.总之，人类实践需要提出战略性与创新性实践对策与实践方式，最终实现干预与改造世界、促进人类发展的目的.这就是人类实践的跨学科范式或跨学科逻辑.英国社会学家吉本斯（M.Gibbons）甚至用“知识生产模式2”来描述人类实践的根本特征与基本逻辑.在吉本斯看来，所谓“知识生产模式1”，主要指早期物理学科探究知识的知识生产模式，它属于单一学科知识生产的范畴；所谓“知识生产模式2”，主要指现代社会基于多学科探究实践知识、情境知识与行动知识的知识生产模式，它属于“战略性科学”范畴.［8］“应用情境知识生产”“跨学科性”“异质性和组织多样性”“社会责任和反身性”“质量控制”是“知识生产模式2”的显著特征.［9］显然，在“知识生产模式2”的人类实践中，生活因素、人文因素、社会因素、技艺因素与科学因素共同决定了实践的目的、方法、视野与策略；“知识生产模式2”通过多学科融合，既克服人类实践所面临的现实困难，又促进人类知识的跨学科生产.

3 跨学科实践：超越学科本位课程的必然选择

学科的产生，使得人类似乎找到了一种有效的、经济的教育策略：利用学科的知识逻辑，构建学科课程或学科本位课程，开展学科教学.学科本位课程是一个凌驾于教师和学生生活、经验与活动之上的符号系统或知识实体，它从某一学科中选择部分内容，按照该学科的知识逻辑展开.学科本位课程使学生的学习成为接受知识、背诵知识与套用知识的过程.在学科教学中表现为：（1）界定概念，即所谓“形成概念”；（2）分析概念之间的逻辑关系，即所谓“掌握规律”；（3）应用概念与规律，即所谓“解题训练”.众所周知，在学科本位课程的背景下，学生“形成概念”与“掌握规律”的情境往往远离生活世界和人类实践，人类实践的兴趣动机、生活经验与情感体验等均被排斥在课程与教学之外；学生“解题训练”的内容是根据学科知识逻辑编制的，目的是让学生厘清“概念”，正确套用“概念”与“规律”.

1957年，在前苏联卫星上天的震撼下，美国进行了教育反思，开始在认知心理学家布鲁纳（J.S.Bruner）的思想指导下，声势浩大地推动“学科结构运动”，倡导强化中小学生独立学习与思考的“发现学习”.布鲁纳率先批判了行为主义心理学对课程的错误导向，关注人类用于构建和形成有关自己和世界意义的符号活动.［10］他认为，人类用符号构建所形成的学科就是典型的认知结构，因此，“不论我们选教什么学科，务必使学生理解学科的基本结构”.［11］于是，美国物理科学研究委员会（PSSC）声称要“以物理学家认识世界的本来面目去写教材”.［12］该委员会编写的教科书《PSSC物理》并没有展示物理学家认识世界的本来面目，却成为学科本位教科书的经典.《PSSC 物理》包括第一篇“宇宙”、第二篇“光学与波”、第三篇“力学”和第四篇“电与原子结构”，外加一个补篇.补篇涉及角动量、统计力学、狭义相对论和量子物理学等介绍性的“高等课题”.学科结构课程理论认为，由知识、概念及其概念框架构成的学科结构，虽然已被学科领域的学者与专家构造完成，但是，学生学习学科时必须“再构造”学科结构，这种“再构造”的过程就是“发现学习”.“布鲁纳提倡的发现法和他提倡的学习学科结构这两者之间，存在着必然的内在联系.学科结构是不能简单地传授的，因为它不是静物，必须教学生去不断构造即必须去发现”.［13］“学科结构运动”把学科本位课程推到了极致.据美国1000多所中小学的调查表明，“大多数学生没有从事问题解决任务，而只是从事被动的、机械的任务”，［14］从而学生不可能“再构造”学科结构.这必然导致布鲁纳倡导的“变革计划实际上压根儿就没有实施过”.［15］这次课程改革没有达到预期的目的，反而导致美国基础教育质量下降.

众所周知，皮亚杰（J.Piaget）的发生认识论认为，“人类知识的逻辑与理性组织的发展与儿童相应观念形成的心理过程之间存在相似性”.［16］库恩（T.S.Kuhn）指出，皮亚杰“对儿童对空间、时间、运动或世界本身的概念等主题的敏锐研究，一再揭示了儿童科学学习过程形成的不准确概念与人类早期成年科学家所持的概念有惊人的相似之处”.［17］这就是皮亚杰与库恩的所谓“文化重演”的观点.“文化重演”课程观认为，中小学生的学习过程可能与人类的知识探索过程高度相似，学生在认知过程中遇到的困难可能正是人类知识生产过程中遇到过的困难.为了引导学生认知发展，教师的理想工作方式是，让学生“重演”人类的知识探索过程，暴露他们的认知困难，进而通过师生对话与交往克服困难，最终让学生自主完成知识建构.虽然布鲁纳的“再构造”也属于“文化重演”的范畴，但是，他让学生“重演”的是学科领域学者与专家人为构造学科知识结构的过程，他倡导学生去“发现”僵化的、统一的学科知识结构.“文化重演”课程观所追求的学生知识建构，不同于布鲁纳的“再构造”，而是学生自主建构个性化的世界图景、认知经验与实践方式.

近些年，科学教育倡导科学探究.人们达成共识，“学科学是积极主动的过程”“学科学的中心环节是探究”.“科学探究指的是科学家用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径.科学探究也指的是学生用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家研究自然界所用的方法而进行的各种活动”.“让学生参与探究可以帮助学生：理解科学概念；对于我们是‘如何知道’我们所知道的科学事实这一过程有惊羡之感；理解科学的本质；掌握对自然界进行独立探究的必要技能；形成运用技能、能力和秉持科学态度的习惯”.［18］为了倡导科学探究，美国科学教育界强调，每个人幼年时都是科学家，每个孩子都有科学家的好奇心和敬畏感.“美国国家科学教育标准呼吁实现一种科学课堂曾经罕见的科学教育，在聚焦核心科学概念的同时，也强调学生如何学习科学的重要性.学生需要学会发现问题、建构自己的答案、用科学知识检验自己的推断和同他人交流观点”.［19］可见，科学探究不再像“学科结构运动”那样强调学生发现或探究的结果，而是关注学生的自主学习方式与主动学习过程，并把人类探究与实践的兴趣动机、生活经验与情感体验纳入科学课程之中，让学生带着问题，主动历经探究的一般过程，从而获得知识与发展能力.科学探究突出学生在真实科学实践中的探究体验与主动建构，“重演”的不是学科知识结构的构造活动，而是“重演”人类的科学实践活动.

在现代社会，科学技术为人类创造了物质文明，也在某种程度给人类造成了身心的伤害.人们明白，这并不是科学技术本身的过错，而是人类自身的问题.因此，现代社会需要培养了解社会、致力于造福社会的科学家和技术人才；需要培养了解科学技术及其后果并能够参与涉及科学技术决策的公民.在这种背景下，被称为“科学 技术 社会”（STS）的跨学科研究应运而生，“STS”教育也列入议事日程.“STS”教育的核心观点是，按照科学、技术、社会三者间的关系来进行跨学科科学教育，让科学教育不仅尽可能“还原”科学实践的逻辑，还进一步尽可能“还原”人类实践的逻辑，把科学教育与人类可持续发展、现代化生产和学生生活紧密联系在一起.“STS”教育既考虑如何促进科学技术的发展以满足社会的需要；又研究如何使社会成员按照科学本质观与科学价值观，做出正确的人类行为决策与社会管理，促进人类可持续发展.

2021年，联合国教科文组织发布《共同重新构想我们的未来：一种新的教育社会契约》.该报告认为，“革新教育需要新的教学法、课程、教师功能、学校愿景和教育时空等”“课程应强调生态、跨文化和跨学科学习”“通过科学、数字和人文素养来培养学生辨别真伪的能力”.［20］因此，在广泛实施学科课程的现实环境下，强调跨学科实践是未来中小学课程的发展趋势，也是超越学科本位课程的必然选择.其实，2011年，美国发布的《K-12年级科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》，就已提出实践、跨学科概念和核心概念等3个维度，并以这3 个维度规划了《下一代科学标准》的目标体系.［21］美国为了给中小学生日后大学阶段选择主修科学、技术、工程或数学专业创造条件，倡导中小学开展“STEM”教育.［22］中小学开展的“STEM”教育，强调“整合的课程设计模式”，属于跨学科教育范畴.［23］

在近几十年各国基础教育课程改革的过程中，无论是倡导“再构造”学科知识结构还是强调多维体验与自主建构的科学探究，无论是倡导跨学科的“STS”教育与“STEM”教育还是强调发展学生核心素养，都是试图在广泛采用学科课程的现实背景下，超越学科本位课程，使学生获得全面发展.可见，基础教育课程改革正致力于将学生的学习尽可能“还原”为人类实践活动，让学生“重演”人类知识的探究活动与应用活动.“还原”与“重演”的目的显然是增强学生学习的情境性、体验性、主动性与建构性，引导学生自主建构多维知识，以便学生未来能够运用多学科知识解决真实的实践问题.

4 “还原”实践逻辑：实现物理课程的目标

物理课程既要启发学生探究物理学，又要引导学生应用物理学解决人类实践的问题，从而促进学生核心素养发展，推动人类科学事业发展与社会进步.在实施学科课程的背景下，物理课程的跨学科实践，强调立足物理学，尽可能“还原”生活、工程与社会场域，让学生探究物理学与应用物理学，促进其物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等核心素养发展.

物理观念是物理概念和规律的升华，物理概念和物理规律是物理学探究活动的核心内容；科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证与质疑创新，而跨学科推理与跨学科论证则正是质疑创新的前提.在生活、工程与社会场域中，物理学家为了方便，总要对实践情境与真实研究对象进行简化或理想化处理，忽略次要因素，淡化非物理因素，从而提出物理概念、建构物理模型、总结物理规律.但是，在学科本位课程背景下，学生“形成概念”“建构模型”“掌握规律”等物理学习活动，成为教师“灌输概念”“强加模型”“推演规律”的过程，学生根本不清楚产生物理概念、模型与规律的真实的实践背景和推理论证过程，因此，他们在应用物理学解决实际问题时也必然张冠李戴.按照2022年版《义务教育物理课程标准》，科学探究活动，正是遵循“知识生产模式2”的跨学科实践逻辑展开的；科学态度与责任则突出学生把握科学、技术、社会、环境之间的关系，基于物理学及其他学科综合形成科学本质观与科学价值观，为推动人类社会可持续发展和实现中华民族伟大复兴做好准备.可见，“还原”人类实践的跨学科逻辑，是实现物理课程目标的必然要求.中学物理课程应该通过探究型跨学科实践、应用型跨学科实践和升华型跨学科实践，促进学生核心素养发展.

4.1 探究型跨学科实践

探究型跨学科实践以探究物理学为目的，“还原”生活情境或生产情境，将人类物理探究中原本有的跨学科环节，以学生观察实验、动手制作与科学推理等跨学科探究任务，嵌入学习过程，让学生“重演”人类探究物理世界的真实过程，理解提出物理概念、建构物理模型与概括物理规律的跨学科背景与推理过程，发展科学思维与科学探究能力.

嵌入与生活相关的跨学科探究任务，有助于学生深入探究物理学.例如，生理学和医学告诉我们，声波既可以通过空气传导，又可以通过骨传导，刺激大脑听神经后，便产生听觉.［24］因此，一些存在空气传导障碍的人，如果听神经没有被损坏，还可以利用骨传导听到声音.贝多芬（L.Beethoven）失聪后用牙咬住小木棍抵住钢琴坚持创作，就是通过骨传导听到自己的音乐.从探究物理学的角度看，骨传导是一个值得让学生完成的跨学科探究任务.目前已有教科书率先将其成功嵌入.［25］这一跨学科探究任务需要学生合作完成，在堵住某一同学耳朵的情况下，用消毒干净的振动音叉尾部，安全地抵在该同学的前额、耳后的骨头和牙齿上，看看该同学能否听到音叉的声音.当然，学生探究过程还可以嵌入对贝多芬自强不息精神的讨论.又例如，为了探究眼睛晶状体的调焦原理，物理课程可以让学生选取器材，制作一个可以用注射器改变弯曲程度的“水透镜”来模拟眼睛，探究眼睛成像过程.［26］这一跨学科探究任务，不仅能让学生清楚近视眼的成因，还能指导学生如何预防近视眼.

嵌入与生产相关的跨学科探究任务，也有助于学生深入探究物理学.例如，众所周知，电动机是重要的生产工具.它是根据通电导体在磁场中受到力的作用这一原理研制出的.物理学与技术结合，巧妙地在电动机电源的引入处设计了一个能够及时改变线圈中电流方向的换向器，解决了电动机不能持续转动的困难，实现了电动机在生产中的广泛应用.由于认为换向器属于纯粹技术问题，过去的物理课程对此往往忽略或进行淡化处理.显然，将探究电动机换向器作为一个跨学科探究任务嵌入，让学生解构电动机，有助于探究电动机的技术设计原理.目前也已有教科书率先将其成功嵌入.［27］2022年版《义务教育物理课程标准》已将“新材料的特点及其应用”等内容纳入跨学科实践.过去的物理课程主要罗列新材料的知识，介绍这些新材料的生产应用.物理课程完全可以嵌入跨学科探究任务，让学生通过现场观察、实验探究或查阅资料等活动，获得关于新材料的感性经验与理性认知.例如，学生对生产中广泛运用的纳米材料非常好奇，常常苦于没有接触真实纳米材料的机会.其实，“文房四宝”中的墨，其超微碳粒就属于纳米材料，物理课程可以用墨作为载体，设计跨学科探究任务，探究纳米材料光反射率低和电磁波吸收率高的特性.

4.2 应用型跨学科实践

应用型跨学科实践以应用物理学为目的，在学生探究某一物理原理之后，“还原”生活情境或生产情境，设计应用该原理的跨学科应用项目，让学生通过调查、考察、设计、加工、制作与实验等跨学科活动，提高其跨学科应用知识的能力、分析和解决问题的综合能力、动手操作的实践能力.

与生活相关的跨学科应用项目，有助于培养学生运用多学科知识解决实际问题的能力.例如，随着生活水平的提高，家庭中使用的电器越来越多，当电路中同时工作的大功率电器过多时，线路总电流就可能超过其额定值，使导线、开关和插座等处于过热状态，甚至引发事故.物理课程可以设计家庭电路防止过载的跨学科应用项目，让学生调查自己家庭各电器的功率、使用时间与导线的额定电流等，制订家庭大功率电器错时使用的方案，设计大功率电器专线供电的家庭电路图.又例如，学生学习了影响蒸发快慢的规律后，可以设计一个关于家庭蔬菜和水果保鲜的跨学科应用项目，让学生查阅资料，明确保鲜就是保留其维生素（水溶性或脂溶性维生素）和水分，为家庭的不同蔬菜与不同水果制订保鲜方案.

与生产相关的跨学科应用项目，也有助于培养学生运用多学科知识解决实际问题的能力.例如，电磁铁的制造，促进了继电器、电报机、变压器和电动机等电气设备的产生.在探究了通电螺线管外部的磁场之后，结合电磁起重机利用电磁铁工作的原理，可以设计一个跨学科应用项目，让学生制作简易电磁铁并探究影响其磁性强弱的因素.这个跨学科应用项目，要求学生自选电磁铁内管、铁芯、漆包线、电源与铁质重物等器材，独立完成制作；再设计方案，合作探究影响电磁铁磁性强弱的因素.这个跨学科应用项目，涉及选材、加工与制作等技术工作，模拟电磁起重机工作开展实验探究，能够培养学生动手操作的能力与跨学科应用知识的能力.类似的跨学科应用项目题材很多.例如，制作脚踏垃圾桶模型、制作简易电动机和制作机翼模型探究升力等.

4.3 升华型跨学科实践

升华型跨学科实践以培养学生科学本质观、科学价值观与社会责任感为目的，针对社会热点、“科学 技术 社会 环境”问题以及我国古代与当代科技成就等，设计跨学科实践课题，通过考察调研、实证分析、观点交锋和宣讲报告等方式，促进学生更新理念与升华思想，自觉以科学态度与社会责任规范个人行为，增强科技强国的责任感和使命感.

在学生具有一定的物理学与其他学科知识储备的条件下，物理课程可以根据社会热点与“科学 技术 社会 环境”问题，设计跨学科实践课题，发展学生的科学本质观、科学价值观与社会责任感.例如，全球变暖带来了“热岛效应”，人们往往要采取控制空调温度、绿色出行、合理规划建筑、加强城市绿化与改善城市水系等对策.物理课程可以让学生设计课题方案，调查当地产生“热岛效应”的原因，提出并制定缓解当地“热岛效应”的设想与措施.又例如，现代热机的出现，极大地改进了人类的工作方式和生活条件，但是，所有热机工作时都要排放有害物质，控制废气的排放量，已成为热机发展与环境保护的重要举措.物理课程可以让学生在安全的前提下，开展跨学科实践课题研究，考察汽车发动机运行时对周围环境的影响，运用化学与生物学知识，分析热机排放的废气有哪些有害成分，对人体健康有什么危害.

我国古代的技术应用案例，我国当代科技特别是物理学发展的成就，我国物理学家的杰出贡献和爱国情怀，都可以设计跨学科实践课题，增强学生的自豪感、责任感和使命感，激发勇攀科技高峰的精神.我国古代“龙骨水车”始于东汉，是流行于我国大部分地区的灌溉工具.以“龙骨水车”为跨学科实践课题，让学生在考察“龙骨水车”的基础上，设计与制作模拟装置，既能够让学生了解我国古代的技术成就，又能够训练学生的动手操作能力.类似的案例还很多，例如，设计与制作浮子式液体比重（密度）计等.以我国“两弹一星”事业、核能和平利用和500 米口径球面射电望远镜（FAST）等成就为主题，设计跨学科实践课题，能够激发学生强烈的物理学习动机.以我国物理学家的杰出贡献和家国情怀为主题，开展跨学科实践课题研究，更能从人格层面促进学生核心素养发展，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人.例如，物理学家王淦昌为祖国科学事业献出了毕生精力，周光召、邓稼先、于敏和程开甲等都曾接受过他的直接指导.但是，王淦昌不以权威自居，为人诚恳热情、谦虚友善，还谦虚地向年轻人请教.［28］这是设计跨学科实践课题的极好素材.