基于学生物理学科核心素养培养的学科交叉融合研究

贺向向　熊建文

[摘   要]“提升科学核心素养，满足全体学生终生发展的需求”是物理课程教学最终要实现的目标。从物理走向社会、注重科学探究、注重学科渗透，关注科技发展、面向全体学生，提高学生核心素养是高中物理教育的基本理念。研究者通过对学科交叉融合进行可视化分析，呈现了目前学科交叉融合的研究现状，阐述了中等教育中的物理与通用技术融合的必要性及其对物理学科核心素养的促进作用，并基于通用技术课程的特点，提出了“六步式教学模式”，以实现学生物理学科核心素养的提升。

[关键词]学科交叉融合;物理学科核心素养;教学策略

学科交叉融合是科学发展的必然。目前，我国新增交叉学科并将其作为第14个学科门类。可见交叉学科的研究已成为我国教育发展的一个趋势，同时也说明学科交叉融合的重要性。美国学者凯西（B. A. Casey）指出，学科就像海洋中的岛屿，需要通过学科交叉形成新的群岛式学科模式，“新的岛屿式学科模式”不是多个学科岛屿的罗列，而是各学科岛屿中知识与思维模式相整合的创造产品。[1]可见，各学科相互融合可将相互联系、相互作用的各要素构成统一整体，使知识整体化、系统化;同时不同学科交叉融合可打破壁垒森严的学科界限，让学生“能走出去”，又“能融进来”。“能走出去”是指师生都敢于跨过学科界限、打破学科壁垒;“能融进来”是指师生都能将其他学科知识、思维、方法、技能带进来并应用于本学科。这在培养学生核心素养、实现学生终生发展与社会发展、为社会塑造综合性与创新型人才等方面具有不可或缺的作用。本研究将从中等教育出发，以物理学科与通用技术融合为例，阐述学科交叉融合对中学生物理学习以及培养学生物理学科核心素养的帮助。

一、问题的提出

目前，我国关于学科交叉融合的研究主要集中在高等教育，并在塑造综合型人才方面取得了很好的成效。[2-4]中等教育越来越重视学生核心素养的提升，基于学科交叉融合在高等教育中的研究成效，笔者认为将学科交叉融合的思想应用于中等教育可对学生核心素养的提升有所帮助。为更直观地了解我国目前关于“学科交叉融合”的研究现状，本研究以“学科交叉融合”为主题，基于CNKI数据库，限制期刊来源类型分别为核心期刊、SCI、CSSCI进行检索，共检索到191篇期刊文献，剔除相关度偏低的期刊文献，确定了184篇与学科交叉融合主题高度相关的文献。对这184篇期刊文献进行文献量化统计分析，利用可视化知识图谱软件CiteSpace进行关键词聚类分析，可了解目前学科交叉融合在我国的研究现状。

为挖掘近年来学科交叉融合的研究动向，借助CiteSpace软件对以上184篇期刊文献进行关键词聚类分析。选择时间跨度为2001—2020年，时间切片为1年，设置阈值（Threshold）c、cc、ccv分别为（2，4，24;4，2，25;2，3，25），选择寻径网络分析（pathfinder ）后，得到模块值Modularity Q=0.5278>0.3，平均轮廓值Mean Sihouette=0.5825> 0.5，表明本研究的可視化聚类效果合理并具有一定说服力（见图1）。

从图1可以判断：目前有关学科交叉融合的研究集中在交叉融合、学科交叉、新工科三个方向。这三个方向的研究主要从高等教育出发论述学科交叉融合对综合性人才培养的重要性，并面向高等教育工程型人才的培养。从年轮大小以及学科交叉融合高频研究关键词统计表（见表1）可见：其一，通过多学科交叉融合的方式培养人才的研究具有很高的中心性，但出现的频次较少，说明以人才培养为出发点的研究是目前研究的热点，但仍需要更多学者投入研究;其二，近几年关于学科交叉融合的研究主要集中在新工科背景下以多学科交叉融合为导向培养科学与技术共兼的双向型人才的大学生、研究生，广大研究者试图在大学课程设置中通过产教融合的方式探究学科建设，促进学科发展，建立一流大学，进一步提升学生的科学素养，为社会塑造创新性复合型的科技人才;[5-10]同时由burst值可知，学科交叉融合将会成为培养创新科技人才的重要途经。

综上所述，学科交叉融合已成为高等教育发展学科与培养人才的研究热点，同时“新工科”的研究反映了科学与技术融合对人才综合素养的培养有不可或缺的作用。从聚类图中还可观察到，在中等教育中学科交叉融合的研究数量甚少。因此，本研究尝试从高中教育出发研究学科交叉融合。

二、高中物理与通用技术交叉融合的必要性

物理与通用技术融合可强化学生的物理核心素养。物理学科核心素养包括基于理论素养的“物理观念”、基于方法论素养的“科学思维”、基于实践素养的“科学探究”、基于品格素养的“科学态度与责任”。[11]通用技术课程中的许多知识与物理学有紧密联系，在技术的使用中也不可避免地贯穿着许多物理原理以及方法。融合通用技术可以更好地强化学生的物理核心素养。例如普通高中课程标准实验教科书《通用技术（技术与设计2）》中“结构与设计”一章，重点从物理学科中力学的角度分析了作用在物体上的各种力。在分析物体所受的力时，不仅分析了构件上的受力情况，而且对构件进行了承载能力的分析，即力对构件安全可靠性功能的分析;同时，还从力学架构与形态方面介绍了结构的基本类型，联系生活中的常用工具（伞、自行车、起子），分析了不同力的作用位置及其对结构的稳定性、强度、功能的作用。因此，“结构与设计”一课试图引导学生将在物理学中所学的“力”应用于生活实际，让学生经历受力分析、力的作用、力的功能等学习过程，以促进学生深度理解并掌握力学概念及力的相互作用。

此外，通用技术课程中的大多数内容以项目设计的方式呈现，要求学生基于所学的物理知识及其他知识完成设计。整个设计过程可以强化学生的科学思维、工程思维以及科学探究能力。如普通高中课程标准实验教科书《通用技术（技术与设计1）》中详细介绍了技术设计的思路与流程。设计的一般过程包括：发现和明确问题，制定设计方案（包括收集信息、设计分析、方案构思、方案呈现、方案筛选），制作模型或原型，测试评估及优化，编写产品说明书。整个设计过程可实现教、学、评的有机统一，强化学生的手脑并用与知行合一，锻炼学生的问题意识、思维能力、探究能力、创造能力。例如，该教材中的“小台灯的制作”一课，一名学生通过观察日常生活以及询问法发现小台灯存在不足，提出了“什么样的台灯才适合学生使用”这一问题，并以小组为单位展开了分组调查，以明确问题的价值。在明确问题的过程中，需要学生考察市场上小台灯的结构造型、质量大小、制作材料、照明功能与技术指标。这些均需要学生有一定的物理知识。这一过程既可强化学生的物理知识，又可使他们从不同角度思考问题。培养学生的问题意识、开拓学生的思维并培养学生的批判性思维。此外，制作小台灯的设计方案以及制作模型或原型等整个过程，需要学生从所得资料中发掘有用数据、筛选最优方案、寻求有效的制作方法等，由此绘制台灯草图，再根据草图制作台灯模型或原型。这一过程可培养学生建构理想模型的意识与能力。最后，还要以小组为单位从材料、体积、成本、造型、结构等方面测试评估所制作的模型，并进一步优化模型，编制产品说明书。整个台灯制作过程不仅涉及了许多物理知识，而且其设计流程与物理学中的科学探究过程类似，有利于培养学生团结合作、尊重他人、实事求是、保护环境、节约资源的意识。由此可见，通用技术与物理学科的整合可加深学生对“科学·技术·社会·环境”关系的理解，培养学生的物理观念、科学思维与探究、科学态度与责任等物理学科核心素养。

三、两学科知识交叉融合的归纳与教学案例

为了更直观地体现物理与通用技术知识间的相互融合，在此将整合两门学科交叉融合的知识点（主要以技术与设计1为例）。在分析通用技术内容中蕴涵的物理知识时，仅对最主要的方面进行举例分析，如图2所示，左侧为通用技术学科的内容（包括章节主题、案例分析、小试验），右侧为所涉及的物理知识举例。

为了更好地培养学生物理学科核心素养，在基础知识层面，不应仅将两学科的知识进行简单融合，而是应有侧重点，立足物理核心素养，明确知识融合的目的。在科学探究层面，结合通用技术设计过程的优点升华物理科学探究过程，以求在科学与技术融合的基础上更好地促进学生的科学思维、科学探究能力以及形成对科学与技术应有的正确态度与责任感。表2列举了几项通用技术与物理知识融合的方式。

四、兩学科融合落实物理核心素养的建议

1.打造双师型师资团队

师资团队的建设直接决定着教学质量以及人才的培养。内格尔（Nagle， B.）指出，中学实施跨学科科学教学面临的主要困难是教师欠缺跨学科的课程意识和教学理念。因此，为了培养学生的物理核心素养，首先要强化师资团队，以解决跨学科教学的困境。调查发现，目前许多学校高中通用技术课程教学主要是由物理教师承担的，但这部分教师缺乏通用技术课程的理论知识，甚至不具备技术操作能力。这就需要学校组织承担跨学科教学的物理教师进行专门的通用技术课程教育培训，保证这部分教师拥有扎实的通用技术学科基础知识以及较强的技术操作能力与素养，打造双师型师资团队。

学校可聘请具有双师型能力的专家来校讲座，指导教师，或利用网络平台组织物理教师学习通用技术课程。通用技术课程包含许多跨学科知识（物理、生物、化学、地理、政治等）组织物理教师学习通用技术课程，在强化基础知识的同时拓宽知识面。要求教师在学习的过程中尝试寻求跨学科中共通点，学会组织整合两门课程。首先在课程内容讲述中互相渗透，其次在教学模式中尝试创新。同时学校应鼓励教师“走出去”。学校可与企业、工厂等达成联合培养协议，给予物理教师走向工厂、企业、车间等场所学习通用技术的相关理论与实践知识的机会。例：鼓励教师走进工厂学习木工、金工等工具的使用以及去企业培训学习3D打印机的使用、简易机器人的制作、电子控制技术等，实现双师型教师的培养。优秀的双师型师资团队的建设可更好的引领学生的跨学科教育，在两门学科基本知识与方法互通中一方面提升学生的物理学科核心素养，另一方面提升学生的技术素养，为打造综合型人才以及立德树人做铺垫。

2.优化教学流程

为了实现学生“能走出去，又能融进来”的目标，以及通过打破学科壁垒较好地提升学生的物理学科核心素养，笔者设计了如下教学流程，共分为六步，简称“六步式教学模式”。以“钻木取火”为例。第一步，教师主导，提出问题。教师将通用技术中“钻木取火”的技术操作科学化，通过教师主导提出问题的模式进行引课，在演示“钻木取火”实验时引发学生思考其工作原理涉及的物理知识，引导学生从科学的视角观察问题。第二步，为学生发放“钻木取火”的材料，探究并分析其中所涉及的摩擦生热的物理知识。主动探究可提高学生分析问题与解决问题的科学探究能力，并在分析过程中强化物理知识。第三步与第四步，组织学生以小组为单位利用摩擦力、分子内能、能量转化等物理知识解释“钻木取火”的工作原理，最后整理摩擦力、分子内能、能量转化等知识。这两个步骤可培养学生利用科学知识解释实验现象的能力及与他人合作的品质，强化学生的科学思维。第五步，课堂练习，巩固提高。教师可将技术知识物理化，既可避免技术课程教学内容的空洞性，又可弱化物理知识的抽象性。将技术课程与物理学课程内容相结合，可进一步强化学生的物理学科核心素养及技术素养。例如，设计“罗列出钻木取火实验中的物理知识”“整理各个知识的概念并解释其工作原理”等任务。第六步，信息反馈，反思小结。学生进行自评或互评，反思所学内容并向教师提出教学建议，师生共同优化课堂。整个过程可实现物理知识与通用技术知识的融合，利用通用技术课堂以及技术课程强化学生物理核心素养。

综上所述，物理与通用技术有许多交叉融合的知识点，二者融合既能体现中学阶段科学与技术的融合，也能在互融互通中相互促进。“六步式教学模式”体现了学生的主体地位，实现了教、学、评三位一体化，对学生核心素养的提升有促进作用。特别需要提出的是，学校应注重双师型教师队伍的建设，学校应与工厂、企业建立更多合作，为跨学科融合提供更多机会。

参考文献

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[11]任虎虎.指向深度学习的高中物理教学研究[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2019：12.

（责任编辑 郭向和   校对 姚力宁）

作者简介：贺向向，华南师范大学物理与电信工程学院博士研究生，E-mail：381825264@qq.com（广东广州，510006）

熊建文（通讯作者），华南师范大学物理与电信工程学院教授，E-mail：jwxiong@scnu.edu.cn（广东广州，510006）