基于核心素养的跨学科主题教学实践探索

赵亚伟 韩叙虹 赵伟 马峥

摘   要：如何开展跨学科实践，如何在教学中落实学科核心素养，受到研究者越来越多的关注。以设置主问题链、任务驱动等形式展开教学，以制作“喷泉”为出发点，设置看到的现象、涉及的原理、形成喷泉的关键、影响气压大小的因素等一系列问题，引导学生以问题为载体，动手实验、制作“喷泉”。

關键词：跨学科；项目式学习；气压差；“喷泉”实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）9-0073-4

收稿日期：2023-06-05

基金项目：北京市朝阳区特级教师工作室项目“基于‘学习进阶’的高中物理教学设计的实践研究”。

作者简介：赵亚伟（1990-），女，中学二级教师，研究方向为初中物理课堂教学。

*通信作者：韩叙虹（1971-），女，正高级教师，北京市特级教师，研究方向为物理教学设计。

跨学科主题学习是《义务教育物理课程标准（2022年版）》提出的一个新举措，跨学科主题学习的设立，是在分科背景下开展的。它既能弥补分科课程的不足，又能明确承认分科课程的合理性，最终促进学科综合育人、整体育人任务的完成。

下面以“美丽的‘喷泉’”为例，详细阐述如何基于核心素养开展跨学科主题式教学的实践探索。

1    问题的背景

大气压是初中物理力学部分的重要内容之一，虽然大气压很常见，但很多学生对大气压的感受还是不太真切。为了增加学生对大气压的体验感，本节课以制作“喷泉”作为主线来组织教学，在课堂上创造机会让学生动手操作并感受大气压的力量。在讲到气体体积变化对气压影响的时候，不失时机地加入学过的生物学知识进行补充，且“喷泉”的制作不仅仅借助大气压的作用得以实现，课中还利用化学方法制作彩色“喷泉”，让学生在制作“喷泉”的过程中，同时复习了物理、化学和生物学科的相关知识。

2    教学目标

该节课的教学目标具体有：（1）通过设计实验，知道影响气压大小的因素有哪些，能制作物理“喷泉”并运用大气压的知识解释“喷泉”的形成原理。（2）能运用会产生或者消耗大量气体的化学反应设计并自制化学“喷泉”。（3）能通过构建呼吸运动的生物模型，进一步理解气压差与人体完成呼吸的关系，明确影响气压大小的相关因素。

3    教学重难点

重点：通过物理方法和化学方法认识“喷泉”的形成原理并制作“喷泉”。

难点：如何利用所提供的简单实验器材制造“真空”状态以实现制作“喷泉”所需要的足够的气压差。

4    教学过程

4.1    课题引入

介绍三位上课老师，指出在接下来完成项目的过程中，有任何问题，三位老师都会及时提供学科方面的支持和帮助。

课题引入——“美丽的‘喷泉’”

设计意图：三科老师同上一节课，对于学生比较陌生，让学生明确本次上课的形式以及每位老师可以给学生提供什么样的帮助；明确项目。

4.2    环节1——认识影响“喷泉”形成的原理之一——气压差

活动1 教师演示正压“喷泉”实验。

演示实验1：将少量的气体打入容器。

演示实验2：将大量的气体打入容器。

提问：你看到了哪些现象？说明什么原理？

答：水喷出来形成“喷泉”。原理是通过往容器内打气，增大气压，使容器内外形成气压差，液体喷出，形成“喷泉”。

提问：实验中形成“喷泉”的关键是什么？

答：气压差足够大。

提问：在上述实验中，影响容器内气压大小的因素是什么？

答：容器内气体的量。

提问：除了用上述方法可以改变容器内气体的量，还有其他方法也能改变容器内气体的量吗？

活动2 学生实验：在装有碳酸氢钠粉末的试管中迅速加入白醋溶液，盖好胶塞，观察实验现象并解释出现这种现象的原因。

学生小组合作完成实验，分组汇报、交流，从化学的角度分析形成喷泉的原因，碳酸氢钠和酸性溶液发生反应产生二氧化碳气体，试管内产生气体，使试管内的气压增大，从而将试管内的液体喷出。

提问：我们还知道哪些反应可以产生二氧化碳气体？

答：碳酸盐和酸反应产生二氧化碳气体。

学生书写相关化学方程式并进行小组交流，互相补充讲解。

追问：消耗气体可以改变装置内的气压吗？改变气压的原理是什么？能否写出消耗二氧化碳的方程式？

答：消耗气体会使装置内的气压减小，形成气压差。

学生上台书写相关消耗二氧化碳的方程式，包括二氧化碳与水反应、二氧化碳与氢氧化钙反应、二氧化碳与氢氧化钠反应。

追问：改变容器内气体的量可以改变容器内的气压，如果容器内气体的量不变，可以通过哪些方法改变容器内的气压？

学生小组讨论汇报。

小结：温度、气体体积也是影响气压差的因素之一。

活动3 学生分组实验：将包有橡皮膜的广口瓶放入装有热水（装有冰水混合物）的烧杯中。观察实验现象，思考实验原理。

学生分组讨论、汇报：

热水组现象：橡皮膜向上凸起。

实验原理：温度升高，容器内气体气压变大，容器内大气压力大于容器外大气压力，使橡皮膜向上凸起。

冷水组现象：橡皮膜向内凹陷。

实验原理：温度降低，容器内气压变小，容器内大气压力小于容器外大气压力，使橡皮膜向内凹陷。

结论：对于一定量的气体，温度可以改变其气压大小。

活动4 分组体验：深深吸气，再缓缓吐出，感受人体呼吸过程中胸腔容積的变化。

提问1：胸腔容积的变化导致气体进出人体，还是与之相反？为什么？

提问2：引发胸腔容积变化的动力是什么？

活动5 学生实验：根据实验桌上提供的“模拟呼吸运动的生物模型”，动手实践。

要求：①准确判断“人体呼吸运动的生物模型”中的结构模拟人体呼吸系统的哪些结构。②分析胸腔容积变化与气体进出的关系。

学生分组汇报、交流，从生物学的角度分析人体呼吸运动的过程。用手向下拉动底部气球，胸腔容积变大，气体进入使得肺扩张，模拟人体的吸气过程（图1）；用手向上推动底部气球，胸腔容积变小，气体呼出使得肺回缩，模拟人体的呼气过程（图2）。可见，是由于胸腔容积的变化引发了气体进出人体，且膈肌这一类呼吸肌的收缩引发了胸腔容积的变化。

追问：为什么胸腔容积发生了变化，气体就能自发进出人体呢？

学生经过分析得到：根本原因是由于胸腔容积的变化改变了胸腔内部的气压，使胸腔内外产生气压差，最终使得气体自发进出人体。当胸腔容积变大，胸腔内气压变小，小于外界气压，外界气体就能进入人体，这是人的吸气过程，呼气过程与此相反。

小结：在气体量一定的情况下，容器体积影响容器内气压大小。体积变大，容器内气压减小；体积变小，容器内气压增大。

设计意图：打破学科界限，通过正压喷泉实验从物理角度认识改变装置内气压的方法，通过复习化学知识从化学角度认识改变装置内气压的方法，通过对生物学科呼吸运动模型的分析认识改变装置内气压的方法。通过不同学科的内容整合认识改变装置内气压的方法，为后续制作“喷泉”提供理论依据。

4.3    环节2——如何制作“喷泉”？

通过改变温度改变容器内气压大小，从而形成容器内外气压差，制作喷泉。

活动6 学生实验：利用实验桌上的1号塑料瓶、气球、带有吸管的瓶盖、热水等设计制作“喷泉”。

分组实验后分小组汇报。

实验操作：向气球中装入尽量多的水，拧紧瓶盖，将塑料瓶放到装有热水的烧杯中（图3）。

实验现象：观察到水从吸管涌出。

实验原理：热水可以增大瓶内气压，使瓶子内外产生气压差，使瓶内的水涌出。

追问：利用温度这一影响因素改变气压制作“喷泉”，效果不明显的原因是什么？

学生小组讨论后汇报：“喷泉”形成的关键在于形成较大的气压差，在热水实验中，温度对气压有影响但是不够大，如果能增大内外装置的气压差，就会产生更明显的实验现象。

追问：如何增大容器内外气压差，产生效果更为明显的“喷泉”呢？

设计意图：让学生体验利用温度这一影响因素制作“喷泉”，并且通过现象明确“喷泉”效果不明显的原因，为接下来的教学内容作铺垫。

4.4    环节3——如何制作效果明显的“喷泉”？

想要容器内外形成较大的气压差，可引导学生利用学过的大气压的知识，在容器内制造一个近似“真空”的状态，这样就可以借助大气压力的作用，使水喷出，从而形成现象较为明显的“喷泉”。

引导学生观察在学习大气压这部分知识时见到的几个重要实验，如覆杯实验、托里拆利实验、马德堡半球实验等。

提问：思考这些实验有什么共同点？

答：都是利用大气压的作用。

提问：这些实验中是如何体现大气压的“强大”呢？

答：都是在装置或容器内制造了一个“真空”的状态，使内外形成较大的气压差。

提问：如何利用手中的器材在塑料瓶中制造一个近似“真空”的状态呢？

活动7 学生实验：利用实验桌上的2号塑料瓶（瓶底打孔）、气球、带有吸管的瓶盖、设计制作“喷泉”。

学生讨论、设计实验方案：将瓶内气球吹大，借助气球和瓶底的小孔将瓶内的气体尽量排空，气球吹得越大，气体被排出的就越多，气球吹得足够大时，用手堵住瓶底小孔，这时，瓶内可近似看成是“真空”状态。再将气球内装满水，盖上瓶盖，松开小孔，观察现象。

学生分组实验。

小组讨论实验原理：气球装满水后，盖上瓶盖，此时瓶内气球和水达到了一个平衡的状态，松开小孔，瓶外气体进入瓶内，在大气压和气球弹力的作用下，使水“喷出”，形成“喷泉”（图4）。

设计意图：突破本节课的教学重难点，通过改进实验装置，利用学过的物理知识在瓶内制造近似“真空”的状态，设计实验并制作效果较为明显的“喷泉”。

4.5    环节4——制作美丽的“喷泉”

提问：如何制作多彩的“喷泉”呢？

可以利用化学反应产生颜色变化，或者让喷泉喷出的是有颜色的溶液。

活动8 学生实验：根据桌上提供的实验器材和药品，小组讨论如何设计制作“喷泉”并进行小组汇报。

学生设计实验，利用提供的装置收集二氧化碳气体（图5），通过注射器中的氢氧化钠浓溶液将二氧化碳消耗（图6），减小装置气压，将装置与溶液相连，打开止水夹，形成“喷泉”（图7）。

学生分组实验，制作并展示本组的彩色“喷泉”。

设计意图：该环节通过化学的方法分析如何制作彩色“喷泉”，通过二氧化碳的产生和消耗形成气压差，制作彩色“喷泉”。

结束语：通过前边一系列的探究活动，我们经历了猜想、实验验证、对实验结果的否定及再猜想再实验过程，最终通过化学方法单纯改变气体的量，以及通过物理方法在改变气体体积的基础上进一步增加气体量的方法，产生了足够大的气压差，形成了美丽的、可持续性喷涌的“喷泉”。在人类科技发展历程中，任何一个研究成果的问世都历经艰辛，我们需要秉承这种精神，不断探索和认识自然运行的规律。

设计意图：教学“留有余地”；立德树人，激发学生继续探究的内驱力。

5    教学反思

5.1    打破学科界限，实现跨学科实践教学

本节课通过将物理、化学、生物三个学科知识进行整合，以问题解决过程为线索设计方案，将跨学科实践的教学过程分解为若干个驱动性任务，以观察、实验、设计、制作等方式设计活动，顺利解决了影响装置内气压大小的三大因素。在设计制作“喷泉”环节，由易到难，首先通过温差制作“喷泉”，进而讨论如何让“喷泉”的效果更明显，通过物理方法改变装置的气压，形成较大气压差从而制作出明显的“喷泉”，最后学生依托化学知识进行分析、讨论、设计等过程，利用教师提供的药品和装置进行彩色“喷泉”的制作。

5.2    借助项目式学习，以知识学习为载体，以过程体验为核心，落实学科的核心素养

本节课注重在问题解决过程中落实学科核心素养。学生以问题为载体，分析看到的现象、涉及的原理、形成“喷泉”的关键、影响气压大小的因素等一系列问题。以制作“喷泉”为出发点，思考如何制作喷泉，如何制作效果更明显的“喷泉”，如何制作美丽的“喷泉”，从原理—分析—设计—实践—改进—再实践，有机地融合了化学、物理与生物三个学科的知识与理念，最终落实学科核心素养。人在解决问题的时候是不分学科的，综合多学科知识解决实际问题，是教育发展的趋势。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：1-3.

［2］艾蒂，韩叙虹.基于物理核心素养培养的STEM教学的实践——以“反冲小车”为例［J］.中学物理，2019，37（5）：18-20.

［3］韩叙虹.基于物理核心素养培养的STEM教学的实践与探索——以“重现富兰克林的风筝实验”项目式学习为例［J］.中学物理，2018，36（3）：2-6.

［4］韓叙虹.基于STEM项目式学习的实践和探索——以研究性学习“钻木取火”课题为例［J］.中学物理，2018，36（10）：18-20.

（栏目编辑    李富强）