基于学生自主创新实验的“跨学科实践”
策略研究
潘书朋1，汤金波2
（1.玉皇中学，山东 莱州 261400；2.南京师范大学附属中学树人学校，江苏 南京 210000）
摘要：探索了基于学生自主创新实验的“跨学科实践”策略研究，采用形式多样的教学对策，在具体的应用情境中突破学科边界，使物理学与日常生活、工程实践、社会发展以及其他学科知识融合发展，促使学生在多元化的环境中高效探索科学知识，实现学生在课堂学习中的主体性。关键词：课程标准；跨学科实践；融合发展；学生自主创新实验；策略研究收稿日期：2021-10-25；修改日期：2021-11-18基金项目：烟台市教育科学“十四五”规划课堂教学改革专项课题（No.KXXBZX007）潘书朋（1971—）；籍贯：山东莱州；单位：莱州市玉皇中学；职称：中学高级教师；研究方向：物理实验教学；E-mail: 737454148@qq.com汤金波 (1964--)；籍贯：江苏如皋；单位：南京师大附中树人学校；特级教师；学士；研究方向：学生自主创新实验；E-mail:916397298@qq.comResearch on "Interdisciplinary Practice" strategy based on students' independent innovation experimentPAN Shu-peng1, TANG Jin-bo2(1. Yuhuang Middle School, Laizhou 261400, China; 2. High School Affiliated to Nanjing Normal University Shuren Campus, Nanjing 210000, China)Abstract: The research of “interdisciplinary practice” strategies based on students' independent and innovative experiments was explored, using various forms of teaching responses to break through disciplinary boundaries in specific application contexts, enabling the integration and development of physics with daily life, engineering practice, social development and knowledge from other disciplines, prompting students to explore scientific knowledge efficiently in a diverse environment The study also aims to realize the subjectivity of students in classroom learning.Keywords: curriculum standards; interdisciplinary practice; integrated development; student independent innovation experiment; strategy research“跨学科实践”是义务教育物理课程内容的重要组成部分，占总课时的10％，与4个一级主题（物质、运动与相互作用、能量、实验探究）的内容密切相关[1]。“跨学科实践”是基于2种或2种以上学科的核心概念和能力，以整合的方式在各科之间建立联系，学生通过把不同学科中学到的知识、技能和态度自主整合到一起，并在解决问题的过程中加深对项目主题的理解，最终实现心智的转换[2]。目前各学科边界日益模糊，学科融合发展的态势十分明显。各学科的交叉点往往就是学科新的增长点，不同学科通过相互影响、融合发展能够解决各种复杂多变的应用型问题，从而创造出更加丰富多彩的超学科知识。在“跨学科实践”主题教学中，教师要创设具有综合性、实践性和开放性的真实问题情境，采用“学生自主创新实验”的教学方式，让学生运用多学科知识和方法解决问题，以不断提升学生的问题解决能力和实践创新能力。本文基于物理学科知识特点和学生现状的基础上，以物理学与日常生活、工程实践、社会发展以及其他学科知识融合发展为例，尝试探索“基于学生自主创新实验的'跨学科实践’策略研究”。通过多学科的交叉融合帮助学生解决各种应用型问题，锻炼学生的科学思维，提升学生的科学探究和合作能力[3]，有利于培养学生的核心素养。课程标准关于物理学与日常生活的内容要求有如下的建议[1]：发现日常生活中与物理有关的实际问题，提出解决方案；运用所学知识分析日常生活中的安全问题，提出解决方案，践行安全与健康生活；运用所学知识指导和规范个人行为，践行低碳生活，具有节能环保意识。黄梅季节，天气又闷又热，车上也很潮湿，开车时后视镜总是起雾造成一定的交通安全隐患（图1）。但是老司机的后视镜很少起雾。为此，设计了实验进行真实情境模拟。首先准备1盆热水，然后在镜子中央用洗洁精涂抹圆形，涂抹均匀后用纸巾将洗洁精擦拭干净。接着将处理后的镜子放置在热水上方，片刻后可以清晰地观察到镜子的周围被蒙上了水雾，而涂抹过洗洁精的部分没有水雾。普通镜子的表面是亲水的，镜子会起雾，是因为洗澡时的热水蒸气碰到镜子的表面，遇冷放热液化成小水滴，洗洁精的主要成分是一半亲水一半亲油的活性剂，当洗洁精擦到镜子上时，亲水部分与镜子亲和，亲油部分则裸露在外表面，相当于给镜子镀上1层膜，使其不再亲水，所以不会起水雾。该实验很好体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念，培养了学生的物理课程核心素养。在物理教学中，教师要努力创设真实问题情境，引导学生自主设计创新实验，理论联系实际，帮助学生提升探究能力并形成科学创新型思维。课程标准关于物理学与工程实践的内容要求有如下的建议[1]：具有初步的工程设计和制作技能，能把自己的创意做成作品；调查物理学在工程技术中的应用，体会物理学对工程技术发展的作用；了解物理学在信息技术中的应用，能利用信息技术手段辅助学习。创新实验2：用磁悬浮和传感器研究真空不能传声[4]“探究真空不能传声”是一个在实验基础上通过推理得出结论的理性化实验，传统实验中存在如下的弊端：抽气机的噪声大、干扰大；电铃放在底座上，还会通过底座传声。由此导致实验效果并不理想而影响学生的认知，针对传统实验中的问题进行如下的大胆改进：磁悬浮展台、硬塑料罐、蓝牙微型扬声器、冰箱压缩机、压强传感器、带实验软件的计算机、智能数字实验盘。1）如图2所示将装置连接好，放置在一个安静的环境中。2）如图3所示打开智能数字实验盘，同时打开计算机中的实验软件，用冰箱压缩机抽气，观察声强与气压的关系。改进后的创新实验有如下的亮点：使用冰箱压缩机抽气时，噪声小，对实验影响小；使用磁悬浮展台可以实现发声体脱离底座悬浮，避免了固体传声；运用传感器，实验数据精准，可以直接通过数字化信息系统采集的数据得出图像，实验结论更有说服力。
采用传感器等进行数字化信息系统采集具有实验过程可视化、实验设计重点化、数据采集智能化、数据处理智能化、教学过程现代化的特点，已经成为中学物理实验探究教学的技术支撑，也是中学物理实验面向现代化，提升实验档次，加速实现中学物理教学与国际接轨的重要途经。
3 物理学与社会发展的融合
课程标准关于“跨学科实践”主题的要求有如下的建议[1]：能体会物理学对人类生活和社会发展的影响；乐于思考与实践，敢于探索，勇于创新，进一步增强安全意识、践行健康生活；具有节能环保、可持续发展的责任感。
创新实验3：研究天然气燃烧后是否产生温室气体[5]
实验步骤：
1）在使用天然气的灶台点火，并把火调至最小。
2）戴上隔热手套，将干燥的烧杯罩在火焰的上方，过一会儿可观察到烧杯内壁上出现小水珠的现象，说明有水（H2O）生成。
3）取下烧杯，擦干烧杯内壁上的水珠，再将少量的澄清石灰水[主要成分为Ca(OH)2]倒入烧杯内，充分摇晃后倒掉，此时烧杯壁上有残留的石灰水。
4）再将此烧杯罩在火焰上方，烧杯上的澄清石灰水水滴变浑浊，说明有二氧化碳（CO2）生成。
结合化学知识，天然气的主要成份是甲烷（CH4），在燃烧时会产生H2O和CO2。H2O可以利用液化的方法显示出来，CO2可以利用澄清石灰水的方法来检验[CO2+Ca（OH）2=CaCO3↓+H2O]。以上现象说明天然气燃烧时，会产生H2O和CO2，其中CO2是一种温室气体，大量使用化石能源，会向大气中排入大量的CO2，导致全球气候变暖[5]。
课程标准在“物理学与社会发展”主题内容中有“分析能源的开发利用与可持续发展的问题，收集资料并举办报告会，讨论能源利用对环境的影响，结合对当地现状的调查，提出应对建议。”为此，在学习“能源的使用对环境的影响”时，可以引导学生进行“研究天然气燃烧后是否产生温室气体”的自主创新实验。
4 物理学与其他学科的融合
4.1 初中物理与学科德育的融合
学科德育是落实立德树人根本任务的直接体现，源于创新德育途径和提升教学价值的需要，从根本上破解智德分离、知情分离的问题。集德育内容目标和教学规律为一体的学科德育，是一种崭新的教学实践活动，终结“教书”和“育人”的分离。从“学科教学”转向“学科教育”，突出教学的育人价值，提高课堂教学品质，发展学生核心素养，实现从“做题”“做事”向“做人”的课堂教学价值取向的转变。
创新实验4：自制欹器[6]
水满则溢，月圆则缺，这是常见的自然现象，从这些自然现象中，先哲们悟出了深刻的人生道理：满招损，谦受益。为此，鲁国的有识之士在鲁桓公的庙中安装了欹器（图4），藉此警示后人“虚则欹，中则正，满则覆”。
为了感悟古人的智慧，领略科学的魅力，利用矿泉水瓶自制简易欹器。首先在空矿泉水瓶靠近底部的位置左右各扎1个小孔，并用细线系好，瓶口向下，然后往瓶中加入少量染成红色的水，可观察到瓶口向上竖立起来，稍微有点倾斜，继续加水，发现瓶子稳稳地竖立着[图5（a）]。如果在此基础上继续加水，则瓶子不再稳定，而是发生倾斜导致瓶口向下，瓶内的水全部流出来[图5（b）]。 最初没有加水时，空矿泉水瓶倒立着。加入少量水之后，整个瓶子的重心在矿泉水瓶的下部，所以瓶口在上方竖立起来并逐渐稳定。当水量逐渐增加，重心逐渐上移，瓶子则不再稳定，当瓶中的水量增加到一定程度时，重心过高使瓶子发生倾斜，从而导致瓶中的水流出。该实验引导学生：不学无术，腹中空空，就不能自立；只有不断学习、掌握知识，才能立得稳、站得直；学无止境，不能自满，自满就会跌倒，前功尽弃。类似于“欹器”这种翻斗式的容器已有很广泛的应用，例如矿山的矿车，厕所里定时冲洗的翻斗，气象观测雨量计内的计量容器，等等，都是根据这种构思设计的。课后，教师可让学生查阅相关资料，了解这些翻斗式容器的工作过程，并尝试利用身边的器材设计几个有创意的小制作，来说明“重心越低越稳定”的道理。新时代的德育，要用中国传统文化、革命文化和社会主义先进文化引导学生厚植爱国主义情怀，树立强国之志 [7]。著名美学家蒋勋曾说：审美水平的高低，决定了的竞争力水平。因为审美不仅代表着整体思维，也代表着细节思维。给学生最好的礼物，就是培养他的审美能力。音乐、美术都属于艺术范畴，它们的功能不在于培养学生成为音乐家和画家，而是在传播美的知识的同时，培养了他们审美的高雅情趣。体育在带给学生健美体魄的同时，还能磨练学生的意志品质，让其更具活力和创造力。音乐，是最古老的艺术之一，广泛应用于各种场合。古代，人们用动物的毛发制作弦乐器，用骨头制作哨子，用动物的角制作喇叭。如今，乐器已改用木材、黄铜、银和尼龙来制作。声现象探讨了声音的性质，学生将从课本中学习到声音是如何产生和传播的，以及如何听到声音，利用声音。实验目的与要求：利用身边的物品设计简单的乐器；制作并修改乐器；用制作的乐器演奏1首曲子。D.学完第4节课本知识后，测试制作好的乐器，修改并多次校准。在学完《声现象》后，教师组织学生在课堂上展示自制的乐器，让学生描述乐器的制作过程，分享设计中遇到的问题及其解决方案，并演示自制的乐器。在物理教学中能够融合艺术教育的元素，不仅能够丰富学生的生活内容，提高学生的生活品质，也会让学生更富有想象力和创造力、更具有生命的活力。因此，加强体育和美育（主要是音乐、美术）教育是提高国民创新能力的重要途径。化学同物理一样，也是以实验为基础的自然科学，实验教学是培养学生科学探究能力、科学思维能力和动手能力的有效途径。物理、化学都与生产、生活密不可分，如果在教学中将二者融合，可以给学生展示更加丰富的实验现象，活跃课堂气氛，使学生感受理化世界的奇妙与和谐，加深学生对课本知识的理解，培养其科学精神。在学习“浮力”内容时，设计了创新实验证明空气浮力的存在，实验如下：2）将装有薄荷糖（2粒）气球的出气口与装有可乐的瓶口相连，并用皮筋缠紧（避免薄荷糖掉入可乐中），再将其放在天平的左盘[图6（a）]。3）在天平的右盘增减砝码，移动游码，直到天平再次平衡。4）将气球中的薄荷糖迅速倒入可乐中，观察到可乐迅速“沸腾”，瓶内产生大量气泡，随后气球迅速膨胀[图6（a）]，天平左盘升高，刻度盘中间的指针向右偏转。薄荷糖与可乐发生化学反应产生大量CO2充满气球，天平失去平衡说明了空气浮力的存在。“验证空气浮力的存在”是课堂教学的拓展实验，该实验能够培养学生的发散思维，并提升学生的关键能力和必备品格。在实验设计时，将物理、化学知识进行结合，符合新课标“跨学科实践”的课程理念。在生活中适当用心观察、思考可以学到书本上学不到或理解不深入的知识，把理化知识应用于实践，并不断进行改进，能够增强学生的理解能力和创新能力。“跨学科实践”具有情境性、实践性和社会性等特征，是一种解决实际问题的实践活动，与日常生活、工程实践及社会热点问题密切相关。本文旨在发展学生跨学科应用知识的能力、分析和解决问题的能力、动手实践的操作能力，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。教师在认真研读《义务教育物理新课程标准》，梳理物理学科知识特点以及分析学生现状的基础上，采用形式多样的教学策略，在具体的应用情境中突破学科边界，使物理学与日常生活、工程实践、社会发展以及其他学科知识融合发展，促使学生在多元化的环境中探索科学知识，实现学生在课堂学习中的主体性，锻炼学生的科学思维，提升学生的科学探究能力和交流合作能力，培养学生适应个人终身发展和社会发展的价值观和必备品格。[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准[S].2021.[2]周敏，沈苹.指向深度学习品质的跨学科项目化学习实践探索[J].基础教育研究，2021（2）：16-17.[3]高建会.核心素养视域下小学科学跨学科实践研究对策[J].天津教育，2021（6）：89-90.[4]汤金波.汤老师创新物理实验室（传感器）[M].杭州：浙江大学出版社，2019.[5]初中物理.实验探究：研究天然气燃烧后是否产生温室气体[EB/OL].http://old.pep.com.cn/czwl/jszx/tbjx/tb9/tb8s17/sy17/201407/t20140714_1213323.htm. 2021,10,20.[6]汤金波.汤老师创新物理实验室（原创题）[M].杭州：浙江大学出版社，2021.[7]孙忠武.德育课程一体化推进理论研究与实践探索丛书·初中物理[M].青岛：青岛出版社，2020.[8]孙艺，袁海泉，解问鼎.空气浮力的演示实验[J].物理教师，2014，35（2）：48.
