基于核心素養(yǎng)的跨學(xué)科主題教學(xué)實踐探索

趙亞偉 韓敘虹 趙偉 馬崢

摘? ?要：如何開展跨學(xué)科實踐，如何在教學(xué)中落實學(xué)科核心素養(yǎng)，受到研究者越來越多的關(guān)注。以設(shè)置主問題鏈、任務(wù)驅(qū)動等形式展開教學(xué)，以制作“噴泉”為出發(fā)點，設(shè)置看到的現(xiàn)象、涉及的原理、形成噴泉的關(guān)鍵、影響氣壓大小的因素等一系列問題，引導(dǎo)學(xué)生以問題為載體，動手實驗、制作“噴泉”。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科；項目式學(xué)習(xí)；氣壓差；“噴泉”實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）9-0073-4

收稿日期：2023-06-05

基金項目：北京市朝陽區(qū)特級教師工作室項目“基于‘學(xué)習(xí)進階’的高中物理教學(xué)設(shè)計的實踐研究”。

作者簡介：趙亞偉（1990-），女，中學(xué)二級教師，研究方向為初中物理課堂教學(xué)。

*通信作者：韓敘虹（1971-），女，正高級教師，北京市特級教師，研究方向為物理教學(xué)設(shè)計。

跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出的一個新舉措，跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的設(shè)立，是在分科背景下開展的。它既能彌補分科課程的不足，又能明確承認分科課程的合理性，最終促進學(xué)科綜合育人、整體育人任務(wù)的完成。

下面以“美麗的‘噴泉’”為例，詳細闡述如何基于核心素養(yǎng)開展跨學(xué)科主題式教學(xué)的實踐探索。

1? ? 問題的背景

大氣壓是初中物理力學(xué)部分的重要內(nèi)容之一，雖然大氣壓很常見，但很多學(xué)生對大氣壓的感受還是不太真切。為了增加學(xué)生對大氣壓的體驗感，本節(jié)課以制作“噴泉”作為主線來組織教學(xué)，在課堂上創(chuàng)造機會讓學(xué)生動手操作并感受大氣壓的力量。在講到氣體體積變化對氣壓影響的時候，不失時機地加入學(xué)過的生物學(xué)知識進行補充，且“噴泉”的制作不僅僅借助大氣壓的作用得以實現(xiàn)，課中還利用化學(xué)方法制作彩色“噴泉”，讓學(xué)生在制作“噴泉”的過程中，同時復(fù)習(xí)了物理、化學(xué)和生物學(xué)科的相關(guān)知識。

2? ? 教學(xué)目標(biāo)

該節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)具體有：（1）通過設(shè)計實驗，知道影響氣壓大小的因素有哪些，能制作物理“噴泉”并運用大氣壓的知識解釋“噴泉”的形成原理。（2）能運用會產(chǎn)生或者消耗大量氣體的化學(xué)反應(yīng)設(shè)計并自制化學(xué)“噴泉”。（3）能通過構(gòu)建呼吸運動的生物模型，進一步理解氣壓差與人體完成呼吸的關(guān)系，明確影響氣壓大小的相關(guān)因素。

3? ? 教學(xué)重難點

重點：通過物理方法和化學(xué)方法認識“噴泉”的形成原理并制作“噴泉”。

難點：如何利用所提供的簡單實驗器材制造“真空”狀態(tài)以實現(xiàn)制作“噴泉”所需要的足夠的氣壓差。

4? ? 教學(xué)過程

4.1? ? 課題引入

介紹三位上課老師，指出在接下來完成項目的過程中，有任何問題，三位老師都會及時提供學(xué)科方面的支持和幫助。

課題引入——“美麗的‘噴泉’”

設(shè)計意圖：三科老師同上一節(jié)課，對于學(xué)生比較陌生，讓學(xué)生明確本次上課的形式以及每位老師可以給學(xué)生提供什么樣的幫助；明確項目。

4.2? ? 環(huán)節(jié)1——認識影響“噴泉”形成的原理之一——氣壓差

活動1 教師演示正壓“噴泉”實驗。

演示實驗1：將少量的氣體打入容器。

演示實驗2：將大量的氣體打入容器。

提問：你看到了哪些現(xiàn)象？說明什么原理？

答：水噴出來形成“噴泉”。原理是通過往容器內(nèi)打氣，增大氣壓，使容器內(nèi)外形成氣壓差，液體噴出，形成“噴泉”。

提問：實驗中形成“噴泉”的關(guān)鍵是什么？

答：氣壓差足夠大。

提問：在上述實驗中，影響容器內(nèi)氣壓大小的因素是什么？

答：容器內(nèi)氣體的量。

提問：除了用上述方法可以改變?nèi)萜鲀?nèi)氣體的量，還有其他方法也能改變?nèi)萜鲀?nèi)氣體的量嗎？

活動2 學(xué)生實驗：在裝有碳酸氫鈉粉末的試管中迅速加入白醋溶液，蓋好膠塞，觀察實驗現(xiàn)象并解釋出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因。

學(xué)生小組合作完成實驗，分組匯報、交流，從化學(xué)的角度分析形成噴泉的原因，碳酸氫鈉和酸性溶液發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳氣體，試管內(nèi)產(chǎn)生氣體，使試管內(nèi)的氣壓增大，從而將試管內(nèi)的液體噴出。

提問：我們還知道哪些反應(yīng)可以產(chǎn)生二氧化碳氣體？

答：碳酸鹽和酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳氣體。

學(xué)生書寫相關(guān)化學(xué)方程式并進行小組交流，互相補充講解。

追問：消耗氣體可以改變裝置內(nèi)的氣壓嗎？改變氣壓的原理是什么？能否寫出消耗二氧化碳的方程式？

答：消耗氣體會使裝置內(nèi)的氣壓減小，形成氣壓差。

學(xué)生上臺書寫相關(guān)消耗二氧化碳的方程式，包括二氧化碳與水反應(yīng)、二氧化碳與氫氧化鈣反應(yīng)、二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)。

追問：改變?nèi)萜鲀?nèi)氣體的量可以改變?nèi)萜鲀?nèi)的氣壓，如果容器內(nèi)氣體的量不變，可以通過哪些方法改變?nèi)萜鲀?nèi)的氣壓？

學(xué)生小組討論匯報。

小結(jié)：溫度、氣體體積也是影響氣壓差的因素之一。

活動3 學(xué)生分組實驗：將包有橡皮膜的廣口瓶放入裝有熱水（裝有冰水混合物）的燒杯中。觀察實驗現(xiàn)象，思考實驗原理。

學(xué)生分組討論、匯報：

熱水組現(xiàn)象：橡皮膜向上凸起。

實驗原理：溫度升高，容器內(nèi)氣體氣壓變大，容器內(nèi)大氣壓力大于容器外大氣壓力，使橡皮膜向上凸起。

冷水組現(xiàn)象：橡皮膜向內(nèi)凹陷。

實驗原理：溫度降低，容器內(nèi)氣壓變小，容器內(nèi)大氣壓力小于容器外大氣壓力，使橡皮膜向內(nèi)凹陷。

結(jié)論：對于一定量的氣體，溫度可以改變其氣壓大小。

活動4 分組體驗：深深吸氣，再緩緩?fù)鲁?，感受人體呼吸過程中胸腔容積的變化。

提問1：胸腔容積的變化導(dǎo)致氣體進出人體，還是與之相反？為什么？

提問2：引發(fā)胸腔容積變化的動力是什么？

活動5 學(xué)生實驗：根據(jù)實驗桌上提供的“模擬呼吸運動的生物模型”，動手實踐。

要求：①準(zhǔn)確判斷“人體呼吸運動的生物模型”中的結(jié)構(gòu)模擬人體呼吸系統(tǒng)的哪些結(jié)構(gòu)。②分析胸腔容積變化與氣體進出的關(guān)系。

學(xué)生分組匯報、交流，從生物學(xué)的角度分析人體呼吸運動的過程。用手向下拉動底部氣球，胸腔容積變大，氣體進入使得肺擴張，模擬人體的吸氣過程（圖1）；用手向上推動底部氣球，胸腔容積變小，氣體呼出使得肺回縮，模擬人體的呼氣過程（圖2）?？梢姡怯捎谛厍蝗莘e的變化引發(fā)了氣體進出人體，且膈肌這一類呼吸肌的收縮引發(fā)了胸腔容積的變化。

追問：為什么胸腔容積發(fā)生了變化，氣體就能自發(fā)進出人體呢？

學(xué)生經(jīng)過分析得到：根本原因是由于胸腔容積的變化改變了胸腔內(nèi)部的氣壓，使胸腔內(nèi)外產(chǎn)生氣壓差，最終使得氣體自發(fā)進出人體。當(dāng)胸腔容積變大，胸腔內(nèi)氣壓變小，小于外界氣壓，外界氣體就能進入人體，這是人的吸氣過程，呼氣過程與此相反。

小結(jié)：在氣體量一定的情況下，容器體積影響容器內(nèi)氣壓大小。體積變大，容器內(nèi)氣壓減??；體積變小，容器內(nèi)氣壓增大。

設(shè)計意圖：打破學(xué)科界限，通過正壓噴泉實驗從物理角度認識改變裝置內(nèi)氣壓的方法，通過復(fù)習(xí)化學(xué)知識從化學(xué)角度認識改變裝置內(nèi)氣壓的方法，通過對生物學(xué)科呼吸運動模型的分析認識改變裝置內(nèi)氣壓的方法。通過不同學(xué)科的內(nèi)容整合認識改變裝置內(nèi)氣壓的方法，為后續(xù)制作“噴泉”提供理論依據(jù)。

4.3? ? 環(huán)節(jié)2——如何制作“噴泉”？

通過改變溫度改變?nèi)萜鲀?nèi)氣壓大小，從而形成容器內(nèi)外氣壓差，制作噴泉。

活動6 學(xué)生實驗：利用實驗桌上的1號塑料瓶、氣球、帶有吸管的瓶蓋、熱水等設(shè)計制作“噴泉”。

分組實驗后分小組匯報。

實驗操作：向氣球中裝入盡量多的水，擰緊瓶蓋，將塑料瓶放到裝有熱水的燒杯中（圖3）。

實驗現(xiàn)象：觀察到水從吸管涌出。

實驗原理：熱水可以增大瓶內(nèi)氣壓，使瓶子內(nèi)外產(chǎn)生氣壓差，使瓶內(nèi)的水涌出。

追問：利用溫度這一影響因素改變氣壓制作“噴泉”，效果不明顯的原因是什么？

學(xué)生小組討論后匯報：“噴泉”形成的關(guān)鍵在于形成較大的氣壓差，在熱水實驗中，溫度對氣壓有影響但是不夠大，如果能增大內(nèi)外裝置的氣壓差，就會產(chǎn)生更明顯的實驗現(xiàn)象。

追問：如何增大容器內(nèi)外氣壓差，產(chǎn)生效果更為明顯的“噴泉”呢？

設(shè)計意圖：讓學(xué)生體驗利用溫度這一影響因素制作“噴泉”，并且通過現(xiàn)象明確“噴泉”效果不明顯的原因，為接下來的教學(xué)內(nèi)容作鋪墊。

4.4? ? 環(huán)節(jié)3——如何制作效果明顯的“噴泉”？

想要容器內(nèi)外形成較大的氣壓差，可引導(dǎo)學(xué)生利用學(xué)過的大氣壓的知識，在容器內(nèi)制造一個近似“真空”的狀態(tài)，這樣就可以借助大氣壓力的作用，使水噴出，從而形成現(xiàn)象較為明顯的“噴泉”。

引導(dǎo)學(xué)生觀察在學(xué)習(xí)大氣壓這部分知識時見到的幾個重要實驗，如覆杯實驗、托里拆利實驗、馬德堡半球?qū)嶒灥取?/p>

提問：思考這些實驗有什么共同點？

答：都是利用大氣壓的作用。

提問：這些實驗中是如何體現(xiàn)大氣壓的“強大”呢？

答：都是在裝置或容器內(nèi)制造了一個“真空”的狀態(tài)，使內(nèi)外形成較大的氣壓差。

提問：如何利用手中的器材在塑料瓶中制造一個近似“真空”的狀態(tài)呢？

活動7 學(xué)生實驗：利用實驗桌上的2號塑料瓶（瓶底打孔）、氣球、帶有吸管的瓶蓋、設(shè)計制作“噴泉”。

學(xué)生討論、設(shè)計實驗方案：將瓶內(nèi)氣球吹大，借助氣球和瓶底的小孔將瓶內(nèi)的氣體盡量排空，氣球吹得越大，氣體被排出的就越多，氣球吹得足夠大時，用手堵住瓶底小孔，這時，瓶內(nèi)可近似看成是“真空”狀態(tài)。再將氣球內(nèi)裝滿水，蓋上瓶蓋，松開小孔，觀察現(xiàn)象。

學(xué)生分組實驗。

小組討論實驗原理：氣球裝滿水后，蓋上瓶蓋，此時瓶內(nèi)氣球和水達到了一個平衡的狀態(tài)，松開小孔，瓶外氣體進入瓶內(nèi)，在大氣壓和氣球彈力的作用下，使水“噴出”，形成“噴泉”（圖4）。

設(shè)計意圖：突破本節(jié)課的教學(xué)重難點，通過改進實驗裝置，利用學(xué)過的物理知識在瓶內(nèi)制造近似“真空”的狀態(tài)，設(shè)計實驗并制作效果較為明顯的“噴泉”。

4.5? ? 環(huán)節(jié)4——制作美麗的“噴泉”

提問：如何制作多彩的“噴泉”呢？

可以利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生顏色變化，或者讓噴泉噴出的是有顏色的溶液。

活動8 學(xué)生實驗：根據(jù)桌上提供的實驗器材和藥品，小組討論如何設(shè)計制作“噴泉”并進行小組匯報。

學(xué)生設(shè)計實驗，利用提供的裝置收集二氧化碳氣體（圖5），通過注射器中的氫氧化鈉濃溶液將二氧化碳消耗（圖6），減小裝置氣壓，將裝置與溶液相連，打開止水夾，形成“噴泉”（圖7）。

學(xué)生分組實驗，制作并展示本組的彩色“噴泉”。

設(shè)計意圖：該環(huán)節(jié)通過化學(xué)的方法分析如何制作彩色“噴泉”，通過二氧化碳的產(chǎn)生和消耗形成氣壓差，制作彩色“噴泉”。

結(jié)束語：通過前邊一系列的探究活動，我們經(jīng)歷了猜想、實驗驗證、對實驗結(jié)果的否定及再猜想再實驗過程，最終通過化學(xué)方法單純改變氣體的量，以及通過物理方法在改變氣體體積的基礎(chǔ)上進一步增加氣體量的方法，產(chǎn)生了足夠大的氣壓差，形成了美麗的、可持續(xù)性噴涌的“噴泉”。在人類科技發(fā)展歷程中，任何一個研究成果的問世都歷經(jīng)艱辛，我們需要秉承這種精神，不斷探索和認識自然運行的規(guī)律。

設(shè)計意圖：教學(xué)“留有余地”；立德樹人，激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探究的內(nèi)驅(qū)力。

5? ? 教學(xué)反思

5.1? ? 打破學(xué)科界限，實現(xiàn)跨學(xué)科實踐教學(xué)

本節(jié)課通過將物理、化學(xué)、生物三個學(xué)科知識進行整合，以問題解決過程為線索設(shè)計方案，將跨學(xué)科實踐的教學(xué)過程分解為若干個驅(qū)動性任務(wù)，以觀察、實驗、設(shè)計、制作等方式設(shè)計活動，順利解決了影響裝置內(nèi)氣壓大小的三大因素。在設(shè)計制作“噴泉”環(huán)節(jié)，由易到難，首先通過溫差制作“噴泉”，進而討論如何讓“噴泉”的效果更明顯，通過物理方法改變裝置的氣壓，形成較大氣壓差從而制作出明顯的“噴泉”，最后學(xué)生依托化學(xué)知識進行分析、討論、設(shè)計等過程，利用教師提供的藥品和裝置進行彩色“噴泉”的制作。

5.2? ? 借助項目式學(xué)習(xí)，以知識學(xué)習(xí)為載體，以過程體驗為核心，落實學(xué)科的核心素養(yǎng)

本節(jié)課注重在問題解決過程中落實學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生以問題為載體，分析看到的現(xiàn)象、涉及的原理、形成“噴泉”的關(guān)鍵、影響氣壓大小的因素等一系列問題。以制作“噴泉”為出發(fā)點，思考如何制作噴泉，如何制作效果更明顯的“噴泉”，如何制作美麗的“噴泉”，從原理—分析—設(shè)計—實踐—改進—再實踐，有機地融合了化學(xué)、物理與生物三個學(xué)科的知識與理念，最終落實學(xué)科核心素養(yǎng)。人在解決問題的時候是不分學(xué)科的，綜合多學(xué)科知識解決實際問題，是教育發(fā)展的趨勢。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：1-3.

［2］艾蒂，韓敘虹.基于物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的STEM教學(xué)的實踐——以“反沖小車”為例［J］.中學(xué)物理，2019，37（5）：18-20.

［3］韓敘虹.基于物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的STEM教學(xué)的實踐與探索——以“重現(xiàn)富蘭克林的風(fēng)箏實驗”項目式學(xué)習(xí)為例［J］.中學(xué)物理，2018，36（3）：2-6.

［4］韓敘虹.基于STEM項目式學(xué)習(xí)的實踐和探索——以研究性學(xué)習(xí)“鉆木取火”課題為例［J］.中學(xué)物理，2018，36（10）：18-20.

（欄目編輯? ? 李富強）