指向素养发展的真实情境跨学科实践教学探索——以设计制作“小型新能源利用模型”教学为例

发布时间：2025-10-30 10:38

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来源 | 《中学物理》

作者 | 周惠，硕士，一级教师，单位为中国人民大学附属中学朝阳学校

【摘要】《义务教育物理课程标准(2022年版)》新增设了跨学科实践主题，一线教师如何进行跨学科教学活动设计是需要探索和研究的问题，案例以登山露营和越野活动中照明、手机等设备电量不足的真实问题为情境，以“如何利用新能源解决真实情境问题”为驱动问题，引导学生在逐步突破障碍问题的过程中解决驱动问题，设计并制作小型新能源利用模型，实现照明和为手机充电等功能，旨在培养学生分析和解决真实问题的能力，发展学生核心素养，探索初中物理跨学科实践教学的方式。

【关键词】跨学科实践教学；小型新能源利用模型；核心素养

《义务教育物理课程标准(2022年版)》(以下简称新课标)中首次将跨学科实践作为一级主题，包括“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”三个二级主题，并提出了“运用跨学科知识解决简单问题的能力”“能运用简单模型解决问题；能利用归纳或演绎的方法对跨学科问题进行推理，获得结论”“能在真实、综合情境中发现问题，提出假设；能对跨学科实践活动方案、实施过程及结果进行解释”等学业质量要求[1]。《义务教育课程方案(2022年版)》要求跨学科实践内容占总课时的比例不少于 10%，需要教师将跨学科实践学习融入常规教学中。为贯彻新课标要求，笔者在教学过程中进行了初步探索，本文以设计制作“小型新能源利用模型”的教学过程为例浅谈跨学科实践教学活动开发和实施的途径探索。

真实情境跨学科实践学习项目开发策略

跨学科实践学习并不是单纯地堆砌多学科的知识，而是要立足实际问题，综合运用多学科的知识，设计出切实可行的解决方案。目前跨学科实践教学主要有四种形式，分别是 “统合型——跨学科核心概念联系整合”“蜘蛛网型——跨学科内容领域整合”“并列型——跨‘跨学科概念’"和“共享型——跨学科研究方法”等 [2]。目前初中物理跨学科教学的主要教学方式是对其中的两个或者多个学科的内容进行整合[3-6]，这也是物理学科容易开展跨学科实践活动的特点。利用这一特点，可以在常规教学活动中对教材内容、课后问题、学业水平检测中的试题等部分进行二次开发，融合生活、工程、社会等实际问题，结合学生的实际知识储备、学习能力，开发真实情境的跨学科实践学习项目，引导学生在分析和解决问题过程中学习多学科知识，提升科学思维、科学探究能力[7]。

笔者参照人教版教材中太阳能凉帽的照片、“想想做做”环节的自制太阳能集热器以及“动手动脑学物理”环节的太阳能路灯的能量转化过程分析等素材，结合新课标中“制作小型风力发电机”的实施建议，深入挖掘，以户外活动电力短缺情景(如登山、露营、越野等常见的照明、手机及充电宝设备电量低)为背景，开发了“小型新能源利用模型”跨学科实践学习项目。解决项目问题需要物理与工程技术、化学、地理等学科知识融合，贴近学生生活实际，解决真实问题。

指向素养发展，设计真实情境跨学科实践项目学习活动

2.1背景调研

通过对问卷的分析发现，近60%的学生在将所学电磁学知识迁移到项目主题的真实问题情境中时，在提炼物理核心问题方面遇到了困难；90%的学生不具备利用新能源发电、存储电能，进而通过合适的器材给用电器供电的意识。学生的已学知识和能力基础与解决项目问题所需的知识能力基础存在差异，见表1。

2.2活动设计

根据背景调研，在跨学科实践学习活动开启前，建议学生查阅相关资料，为学习活动做知识储备，见表2。并制定了符合学生实际的跨学科实践学习目标，见表3。

立足问题解决，开展真实情境跨学科实践项目学习活动

3.1.1融合真实情境，呈现驱动问题

情境问题：在登山、露营、越野等户外活动中，我们经常遇到照明、手机、充电宝等设备电量快耗尽等问题，如何利用自然界的能源解决这一问题?

驱动问题：如何利用新能源设计制作“小型供电模型”，解决登山露营时的用电问题？

设计意图：以真实情境为背景，引出任务问题，将物理与工程技术、生活实际相融合，激发学生的兴趣与好奇心，使学生乐于创造、勇于创新。

引导问题链：根据项目任务问题，进行小组讨论，需要做什么？有哪些条件？面临哪些困难？

引导问题链：将太阳能、风能转化为电能后能否直接实现照明？能否直接供手机等设备使用？

3.2突破障碍

3.2.1物理知识与工程技术融合，突破小型风力发电机器材障碍

引导问题链：要选择合适的器材，解决风力发电设备小型化的问题，身边有哪些简单易取的器材可以使用?

学生突破转化器材障碍过程：应用已有的电磁感应知识——闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，会产生感应电流。手摇式发电机是通过人做功让线圈切割磁感线，产生感应电流.推理分析——风力发电是风使得线圈转起来做切割磁感线运动，产生感应电流.结合工程技术实际——选取小的扇叶片、小电动机等器材，使线圈做切割磁感线运动，设计实验模拟小型风力发电机。

设计实验“风力发电机”：RC300小电动机(直流)，4.5cm直径扇叶，电吹风，130电动机，5730LED灯条.有小组使用电吹风模拟大风环境，有小组使用130小电动机模拟大风环境，LED灯均可发光照明，如图4所示。

设计意图：寻找能量转化器材的过程，是让学生将已有物理知识与自主学习的工程技术知识进行融合、分析解决障碍问题的过程，是跨学科实践学习不同于常规物理实验课的特点

3.2.2物理与化学、工程技术融合，突破小型新能源发电存储及再利用障碍

引导问题链：风能、太阳能转化为电能后选择什么样的器材存储?依据是什么?

学生突破存储障碍过程：应用已有电学知识分析——实验中满足照明要求的LED灯的额定电压是5V，手机充电需要至少5V电压，因此需要选择输出电压比较高的充电电池；手机等设备电池容量比较大，因此需要尽可能多的电能存储.结合自主学习的关于锂电池的化学知识——常见的充电电池中，输出电压满足要求的是26500、18650、14500等类型锂电池，26500锂电池容量大但体积过大，很多设备不能使用，18650磷酸铁锂电池体积适中，最大容量为3000mA·h，适合户外设备使用。

设计实验模拟“风能、太阳能转化后存储”：14500磷酸锂电池(由于实验室电池盒适合5号电池，学生实验模拟时选用了输出电压相同但容量小一些的14500电池)、改装的磷酸锂电池稳压充电器、多晶硅滴胶板(太阳能电池板)、已经制作好的小型风力发电机、台灯。为了充电电压稳定同时显示充电状态，将充电装置改装后分别接在小型风力发电机、太阳能电池板上(用台灯模拟太阳光),充电指示灯亮，充电电流数值指示灯亮，如图5所示。

引导实验：利用三极管，整流二极管，电感，线圈，红色、蓝色发光二极管等形成振荡电路，感应线圈有电流，与感应线圈相连的红色二极管发光，如图6。

引导问题链：猜想实验是通过什么实现红色二极管发光的？利用风能、太阳能将锂电池充好电之后，如何给手机等设备供电？

学生突破利用障碍过程：应用已有的电磁学知识结合观察的引导实验分析猜想——电磁感应实现无线供电。联系自主学习的工程技术知识——选用体积小易携带的无线充电模块(带有无线充电功能的设备只需要发射线圈)，实现太阳能、风能转化存储后给手机等设备供电。

设计实验模拟“新能源无线充电”：锂电池(利用太阳能/风能充电后)、无线发射模块、手机、电动牙刷。利用锂电池连接无线充电模块，给手机、电动牙刷充电成功，如图7所示。

设计意图：学生缺乏户外新能源利用、存储的意识，在小风力发电机实现照明的基础上，融合物理、化学、工程技术知识，设计风能、太阳能转化后存储利用，解决手机用电问题，给学生非常直观的新能源小型化开发利用的视觉冲击。

3.3探究发现

发现问题：小型风力发电机作为电源无法使得完好电路中的LED灯照明。

分析猜想：(1)LED灯是单向导电，小风力发电机输出的是直流电，出现不亮的原因是正负接线柱接反了；(2)扇叶面积、风速可能影响了小风力发电机的发电效果。

3.3.1探究扇叶面积对小型发电机输出电压的影响器材：自行制作的小型风力发电机、不同直径的扇叶、吹风机。

探究方案见表4.

实验数据见表5.

实验结果讨论：扇叶面积并非想象的越大越好.在制作小型风力发电机模型时，可以根据模拟的环境风场特点，尝试后选取合适的叶片。

3.3.2探究风速对小发电机两端电压的影响

器材：自行制作的小型风力发电机、吹风机、4.5cm直径的扇叶、刻度尺、高精度风速仪。

探究方案见表6.

实验数据见表7.

实验结果讨论：风速大小对小发电机发电效果影响显著，模拟实验时风速过小效果不好。

设计意图：分析并猜想影响发电效果的因素，培养学生跨学科实践学习过程中的探究能力。

3.4解决驱动问题，结合地理和生活实际，交流评估使用的可行性

学生展示(如图9所示)并进行模型使用的可行性评估交流：吹风机提供的风速达到8m/s以上时，小风力发电机模型可以使LED灯正常发光照明；当风速达到9.5m/s以上时，可以利用小风力发电机模型给锂电池稳定充电。登山露营时，夜晚山顶环境风速较大，若持续达到5~6级风的状态时，模型可以在现实环境中使用，关于扇叶的选择还可更细化地探索，以更好地应用到实际环境中。在太阳光下可以实现利用太阳能给锂电池充电，晴天登山露营时，可尽可能地将太阳能转化为电能存储，实际使用时，太阳能电池板输出电压略大一些，充电效率更高。利用风能、太阳能充电后，2节锂电池可实现给手机、电动牙刷无线充电。

小结

跨学科实践项目学习不是孤立的某一节涉及多学科的课。以“跨学科内容领域整合”为形式的跨学科项目学习为例，物理知识、方法是主体，其他学科为辅助支撑，教材中有很多这方面的素材[8]。虽然2024年秋季开始使用的人教版新教材中有跨学科实践章节内容，教师依然可以继续利用教材、教学中的很多素材，开发真实情境的跨学科实践项目，使跨学科实践融合进常规教学，贴近学生生活实际，解决实际问题，激发学生的探究欲和创新精神。

跨学科实践学习活动的开展，需要贯彻落实“做好科学教育加减法”的要求。活动开展前，可以使用问卷等形式充分了解学生已有的工程技术等其他学科的知识和方法，可以使用列表的形式建议学生课余时间查阅相关辅助信息，查阅资料信息的难度要符合学生的现有水平，在充分掌握学情基础上进行教学环节设计，培养学生分析和解决综合问题的能力，做到减负增效。

【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.

[2]赵芸赫，马宇翰，李春密.基于测量工具制作过程的初中物理跨学科实践活动的设计——以“自制浮力秤”为例[J].物理教师，2024,45(03):28-32.

[3]李亚子.基于项目学习的“跨学科实践”主题教学[J].中学物理，2023,41(02):30-32.

[4]宋定飞.基于核心素养的初中物理“跨学科实践”教学探索——以“制作小孔成像仪”教学为例[J].中学物理，2023,41(08):35-40.

[5]陈俊妃.基于真实情境的初中物理跨学科单元项目式学习——以“制作简易海上升降机”为例[J].中学教学参考，2024(05):41-43.

[6]张颖.青岛市初中物理跨学科实践教学的探索与实践——以“近视眼和远视眼的矫正”为例[J].中学物理，2024,42(06):27-31.

[7]刘鑫.促进思维进阶的跨学科实践活动案例剖析——以“设计和制作一个模拟调光灯”为例[J].中学物理，2024,42(18):51-54.

[8]刘信生.基于主题任务驱动下跨学科实践案例的设计策略研究——由2023年苏州市中考物理第10题引起的反思[J].中学物理，2024,42(12):24-28.

网址：指向素养发展的真实情境跨学科实践教学探索——以设计制作“小型新能源利用模型”教学为例 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/1396712

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