指向核心素养培养的高中物理跨学科教学设计

张聪聪 谢明艳 林兴如 董丽娜 郑勤红

［摘 要］依据《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》，基于高中物理跨学科教学的主要困难，以“楞次定律”为例提出指向核心素养培养的跨学科教学设计策略。指向核心素养培养的高中物理跨学科教学，以促进学生核心素养发展为目标，以实验为载体，以分析解决问题为主要教学内容，为高中物理教师的跨学科教学提供参考和借鉴。

［关键词］核心素养；跨学科教学；楞次定律；教学设计

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）14-0044-04

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（简称《物理课标》）指出，为促进学生物理学科核心素养的发展，课程学习中要倡导基于项目的学习或整合学习等方法，促进学生基于真实情境下学科和跨学科问题解决能力的发展，促进学生素养的发展［1］。同时还指出，物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面［2］。这四个方面相互关联，其中科学思维是科学探究的基础，物理观念和科学态度与责任是科学思维的结果［3］。截至目前，初中物理跨学科教学设计研究成果较为丰硕，高中物理跨学科教学设计研究则相对较少，但高考物理试题中有大量的涉及跨学科的内容［4］。

基于此，本文先分析高中物理跨学科教学的主要困难，再以“楞次定律”为例具体阐述指向核心素养培养的高中物理跨学科教学设计策略，以期为高中物理教师的跨学科教学提供参考和借鉴。

一、高中物理跨学科教学的主要困难

《物理课标》对于跨学科的表述理论性较强，可直接运用的内容相对较少，这一方面增加了高中物理跨学科教学的难度，而另一方面为高中物理跨学科教学创造了巨大的创新空间。目前，高中物理跨学科教学主要存在以下困难。

（一）跨学科教学内容的选取相对困难

跨学科教学内容的选取，不仅需要具备跨学科的形式，而且需要实现更高层次的教学目标。高中物理跨学科教学内容既涉及高中物理的重要知识，又涉及其他学科的重要知识，所以高中物理跨学科教学内容的选取相对困难。

（二）各学科教学进度不同引发的困难

由于各个学科的教学进度并不是按照跨学科教学设计需要而设置的，其他学科的教学进度往往滞后于高中物理，导致高中物理中符合跨学科教学条件的知识内容较少了，从而影响跨学科教学的开展。

（三）跨学科问题设计中认知负荷的评估存在困难

根据《物理课标》，高中物理跨学科教学需要设置问题，让学生通过解决问题提升自身的核心素养。高中生在解决问题时所能承受的认知负荷是有限的，跨学科问题设计中学生认知负荷的评估较为困难。因此，在高中物理跨学科教学中教师要尽量降低内在认知负荷和外在认知负荷的比重，增加有效认知负荷的比重，以实现认知负荷的有效评估。

二、指向核心素养培养的“楞次定律”跨学科教学设计

（一）分析教材，遴选主题

楞次定律是电磁感应现象与电磁感应定律的桥梁，是学生学习选择性必修第二册“电磁感应”章节内容的重要基础。楞次定律中的“阻碍相对变化”具有跨学科性，因此“楞次定律”适合作为跨学科教学内容。化学的勒夏特列原理中的“化学平衡朝着削弱影响因素变化的方向移动”与楞次定律中的“阻碍磁通量相对变化”具有较强的关联性，都反映了系统自身应对外部条件变化的作用，且勒夏特列原理的教学进度刚好略早于楞次定律，由此提炼出“阻碍相对变化”这一跨学科教学主题。

（二）依托主题，设定目标

依托主题，将“楞次定律”跨学科教学的目标确定为：（1）通过楞次定律“感应电流的磁场阻碍磁体做相对运动”，培养运动与相互作用观念和能量观念；（2）通过楞次定律和勒夏特列原理的作用过程分析，培养逻辑思维能力；（3）通过分析、归纳楞次定律和勒夏特列原理的共同规律，培养科学思维能力。

（三）瞄准目标，设计问题

为实现既定教学目标，从“感应电流的磁场阻碍磁体做相对运动”和“能量守恒”两个方面设计问题。首先，设计有关影响感应电流方向的因素的问题，引导学生探究感应电流的磁场阻碍磁体做相对运动的原因，分析总结出楞次定律，厘清楞次定律各物理量之间的逻辑关系。其次，设计能量转化与守恒跨学科问题，使学生充分认识到楞次定律和勒夏特列原理都遵循自然界的普遍规律——能量守恒定律。最后，引导学生厘清勒夏特列原理各个参数之间的逻辑关系，分析比较楞次定律与勒夏特列原理的共同点。

（四）精心设计，高效教学

1.探究影响感应电流方向的因素

课堂导入：线圈与电流表相连（如图1），将磁体的某一个磁极插入线圈中或从线圈中抽出，电流表的指针发生了偏转，但两种情况下偏转的方向不同，这说明感应电流的方向并不相同，感应电流的方向与哪些因素有关？通过该问题引导学生思考影响感应电流方向的因素。

教学设计：首先，将磁体的不同磁极分别插入线圈和抽出线圈，使电流表的指针向不同方向偏转，让学生了解感应电流的方向与磁体的运动存在着一定的联系（实验操作1）。其次，带领学生进行不同磁极靠近、远离闭合铜环的实验，使学生直观感知感应电流的磁场对原磁场的阻碍作用，确定感应电流的磁场与原磁场的关系——“来拒去留”（实验操作2）。再次，以感应电流磁场的方向为中间变量，结合感应电流方向和感应电流磁场方向的联系（安培定则），以及感应电流磁场方向和原磁场方向的联系（“来拒去留”），引导学生总结出楞次定律。最后，引导学生建构楞次定律各物理量之间的逻辑关系图。

（1）实验操作1

将学生进行分组，按小组分发仪器；为学生介绍探究步骤及注意事项（包括线圈与电流表的连接；根据电流表指针的偏转方向判断线圈中感应电流的方向）；布置探究任务，让学生进行实验操作：将磁体的不同磁极分别插入线圈和抽出线圈，并记录数据（见表1）。磁体的N极插入线圈，感应电流的方向为逆时针方向（俯视），如图2（a）所示；磁体的S极插入线圈，感应电流的方向为顺时针方向（俯视），如图2（b）所示；磁体的N极抽出线圈，感应电流的方向为顺时针方向（俯视），如图2（c）所示；磁体的S极抽出线圈，感应电流的方向为逆时针方向（俯视），如图2（d）所示。

分析表1中的实验数据可知：感应电流磁场的方向与磁体磁场的方向可能一致，也可能相反，暂时无法找到它们之间的逻辑关系，但感应电流磁场的方向与感应电流的方向之间存在着一定的逻辑关系。

（2）实验操作2

让学生分组进行如图3所示的实验，引导学生观察磁体的不同磁极在靠近与远离闭合铜环的过程中铜环的相对运动情况，并记录数据（见表2）。①当磁体的N极靠近铜环时，铜环将远离磁体，如图3（a）所示；②当磁体的S极靠近铜环时，铜环将远离磁体，如图3（b）所示；③当磁体的N极离开（远离）铜环时，铜环将靠近磁体，如图3（c）所示；④当磁体的S极离开（远离）铜环时，铜环将靠近磁体，如图3（d）所示。

综合分析表2中的实验数据可知：①铜环附近由感应电流产生的磁场始终阻碍磁体的相对运动，对磁体表现为“来拒去留”，即当磁体靠近（“来”）时表现为远离（“拒”），当磁体远离（“去”）时表现为靠近（“留”）；②当穿过铜环的磁体磁场增加时，感应电流所产生的磁场的方向与磁体磁场的方向相反；当穿过铜环的磁体磁场强度减小时，感应电流所产生的磁场的方向与磁体磁场的方向相同，即感应电流所产生的磁场的方向与磁体磁场的方向表现为“增反减同”。由此可以总结出，感应电流所产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化，这就是楞次定律。

（3）分析总结楞次定律的逻辑关系

总结获得楞次定律之后，教师结合实验操作2，向学生提问：“是什么在阻碍磁体？（感应电流所产生的磁场）阻碍什么？（阻碍磁体相对铜环运动、阻碍闭合导体回路中原磁通量的变化）如何阻碍？（产生感应电流，感应电流又产生磁场）为什么不是阻止？（楞次定律是能量守恒定律在电磁感应中的体现，若完全阻止磁通量的变化，则无法产生感应电流，也就不存在楞次定律）在学生顺利解决相关问题后，教师引导学生建构楞次定律的逻辑关系（如图4），以及磁体与线圈之间的相互作用模型，培养学生的科学思维能力。

[磁体相对铜环运动][引起闭合导体回路中磁通量的变化] [感应电流的磁场阻碍磁体相对铜环运动，即阻碍铜环中磁通量的变化] [感应电流产生磁场] [产生感应电流]

图4 楞次定律的逻辑关系

2.解决跨学科问题

课堂导入：自然科学中，虽然每个学科都有大量的定律、原理，但不同学科中的部分定律、原理存在着相同或相似的逻辑关系或相互作用模型，亦即不同学科之间存在着某些共同的规律，那么楞次定律与勒夏特列原理有什么相同或相似之处呢？通过该问题，引发学生对“楞次定律中阻碍作用”的跨学科思考。

教学设计：首先，给学生介绍实验装置（如图 5）及相应器材：可操作的强磁棒和改装过的集气瓶。改装过的集气瓶由瓶塞、铜管、瓶体组成。铜管的内径大于强磁棒的直径，铜管的外表面有油脂胶涂层，铜管的底部浇注蜡液进行密封，铜管穿过挖有孔洞的瓶塞，铜管的顶部与瓶塞接触部分以油脂胶进行黏接密封。其次，介绍操作步骤。再次，以集气瓶内气体颜色变化的原因分析为切入点，引导学生建构勒夏特列原理在温度变化条件下的逻辑关系。最后，通过分析楞次定律与勒夏特列原理的逻辑关系，比较楞次定律与勒夏特列原理的共同点，形成对“阻碍相对变化”的跨学科认识。

（1）实验操作3

在集气瓶内注入 NO2和N2O4 （NO2为红棕色气体，N2O4为无色气体）混合气体后，盖紧贯穿有铜管的瓶塞，先用红外测温枪测量集气瓶的温度[T1]，之后将强磁棒不断快速反复插入、抽出铜管（为避免破坏铜管底部的密封层，强磁棒移动中尽量不要触及铜管底部），直至集气瓶内气体颜色明显加深，再用红外测温枪测量集气瓶的温度[T2]，比较两次温度的差异，观察集气瓶内的颜色变化。

因果关系分析：NO2生成N2O2反应为可逆反应，NO2生成N2O4放热，N2O4生成NO2吸热。集气瓶内的颜色逐渐加深说明有色气体 NO2增多，NO2增多说明该化学反应朝着吸热方向进行，即集气瓶内温度升高造成的结果，红外测温枪测量结果对此进行了证明。集气瓶内温度升高是由于强磁棒不断反复插入、抽出铜管（外力移动强磁棒做功），铜管内产生感应电流使铜管发热。由此，引导学生从能量转化和守恒的视角解释该现象，并使学生明白该化学反应所需要的热量来自铜管中感应电流所产生的焦耳热，线圈中的感应电流则来源于外力对强磁棒所做的功。

（2）分析总结勒夏特列原理的逻辑关系

根据实验操作3，结合勒夏特列原理“如果改变影响平衡的一个因素（温度、压强及参加反应的物质的浓度），则平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动”，进行提问：“阻碍什么？（阻碍化学平衡条件的改变，即阻碍温度升高）是什么在阻碍温度升高？（化学平衡的移动）如何阻碍？（使化学平衡移动朝着吸热方向进行，借此消耗部分热量，建立新的化学平衡，阻碍温度升高）在学生顺利解决这些问题后，教师引导学生建构勒夏特列原理的逻辑关系（如图6），加深学生对勒夏特列原理的理解。

[化学平衡条件改变

（温度升高）][化学平衡被破坏][正反应速率等于逆反应速率，产生新的化学平衡和新的平衡温度，阻碍温度升高][正反应速率低于逆反应速率，化学平衡朝着逆反应（吸热）方向进行]

图6 勒夏特列原理的逻辑关系

（3）分析总结楞次定律与勒夏特列原理的共同规律

教师引导：根据楞次定律的逻辑关系图和勒夏特列原理温度参数变化逻辑关系图，分析比较楞次定律与勒夏特列原理的共同规律，引导学生分析总结出楞次定律与勒夏特列原理都“阻碍相对变化”，都遵循能量守恒定律，从而促进学生对楞次定律勒夏特列原理的理解，培养学生的科学思维能力，鼓励学生在未来的学习和工作中大胆开展跨学科研究。

综上可知，指向核心素养培养的高中物理跨学科教学设计，不仅既具有理论意义，而且具有实践指导价值，广大高中物理教师应参考和借鉴，基于《物理课标》和高中物理教材，有效开展高中物理跨学科教学，培养学生的物理学科核心素养。

［   参   考   文   献   ］

［1］［2］  中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］  张文，茅艳婷.基于科学思维培养的物理课堂探究活动设计：以“分子的无规则运动”教学为例［J］.物理教学，2022（3）：29-31.

［4］  邓天华，傅敏.从2022年高考试题看物理跨学科教学［J］.物理教师，2023（1）：16-19.

（责任编辑 黄春香）

［通信作者］郑勤红（1962— ），男，博士，教授，博士生导师，主要从事物理教学、计算物理等研究。