物理跨学科实践：内涵、特点与案例

摘  要：跨学科实践作为培养和发展学生核心素养的课程载体，其有效实施路径需要厘清。在对物理跨学科实践的内涵与特点进行解读的基础上，分析了物理跨学科实践活动的设计原则，提出了落实物理跨学科实践的有效途径。最后，通过案例进行跨学科实践活动，供物理教师借鉴与参考。

关键词：跨学科实践；初中物理；核心素养；实施路径

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）2-0076-6

2022年4月教育部颁布了新修订的《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“物理课程标准”）。其中，课程内容的最大变化是新增了“跨学科实践”这一主题，旨在发展学生跨学科运用知识的能力、分析和解决问题的综合能力、动手操作的实践能力，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［1］。跨学科实践与其他物理课程内容相结合，成为此次课程改革的亮点之一。学生在现实生活中遇到的问题纷繁复杂，单一的学科知识往往限制了学生解决问题的视野与能力，而跨学科实践能破除分科教学的桎梏，培养学生综合运用知识解决问题的能力。因此，教师有必要理解跨学科实践的意蕴，厘清跨学科实践的有效实施路径，在教学实践中落实立德树人的根本任务。

1    物理跨学科实践的内涵

物理课程标准中涉及跨学科实践的描述为：“跨学科实践”主题的内容具有跨学科性和实践性特点，与日常生活、工程实践及社会热点问题密切相关［1］。此描述可以看出跨学科实践的特点，但对跨学科实践的具体定义有待梳理。因此，有必要在明确定义的基础上进行内涵解读。何为跨学科？在跨学科研究中，人们常用多学科（multidisciplinary）、跨学科（interdisciplinary）和超学科（transdisciplinary）三个词来区分不同研究范式或衡量学科的跨学科性，这些名词反映出知识整合深浅的程度。而跨学科在强调学科立场的同时，又超越了学科边界，创造性地综合各学科知识来协同解决真实问题、淡化学科隔阂，形成丰富学生知识建构的沃土［2-3］。同时，跨学科实践的本质需要进一步探讨。通过分析其他科目课程标准中对跨学科实践的描述，在个性中归纳出共性，有利于明确跨学科实践的本质。通读其他科目义务教育课程标准，发现科目中对跨学科实践（其他科目亦称为“跨学科主题学习”）有直观的定义描述，如表1所示。

根据表1的描述，需要定性跨学科实践，即跨学科实践的本质是实践活动还是学习方式。《辞海》指出：活动是为某种目的而采取的行动；方式是言行所采用的方法和形式；实践是人们改造自然和改造社会的有意识的活动。根据以上解释，物理跨学科实践的本质应该视为实践活动。众所周知，物理学是自然科学领域的一门以实验为基础、具有严谨理论体系、能进行定量精密研究、带有方法论性质的应用广泛的基础学科。根据物理学的特点及表1内容可知，物理跨学科实践是一种将学习置于真实、复杂、有意义的情境中，以物理课程内容为主干，综合运用两门或两门以上学科（其中一门为物理学科）的知识、方法或观念进行问题解决，实现单一学科不能达成的目的，以促进学科和跨学科理解，培养学生多学科视角分析与解决问题的能力，以实现核心素养提升的综合实践活动［6］。因此，物理跨学科实践具有以核心素养为导向、以跨学科知识为基础、以实际问题为驱动、以动手实践为经历的特征。

2    物理跨学科实践的特点

在物理课程标准的内容框架中，一级主题“跨学科实践”包含“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”三个二级主题，具体内容如表2所示［1］。“物理学与日常生活”强调学生在日常生活中发现、分析及解决实际问题，并通过学习知识来践行知行合一的理念。“物理学与工程实践”注重学生了解物理学在工程学和信息技术中的应用，尤其要让学生了解我国古代的科技成就，增强学生的民族自豪感。“物理学与社会发展”强调要结合实例，了解能源与新材料对社会发展的影响，着重了解现代以来我国高新技术的发展与成就，强化学生投身科技强国的使命担当。基于物理跨学科实践内容的特征分析，可知物理跨学科实践具有实践内容的整合性与真实性、学习方式的实践性与多样性和学习成果的迁移性等特点。

2.1    实践内容的整合性与真实性

物理跨学科实践设置了“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”和“物理学与社会发展”三大主题，里面的内容丰富，体现出不同学习领域的知识整合，多种方法的综合利用。实践内容的整合是基于真实的问题情境，通过提出问题、确定实践方案与目的、实践行动与评价等环节，将学习者头脑中碎片化的知识转化为连贯性想法，来提升学生的学习效果。同时，各个主题中的活动案例都与学生的生活经验息息相关。这拉近了学生与自然科学的联系，让学生体会到所学知识的有用性，在强化跨学科实践活动的教学意义方面起着积极作用。

2.2    学习方式的实践性与多样性

跨学科实践尤其强调学生通过实践性或具体性的学习情境获得知识感知，在实践中完成知识建构，形成自己的学习体验和学习结果［7］。跨学科实践建构了多学科整合的物理实践活动场域，丰富了学生的学习方式。物理实践活动主要包含查阅资料与实物考察、论文撰写与作品制作、实验探究三类。不同类型的活动会产生不同的学习方式，这些实践方式既强调学生的动手实践，又注重培养学生在观察、数据搜集与分析等方面的能力。同时，也为学生的交流合作提供了便利。

2.3    学习成果的迁移性

物理跨学科实践的学习价值在于培养学生将已经学到的相关知识应用到新的情境之中的综合能力。学生通过跨学科实践，既能深入认识本学科知识体系，更能从不同学科（或整合各学科）视角看待并解决问题。因此，跨学科实践帮助学生形成对身边世界连贯的、科学的理解，提升学生的核心素养。

3    物理跨学科实践的实施路径

3.1    设计原则

核心素养导向下的物理课堂转型，需要着力挖掘跨学科实践的教学价值。重审物理课堂教学，遵循跨学科实践活动的设计原则，才能更好地实施跨学科实践。原则一：立足物理学科，遵循课程标准。初中物理跨学科实践的开展，需要以物理学为学科基础。根据物理课程标准规定的内容要求与活动建议，将物理学科知识与日常生活、工程实践和社会发展紧密联系起来，选择综合性、实践性的课题设计合理的跨学科实践活动。原则二：一体化设计，优化教学过程。10%课时的跨学科实践与90%课时的物理课程内容应作为一个整体，进行统筹规划和顶层设计。要重视跨学科实践在打破分科教学桎梏、变革教材内容呈现形态与优化学生学习方式上发挥的示范作用。但在教学中，更应将跨学科实践融入物理课程中，并根据课程内容的主题特征，一体化设计跨学科实践，优化课程内容与跨学科实践的教学衔接，落实学科育人价值。原则三：动手实践，学用结合。跨学科实践作为物理课程的有机组成部分，既强调新知识的学习，又强调已学知识的应用。跨学科实践尤其注重学生的动手实践，让学生参与到实践活动中去，亲身经历科学探究与问题解决，以此发挥跨学科实践在教学内容、教学方式、交流评价等方面的优势，使学生在实践活动中实现知识的迁移与运用，提升物理课程的教学效果［8］。

3.2    实施路径

物理跨学科实践的教与学需要立足本学科的知识展开，跨学科实践不能、也不应该完全取代学科学习，后者在未来很长一段时间内仍然是学生的主要学习方式。但是，核心素养时代的物理教学呼唤学习方式的更新与变革。跨学科实践作为一种实践活动，可以运用于课堂教学、考试评价、社会实践等各个环节［6］。无论是项目式学习、STEM教育，还是基于问题解决的教学、科学探究等，都可以运用跨学科实践。但要真正在初中物理课程中把跨学科实践落实到一线教学中，就要基于物理课程标准，使跨学科活动能丰富物理学习经验，培养综合实践能力。

实施跨学科实践，要以物理学科为引领，以核心素养为导向，以融合目标为线索，路径如图1所示。首先，以物理跨学科实践主题内容要求、相对应的案例和活动建议作为跨学科实践课程的基点，建立起跨学科实践与课程内容之间的联系，为物理跨学科实践的开展提供立足点。接着，将物理核心素养作为课程的目标导向，并以此为线索，通过课程内容与学情分析、跨学科领域确定与主题情境创设、开展实践活动三个步骤，来实施物理跨学科实践。

物理跨学科实践基于物理学科知识，教师要充分考虑学生的实际情况，通过物理课程标准、教材和已有的跨学科实践分析案例；通过树立跨学科大概念整合的意识，明确跨学科所涉及的其他学科领域，选取跨学科实践的现实主题、创设真实的课程情境。物理教师通过设计（或开发）与所学课程内容相应的跨学科实践案例供学生实践，来帮助学生完善原有的认知结构，实现知识的迁移融合［9］。在实践过程中，既要鼓励学生自主实践，又需要教师在学生遇到困难时给予帮助。同时，在跨学科实践活动中，要对学生的活动表现与成果进行多样化评价，鼓励学生与教师多沟通交流。其中，物理核心素养作为课程实施的主线，既贯穿于跨学科实践的教与学之中，也作为课程所要实现的具体目标，是帮助学生形成正确物理观念、提升科学思维、培养科学态度与责任的价值体现。

3.3    案例呈现

日本新颁布的课程标准中新设了《理数》学科，其目的是培养学生综合分析事物现象，灵活运用数学和理科的视角和思维方式进行科学探究、解决实际问题的能力。《理数》提供的探究课题颇具跨学科特色［10］，一部分课题与我国的跨学科实践主题内容比较相似，且课题探究过程符合图1所示的实施路径，这为教师的跨学科实践教学设计提供了素材。

物理课程标准中跨学科实践的内容要求：能发现日常生活中与物理学有关的问题，提出解决方案［1］。通过分析物理课程标准、教材和学情（在初中物理教材中，学生要学习光现象和透镜及其应用），选取《理数》中的“管中窥图”（调查透过圆筒看到的奇妙图案）作为跨学科实践活动主题［11］。

3.3.1    探究目的

透过金属圆筒望向蓝天，可以看到图2所示的同心圆状花纹，花纹是如何产生的？

3.3.2    研究方法

（1）如图3所示，用照明装置照亮屏幕，使照相机镜头的光轴和圆筒的中心轴一致，保证相机通过圆筒拍摄屏幕。另外，从圆筒左半部分入射的光线被阻挡时，通过筒拍摄的照片如图4所示。（2）利用图像分析软件对拍摄的图像进行分析。（3）改变圆筒的半径、长度、材质和光的波长，重复上述步骤并进行观察。

3.3.3    研究结果

（1）以拍摄的图像为基础，用物理模型表示花纹图案。各区域的环间距离几乎全部相等，其大小与筒的内径相等，如图5所示。（2）图6是各区域的相对亮度。越靠近外环的区域，亮度越低。另外，即使在同一个区域内，亮度也是从内侧向外侧逐渐降低。筒的内径、长度、材质和光的波长等因素都不影响上述结论。

3.3.4    解释推论

图4产生的原因可能与金属筒内衬的反射有关。光在不同的光路上前进到各个区域，从外部入射的光在圆筒内的第1次反射落在第1区域内，第2次反射落在第2区域内，第3次反射落在第3区域内，如图7所示。基于此，可以验证各区域的环间距离与筒的直径相等。

3.3.5    案例分析

学生状况及教师指导建议的案例设计如表3所示。该案例从日常生活中的有趣现象出发，通过物理模型建构和实验探究解释现象产生的原因，旨在培养学生对未知事物的探究精神和问题解决能力。案例在物理光学知识的基础上，进行数学建模、计算机软件分析等跨学科知识的融合。以问题解决为线索，通过科学假设与验证、任务分解等完成跨学科实践活动，使学生在活动中提升问题解决能力和合作意识。