物理核心素养下的跨学科融合教学设计与实践——以“内燃机”为例

■福建省厦门市杏南中学 张丽萍

《义务教育物理课程标准（2022 年版）》将“跨学科实践”首次写入课标，其意义不言而喻。文中指出，跨学科实践旨在发展学生跨学科应用知识的能力、分析和解决问题的综合能力，培养学生积极认真的学习态度和乐于实践、敢于创新的精神。2020 年6 月，教育部颁发的《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》明确指出，“要在发挥各学科独特育人功能的基础上，充分发挥学科间综合育人功能”。

因此，在素养时代下，应围绕跨学科实践主题，树立跨学科融合意识，选择合适的内容和时机进行跨学科课程设计与实践，这样既符合当下的新课程要求，也体现了育人方式的多样化和课堂方式的多元化，有助于提升教师跨学科素养水平，促进学生综合应用相关学科知识解决实际问题能力与核心素养的发展。本文以“内燃机”为例，从明确核心素养融合目标、探寻育人融合目标、思考教学融合目标、构建课程融合脉络、注重学科融合评价五个方面进行阐述。

一、明确核心素养融合目标

在分科课程教学中，各学科都要面向全体学生，以其核心素养发展为导向进行教学设计，跨学科教学也一样，以物理内容为主线，融合其他学科知识或方法落实立德树人根本任务，促进学生核心素养发展。

在本课中，物理学科重视从热机对社会发展产生的影响角度，体会科技进步对人类和社会发展的推动作用，从能量转化角度认识内燃机工作过程，以及从能量转化和转移具有一定的方向性角度，体会节约能源与可持续发展的重要性。

历史学科方面，通过工业革命为基础的史料实证和工业革命在历史长河中的地位，致力于提升学生科技强国的家国情怀。

工程学科方面，对整个内燃机的工作原理进行多方面了解，知道多轮驱动的优势，渗透科学技术对内燃机原理理解层面的学科价值，以及对社会发展的深远影响。

化学学科方面，通过化学知识解决压缩冲程的意义及火花塞和喷油嘴的设计缘由，让学生体会能量转化的方向性，并提出提高燃料利用率的方法。

环境方面，对于内燃机排气冲程的尾气释放，从环境保护角度方面，让学生设计环境保护方案，树立节能环保意识。

总的来说，以物理内容为载体，授课过程中结合物理内容、过程、理解，甚至解决问题等需要，借以融入其他学科思想和方法进一步提出问题、解决问题，同时发展学生相应的学科核心素养，达到相辅相成的作用。

二、探寻育人融合目标

新课程标准前言部分指明：随着义务教育全面普及，教育需求从“有学上”转向“上好学”。明确培养什么人—以核心素养为导向，怎样培养人—以课程标准为依托，为谁培养人—为党和民族复兴。总的来说，就是聚焦学生发展核心素养，培养学生适应未来发展的正确价值观、必备品格和关键能力。在融合教学中，积极探寻育人融合目标，在学习要素多元、目标统整、内容统合的整体设计下，有机融入社会主义核心价值观。而在内容选择上，本课以“内燃机”为载体，主要从以下四个方面进行考虑：

为了将课堂教学与现实生活紧密结合在一起，教师在讲解知识点的时候，就要结合生活中的实例进行讲解，从一开始就让学生认识到物理与现实生活离得并不遥远。例如，讲解运动的相对性的时候，可以列举坐车时感觉到树木、房屋朝后面退的事例，结合身边的生活和生产关联的事例，进行分析和解释，让学生感受到物理学习的作用和价值，保持学生稳定持久的学习激情和兴趣。这样的环境中，学生就会快乐学习物理，从物理的学习中，感受到更多的生活气息，借助对生活的熟悉感和亲切感，提高学生对物理这门学科的亲切感。

第一，在“双减”背景下，需要做科技创新的加法。而热机作为我国交通工具的科技突破，要着力推动热机性能的开发应用，拓展研发热机应用于市场的竞争力，让科技发展深入学生内心，对学生是很好的教育启发。

第二，在本节中，学科知识间互相关联、彼此渗透又融为一体。从物理学科角度来说，作为内能与热机的自然章节，重视对热机工作原理的理解以及启发学生从科技角度看待内燃机对社会发展产生的巨大影响；从历史学科角度来说，热机作为工业革命发展的产物，能从历史长河中看待热机的发展历程以及对生产生活带来的便利；从工程角度来说，对热机工作原理的进一步挖掘有利于培养学生知其然并知其所以然的刨根问底的科学精神，让其埋下发明创造的种子；从环境角度来说，人与自然和谐共生的现代化是进一步创造人类文明新形态的必由之路。绿水青山就是金山银山，生态兴则文明兴，生态衰则文明衰，由此可见，环境之于人类的重要性，要让学生重视并践行在科技飞速发展的今天保护环境。

第三，热机的出现对社会发展的作用是巨大的，有着极其重要的价值，体现了科技进步对国家发展的推动作用；与此同时，要启发学生从能量转化角度认识其工作效率对环境的影响和意义，学会用发展的眼光看待事物，形成节约能源与可持续发展的意识。

第四，随着电力工业的发展，热机由课本介绍的汽油机和柴油机进一步发展为汽轮机、燃气轮机，为我国航天事业做出了巨大贡献。这些信息的获取可以让学生在理解性学习的基础上激发创造的动力。

三、思考教学融合目标

在融合教学实践中很多教育家认为：跨学科教学是指以某一学科为中心，在学科中选择一个中心题目进行加工和设计教学。基于此种理念，本次教学实践以物理学科为中心，历史、化学、工程、环境等进行辅助。基于核心素养融合目标和育人融合目标，本节的教学融合目标如下：

第一，了解热机的工作原理和热机的历史发展进程，能用能量转化的观点解释热机的工作过程及相关日常生活中类似的问题，形成初步的能量观念。

第二，基于对排气冲程的理解，知道能量的利用存在效率问题，并且存在污染环境的威胁；能用能量转化规律对有关具体问题进行科学推理，并形成结论；在对能量问题进行推理时，能从信息中寻找证据并做出说明。

第三，能通过观察汽油机和柴油机的异同，以及现代热机的应用情况，发现并提出关于能量的问题，能根据已有知识对问题做出猜想与假设；能通过各种渠道收集数据；能用表格、图像等多种方式展示数据，并通过分析和处理数据得出相关结论；能书面或口头表述探究过程和结果。

第四，能从热机对社会发展产生影响的角度体会科技进步、工程技术对人类和社会发展的推动作用，启发学生要具有创新精神；能从能量的转化和转移具有一定方向性的角度体会节约能源、重视环境保护可持续发展的重要性。

四、构建课程融合脉络

境脉理论认为，境脉是一条标志课堂进程发展的主线。结合本节教学实际，现将本节根据时间线、问题情景线、活动线、素养线四条线融合推进，以切实培养学生成为有理想、有本领、有担当的时代新人。

本课导入环节以现代热机的发展进程图片切入，并提问学生“是否乘坐过以上各类交通工具”，引发学生对身边各类热机的关注，引出本课学习主题——内燃机。接着从热机历史发展的时间线展开，最早我国南宋出现的走马灯是热机（涡轮机）的雏形，到第一次工业革命出现蒸汽机→蒸汽轮机，再到第二次工业革命出现内燃机→喷气发动机→火箭发动机等发展过程，感受热机在历史长河中各阶段的应用及其对人类不同时代的重要意义，感悟科技进步在人类社会发展中的关键作用。从问题情景来说，从烧水壶顶壶盖说起，了解热机的工作原理：将燃料的化学能转化为内能再转化为机械能的器械。这中间涉及燃料的种类、燃料是否充分燃烧、能量的转化方向问题，以及整个热机一个工作循环的四个冲程，内燃机的两种分类及工作过程的异同，热机从古到今的继承与创新。比如，在内燃机的两种分类及工作过程异同学习过程，按汽油和柴油燃料使用分类，以及两种热机的吸气冲程中都要进入空气，在做功冲程发生的同时，探寻点火和压燃的原因，结合化学知识燃烧条件等展开，以利于学生理解热机的部分设计意图。再如，学习完基本热机工作过程后，结合现代工程技术革新，介绍多轮驱动的工作过程，渗透科技创新对未来竞争的重要性，强调科技人才的力量，鼓励学生为我国科技自立自强而学习。

从活动线来说，本节主要围绕热机尤其是内燃机展开，基本由问题、观察（收集数据）、解释、交流的科学探究手段推进。比如，燃料燃烧的化学能全部转化为内能了吗？内能全部转化为机械能供交通工具形成动力了吗？学生在学习过程中提出上述问题，并观察热机的工作过程，收集燃料残渣，发现没有完全燃烧，以排气冲程中带走一部分热量为表象，并结合生活实际，列举燃烧不充分的热机，甚至冒出黑烟等加以证明，小组讨论并用表格（图像）等方式将能量转移过程及损耗表示出来，从而进一步解释问题，在课堂上小组内和小组间交流，注重学生科学思维和学科探究能力的培养。

从素养线来说，通过学习热机的历史发展过程及其工作原理，学生能用能量转化的观点解释它，并且会将能量转化观点用于日常生活中，如用打气筒打气、烧水壶盖被水蒸气顶起、火箭发射等，初步形成能量观，渗透历史核心素养的“时空观念”；在解决问题的过程中，由内燃机工作过程衍生出如何利用化学学科知识和工程技术提高热机工作效率方法和应用技术过程中如何保护环境等问题，讨论寻找新的能源或技术降低能源消耗、设计符合未来发展的热机，需要学生加以技术创新和观念转变，以培养学生科技强国的家国情怀，坚定人类与自然和谐共生的可持续发展道路。渗透物理和化学核心素养“科学态度和社会责任”的要素。教学流程如图1 所示。

图1 教学流程图

五、注重学科融合评价

在2022 年版新课标中，分学科的物理、历史、化学都在课程理念最后一条提及评价方式和方法的综合应用，以促进学生学习的发生和素养的发展，充分发挥评价的育人功能。

本节授课过程中将评价融入教学设计，在每一环节时间线、内容线、活动线到素养线，都有评价贯穿始终。比如，模块一认识热机：时间线——从18 世纪到现代；活动线——学生读图片，观察不同时期的交通工具；内容线——热机工作原理；素养线——物理学科的能量观念及历史的时空观念；评价线——诊断并发展学生观念形成过程及观念应用水平。再如，模块二了解热机工作过程：时间线——第二次工业革命到内燃机出现；活动线——观察汽油机和柴油机工作过程，记录它们的异同；内容线——热机工作的四冲程；素养线——物理化学科学思维与科学探究；评价线——诊断并发展学生的证据意识、能量利用效率认识水平、收集数据方式多样化情况及对探究问题的口头表述能力。

评价始终伴随着课程推进，希望能在课堂上建立起“以素养为本，评价为纲”的教学评价模式，即评价以素养为本，指向学生发展，不是用传统的练习情况或小测分数给学生贴标签，而是基于学生在课堂的具体表现，以评价促进学生兴趣发展、能力建构和素养的提升。

评价贯穿课堂始终，实现教学评一致性：第一，学习即评价。在模块学习中，课堂设置了“活动线－素养线－评价线”，重在评价学生的科学思维、合作探究、讨论未来热机产品创造等方面的素养表现水平，学生在讨论或模拟完成任务的过程中，也会利用评价来反思学习，对学生自我认识、反思评价和多元评价主体相结合的评价过程相当于学习过程，即“学习也是评价”。第二，迁移即评价。学生迁移应用能力是评价学生素养发展的一个重要标准，在模块“未来热机我创造”环节中，学生观看多轮驱动和火箭发射视频后进行评价，这一过程学生将学到的热机知识、生成的素养内化为自己的标准进行输出，促进了学生思维的发展。

评价之于学生可以帮助他们获得及时性的反馈，从而开展自我监控、自我反思和自我调整，得到发展。同时，评价之于教师是一种反思教学的重要手段。

上完本节后，据笔者任教三个班的不完全统计，55%的学生有意识地从物理、历史、化学、工程、环境保护等融合角度认识了本节学习内容，43%的学生有了部分学科融合意识，这就有利于培养学生综合应用相关学科知识看待问题、解决问题的能力，真正促进了学生关键能力的发展和核心素养的提升。

六、结语

以上是基于“内燃机”一课进行的基于核心素养的跨学科融合教学的总体设计与实践体会。在这一过程中，笔者深刻地意识到，在新课程理念下，跨学科融合带给教师和学生巨大挑战，同时也见证了跨学科融合教学给课堂带来的新活力，学生在课堂上有了不一样的收获。相信在下一阶段的教学中，跨学科融合教学会更多地出现在课堂中，有着广阔的发展空间，成为践行新课标的有力抓手！