基于學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的學(xué)科交叉融合研究

賀向向　熊建文

[摘? ?要]“提升科學(xué)核心素養(yǎng)，滿足全體學(xué)生終生發(fā)展的需求”是物理課程教學(xué)最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。從物理走向社會(huì)、注重科學(xué)探究、注重學(xué)科滲透，關(guān)注科技發(fā)展、面向全體學(xué)生，提高學(xué)生核心素養(yǎng)是高中物理教育的基本理念。研究者通過(guò)對(duì)學(xué)科交叉融合進(jìn)行可視化分析，呈現(xiàn)了目前學(xué)科交叉融合的研究現(xiàn)狀，闡述了中等教育中的物理與通用技術(shù)融合的必要性及其對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的促進(jìn)作用，并基于通用技術(shù)課程的特點(diǎn)，提出了“六步式教學(xué)模式”，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

[關(guān)鍵詞]學(xué)科交叉融合;物理學(xué)科核心素養(yǎng);教學(xué)策略

學(xué)科交叉融合是科學(xué)發(fā)展的必然。目前，我國(guó)新增交叉學(xué)科并將其作為第14個(gè)學(xué)科門類?？梢?jiàn)交叉學(xué)科的研究已成為我國(guó)教育發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，同時(shí)也說(shuō)明學(xué)科交叉融合的重要性。美國(guó)學(xué)者凱西（B. A. Casey）指出，學(xué)科就像海洋中的島嶼，需要通過(guò)學(xué)科交叉形成新的群島式學(xué)科模式，“新的島嶼式學(xué)科模式”不是多個(gè)學(xué)科島嶼的羅列，而是各學(xué)科島嶼中知識(shí)與思維模式相整合的創(chuàng)造產(chǎn)品。[1]可見(jiàn)，各學(xué)科相互融合可將相互聯(lián)系、相互作用的各要素構(gòu)成統(tǒng)一整體，使知識(shí)整體化、系統(tǒng)化;同時(shí)不同學(xué)科交叉融合可打破壁壘森嚴(yán)的學(xué)科界限，讓學(xué)生“能走出去”，又“能融進(jìn)來(lái)”?！澳茏叱鋈ァ笔侵笌熒几矣诳邕^(guò)學(xué)科界限、打破學(xué)科壁壘;“能融進(jìn)來(lái)”是指師生都能將其他學(xué)科知識(shí)、思維、方法、技能帶進(jìn)來(lái)并應(yīng)用于本學(xué)科。這在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)、實(shí)現(xiàn)學(xué)生終生發(fā)展與社會(huì)發(fā)展、為社會(huì)塑造綜合性與創(chuàng)新型人才等方面具有不可或缺的作用。本研究將從中等教育出發(fā)，以物理學(xué)科與通用技術(shù)融合為例，闡述學(xué)科交叉融合對(duì)中學(xué)生物理學(xué)習(xí)以及培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的幫助。

一、問(wèn)題的提出

目前，我國(guó)關(guān)于學(xué)科交叉融合的研究主要集中在高等教育，并在塑造綜合型人才方面取得了很好的成效。[2-4]中等教育越來(lái)越重視學(xué)生核心素養(yǎng)的提升，基于學(xué)科交叉融合在高等教育中的研究成效，筆者認(rèn)為將學(xué)科交叉融合的思想應(yīng)用于中等教育可對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升有所幫助。為更直觀地了解我國(guó)目前關(guān)于“學(xué)科交叉融合”的研究現(xiàn)狀，本研究以“學(xué)科交叉融合”為主題，基于CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)，限制期刊來(lái)源類型分別為核心期刊、SCI、CSSCI進(jìn)行檢索，共檢索到191篇期刊文獻(xiàn)，剔除相關(guān)度偏低的期刊文獻(xiàn)，確定了184篇與學(xué)科交叉融合主題高度相關(guān)的文獻(xiàn)。對(duì)這184篇期刊文獻(xiàn)進(jìn)行文獻(xiàn)量化統(tǒng)計(jì)分析，利用可視化知識(shí)圖譜軟件CiteSpace進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類分析，可了解目前學(xué)科交叉融合在我國(guó)的研究現(xiàn)狀。

為挖掘近年來(lái)學(xué)科交叉融合的研究動(dòng)向，借助CiteSpace軟件對(duì)以上184篇期刊文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類分析。選擇時(shí)間跨度為2001—2020年，時(shí)間切片為1年，設(shè)置閾值（Threshold）c、cc、ccv分別為（2，4，24;4，2，25;2，3，25），選擇尋徑網(wǎng)絡(luò)分析（pathfinder ）后，得到模塊值Modularity Q=0.5278>0.3，平均輪廓值Mean Sihouette=0.5825> 0.5，表明本研究的可視化聚類效果合理并具有一定說(shuō)服力（見(jiàn)圖1）。

從圖1可以判斷：目前有關(guān)學(xué)科交叉融合的研究集中在交叉融合、學(xué)科交叉、新工科三個(gè)方向。這三個(gè)方向的研究主要從高等教育出發(fā)論述學(xué)科交叉融合對(duì)綜合性人才培養(yǎng)的重要性，并面向高等教育工程型人才的培養(yǎng)。從年輪大小以及學(xué)科交叉融合高頻研究關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)表（見(jiàn)表1）可見(jiàn)：其一，通過(guò)多學(xué)科交叉融合的方式培養(yǎng)人才的研究具有很高的中心性，但出現(xiàn)的頻次較少，說(shuō)明以人才培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)的研究是目前研究的熱點(diǎn)，但仍需要更多學(xué)者投入研究;其二，近幾年關(guān)于學(xué)科交叉融合的研究主要集中在新工科背景下以多學(xué)科交叉融合為導(dǎo)向培養(yǎng)科學(xué)與技術(shù)共兼的雙向型人才的大學(xué)生、研究生，廣大研究者試圖在大學(xué)課程設(shè)置中通過(guò)產(chǎn)教融合的方式探究學(xué)科建設(shè)，促進(jìn)學(xué)科發(fā)展，建立一流大學(xué)，進(jìn)一步提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為社會(huì)塑造創(chuàng)新性復(fù)合型的科技人才;[5-10]同時(shí)由burst值可知，學(xué)科交叉融合將會(huì)成為培養(yǎng)創(chuàng)新科技人才的重要途經(jīng)。

綜上所述，學(xué)科交叉融合已成為高等教育發(fā)展學(xué)科與培養(yǎng)人才的研究熱點(diǎn)，同時(shí)“新工科”的研究反映了科學(xué)與技術(shù)融合對(duì)人才綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)有不可或缺的作用。從聚類圖中還可觀察到，在中等教育中學(xué)科交叉融合的研究數(shù)量甚少。因此，本研究嘗試從高中教育出發(fā)研究學(xué)科交叉融合。

二、高中物理與通用技術(shù)交叉融合的必要性

物理與通用技術(shù)融合可強(qiáng)化學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括基于理論素養(yǎng)的“物理觀念”、基于方法論素養(yǎng)的“科學(xué)思維”、基于實(shí)踐素養(yǎng)的“科學(xué)探究”、基于品格素養(yǎng)的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。[11]通用技術(shù)課程中的許多知識(shí)與物理學(xué)有緊密聯(lián)系，在技術(shù)的使用中也不可避免地貫穿著許多物理原理以及方法。融合通用技術(shù)可以更好地強(qiáng)化學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。例如普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《通用技術(shù)（技術(shù)與設(shè)計(jì)2）》中“結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)”一章，重點(diǎn)從物理學(xué)科中力學(xué)的角度分析了作用在物體上的各種力。在分析物體所受的力時(shí)，不僅分析了構(gòu)件上的受力情況，而且對(duì)構(gòu)件進(jìn)行了承載能力的分析，即力對(duì)構(gòu)件安全可靠性功能的分析;同時(shí)，還從力學(xué)架構(gòu)與形態(tài)方面介紹了結(jié)構(gòu)的基本類型，聯(lián)系生活中的常用工具（傘、自行車、起子），分析了不同力的作用位置及其對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度、功能的作用。因此，“結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)”一課試圖引導(dǎo)學(xué)生將在物理學(xué)中所學(xué)的“力”應(yīng)用于生活實(shí)際，讓學(xué)生經(jīng)歷受力分析、力的作用、力的功能等學(xué)習(xí)過(guò)程，以促進(jìn)學(xué)生深度理解并掌握力學(xué)概念及力的相互作用。

此外，通用技術(shù)課程中的大多數(shù)內(nèi)容以項(xiàng)目設(shè)計(jì)的方式呈現(xiàn)，要求學(xué)生基于所學(xué)的物理知識(shí)及其他知識(shí)完成設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程可以強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)思維、工程思維以及科學(xué)探究能力。如普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《通用技術(shù)（技術(shù)與設(shè)計(jì)1）》中詳細(xì)介紹了技術(shù)設(shè)計(jì)的思路與流程。設(shè)計(jì)的一般過(guò)程包括：發(fā)現(xiàn)和明確問(wèn)題，制定設(shè)計(jì)方案（包括收集信息、設(shè)計(jì)分析、方案構(gòu)思、方案呈現(xiàn)、方案篩選），制作模型或原型，測(cè)試評(píng)估及優(yōu)化，編寫(xiě)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、評(píng)的有機(jī)統(tǒng)一，強(qiáng)化學(xué)生的手腦并用與知行合一，鍛煉學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)、思維能力、探究能力、創(chuàng)造能力。例如，該教材中的“小臺(tái)燈的制作”一課，一名學(xué)生通過(guò)觀察日常生活以及詢問(wèn)法發(fā)現(xiàn)小臺(tái)燈存在不足，提出了“什么樣的臺(tái)燈才適合學(xué)生使用”這一問(wèn)題，并以小組為單位展開(kāi)了分組調(diào)查，以明確問(wèn)題的價(jià)值。在明確問(wèn)題的過(guò)程中，需要學(xué)生考察市場(chǎng)上小臺(tái)燈的結(jié)構(gòu)造型、質(zhì)量大小、制作材料、照明功能與技術(shù)指標(biāo)。這些均需要學(xué)生有一定的物理知識(shí)。這一過(guò)程既可強(qiáng)化學(xué)生的物理知識(shí)，又可使他們從不同角度思考問(wèn)題。培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)、開(kāi)拓學(xué)生的思維并培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。此外，制作小臺(tái)燈的設(shè)計(jì)方案以及制作模型或原型等整個(gè)過(guò)程，需要學(xué)生從所得資料中發(fā)掘有用數(shù)據(jù)、篩選最優(yōu)方案、尋求有效的制作方法等，由此繪制臺(tái)燈草圖，再根據(jù)草圖制作臺(tái)燈模型或原型。這一過(guò)程可培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)理想模型的意識(shí)與能力。最后，還要以小組為單位從材料、體積、成本、造型、結(jié)構(gòu)等方面測(cè)試評(píng)估所制作的模型，并進(jìn)一步優(yōu)化模型，編制產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)。整個(gè)臺(tái)燈制作過(guò)程不僅涉及了許多物理知識(shí)，而且其設(shè)計(jì)流程與物理學(xué)中的科學(xué)探究過(guò)程類似，有利于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)合作、尊重他人、實(shí)事求是、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的意識(shí)。由此可見(jiàn)，通用技術(shù)與物理學(xué)科的整合可加深學(xué)生對(duì)“科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境”關(guān)系的理解，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維與探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、兩學(xué)科知識(shí)交叉融合的歸納與教學(xué)案例

為了更直觀地體現(xiàn)物理與通用技術(shù)知識(shí)間的相互融合，在此將整合兩門學(xué)科交叉融合的知識(shí)點(diǎn)（主要以技術(shù)與設(shè)計(jì)1為例）。在分析通用技術(shù)內(nèi)容中蘊(yùn)涵的物理知識(shí)時(shí)，僅對(duì)最主要的方面進(jìn)行舉例分析，如圖2所示，左側(cè)為通用技術(shù)學(xué)科的內(nèi)容（包括章節(jié)主題、案例分析、小試驗(yàn)），右側(cè)為所涉及的物理知識(shí)舉例。

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，在基礎(chǔ)知識(shí)層面，不應(yīng)僅將兩學(xué)科的知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單融合，而是應(yīng)有側(cè)重點(diǎn)，立足物理核心素養(yǎng)，明確知識(shí)融合的目的。在科學(xué)探究層面，結(jié)合通用技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)升華物理科學(xué)探究過(guò)程，以求在科學(xué)與技術(shù)融合的基礎(chǔ)上更好地促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力以及形成對(duì)科學(xué)與技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度與責(zé)任感。表2列舉了幾項(xiàng)通用技術(shù)與物理知識(shí)融合的方式。

四、兩學(xué)科融合落實(shí)物理核心素養(yǎng)的建議

1.打造雙師型師資團(tuán)隊(duì)

師資團(tuán)隊(duì)的建設(shè)直接決定著教學(xué)質(zhì)量以及人才的培養(yǎng)。內(nèi)格爾（Nagle， B.）指出，中學(xué)實(shí)施跨學(xué)科科學(xué)教學(xué)面臨的主要困難是教師欠缺跨學(xué)科的課程意識(shí)和教學(xué)理念。因此，為了培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，首先要強(qiáng)化師資團(tuán)隊(duì)，以解決跨學(xué)科教學(xué)的困境。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前許多學(xué)校高中通用技術(shù)課程教學(xué)主要是由物理教師承擔(dān)的，但這部分教師缺乏通用技術(shù)課程的理論知識(shí)，甚至不具備技術(shù)操作能力。這就需要學(xué)校組織承擔(dān)跨學(xué)科教學(xué)的物理教師進(jìn)行專門的通用技術(shù)課程教育培訓(xùn)，保證這部分教師擁有扎實(shí)的通用技術(shù)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)以及較強(qiáng)的技術(shù)操作能力與素養(yǎng)，打造雙師型師資團(tuán)隊(duì)。

學(xué)?？善刚?qǐng)具有雙師型能力的專家來(lái)校講座，指導(dǎo)教師，或利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)組織物理教師學(xué)習(xí)通用技術(shù)課程。通用技術(shù)課程包含許多跨學(xué)科知識(shí)（物理、生物、化學(xué)、地理、政治等）組織物理教師學(xué)習(xí)通用技術(shù)課程，在強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)拓寬知識(shí)面。要求教師在學(xué)習(xí)的過(guò)程中嘗試尋求跨學(xué)科中共通點(diǎn)，學(xué)會(huì)組織整合兩門課程。首先在課程內(nèi)容講述中互相滲透，其次在教學(xué)模式中嘗試創(chuàng)新。同時(shí)學(xué)校應(yīng)鼓勵(lì)教師“走出去”。學(xué)?？膳c企業(yè)、工廠等達(dá)成聯(lián)合培養(yǎng)協(xié)議，給予物理教師走向工廠、企業(yè)、車間等場(chǎng)所學(xué)習(xí)通用技術(shù)的相關(guān)理論與實(shí)踐知識(shí)的機(jī)會(huì)。例：鼓勵(lì)教師走進(jìn)工廠學(xué)習(xí)木工、金工等工具的使用以及去企業(yè)培訓(xùn)學(xué)習(xí)3D打印機(jī)的使用、簡(jiǎn)易機(jī)器人的制作、電子控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)雙師型教師的培養(yǎng)。優(yōu)秀的雙師型師資團(tuán)隊(duì)的建設(shè)可更好的引領(lǐng)學(xué)生的跨學(xué)科教育，在兩門學(xué)科基本知識(shí)與方法互通中一方面提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，另一方面提升學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)，為打造綜合型人才以及立德樹(shù)人做鋪墊。

2.優(yōu)化教學(xué)流程

為了實(shí)現(xiàn)學(xué)生“能走出去，又能融進(jìn)來(lái)”的目標(biāo)，以及通過(guò)打破學(xué)科壁壘較好地提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，筆者設(shè)計(jì)了如下教學(xué)流程，共分為六步，簡(jiǎn)稱“六步式教學(xué)模式”。以“鉆木取火”為例。第一步，教師主導(dǎo)，提出問(wèn)題。教師將通用技術(shù)中“鉆木取火”的技術(shù)操作科學(xué)化，通過(guò)教師主導(dǎo)提出問(wèn)題的模式進(jìn)行引課，在演示“鉆木取火”實(shí)驗(yàn)時(shí)引發(fā)學(xué)生思考其工作原理涉及的物理知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)的視角觀察問(wèn)題。第二步，為學(xué)生發(fā)放“鉆木取火”的材料，探究并分析其中所涉及的摩擦生熱的物理知識(shí)。主動(dòng)探究可提高學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的科學(xué)探究能力，并在分析過(guò)程中強(qiáng)化物理知識(shí)。第三步與第四步，組織學(xué)生以小組為單位利用摩擦力、分子內(nèi)能、能量轉(zhuǎn)化等物理知識(shí)解釋“鉆木取火”的工作原理，最后整理摩擦力、分子內(nèi)能、能量轉(zhuǎn)化等知識(shí)。這兩個(gè)步驟可培養(yǎng)學(xué)生利用科學(xué)知識(shí)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力及與他人合作的品質(zhì)，強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)思維。第五步，課堂練習(xí)，鞏固提高。教師可將技術(shù)知識(shí)物理化，既可避免技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容的空洞性，又可弱化物理知識(shí)的抽象性。將技術(shù)課程與物理學(xué)課程內(nèi)容相結(jié)合，可進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)及技術(shù)素養(yǎng)。例如，設(shè)計(jì)“羅列出鉆木取火實(shí)驗(yàn)中的物理知識(shí)”“整理各個(gè)知識(shí)的概念并解釋其工作原理”等任務(wù)。第六步，信息反饋，反思小結(jié)。學(xué)生進(jìn)行自評(píng)或互評(píng)，反思所學(xué)內(nèi)容并向教師提出教學(xué)建議，師生共同優(yōu)化課堂。整個(gè)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)物理知識(shí)與通用技術(shù)知識(shí)的融合，利用通用技術(shù)課堂以及技術(shù)課程強(qiáng)化學(xué)生物理核心素養(yǎng)。

綜上所述，物理與通用技術(shù)有許多交叉融合的知識(shí)點(diǎn)，二者融合既能體現(xiàn)中學(xué)階段科學(xué)與技術(shù)的融合，也能在互融互通中相互促進(jìn)。“六步式教學(xué)模式”體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，實(shí)現(xiàn)了教、學(xué)、評(píng)三位一體化，對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升有促進(jìn)作用。特別需要提出的是，學(xué)校應(yīng)注重雙師型教師隊(duì)伍的建設(shè)，學(xué)校應(yīng)與工廠、企業(yè)建立更多合作，為跨學(xué)科融合提供更多機(jī)會(huì)。

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（責(zé)任編輯 郭向和? ?校對(duì) 姚力寧）

作者簡(jiǎn)介：賀向向，華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院博士研究生，E-mail：381825264@qq.com（廣東廣州，510006）

熊建文（通訊作者），華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院教授，E-mail：jwxiong@scnu.edu.cn（廣東廣州，510006）