高中地理物理跨学科融合教学路径探究

高中地理物理跨学科融合教学路径探究一、问题提出随着科学技术的迅猛发展，跨学科知识和跨学科思维已广泛应用于社会的各个领域。21世纪，指向“核心素养”的教育改革成为世界性潮流。以“关键能力”与“21世纪型能力”为代表的新的能力概念在强调“学科素养”的同时，强调“跨学科素养”的重要性。为响应时代的需求和培育时代新人，教育部于2022年4月21日正式发布了《义务教育课程方案》，该方案指出新课标的主要变化之一是优化了课程内容结构，提出各门课程原则上至少要用10%的课时设计跨学科主题学习，这体现了新课标鲜明的导向性——重视跨学科学习。《中国高考评价体系》，要求学习者“合理地组织、调动不同学科的相关知识和能力，高质量地应对生活实践或学习探索中的复杂问题情境”，也对高中学科的跨学科学习提出了明确的要求。而跨学科思维正是综合学习重要的学习方式之一，即不把自己的思维局限在某处单一的知识结构，而是把来自其他领域的相关知识互相融合，构建全新的知识体系，培养综合思维。关于综合学习的内涵，不同学者的理解有所差异。如王鉴等认为综合学习是在整体主义思维影响下，依据知识的结构化与课程综合性的特点，强调学生的学习应加强知识间的内在联系，应加强与生活经验相联系、与生产实践相联系的一种新型的学习方式。杰罗姆·范梅里恩伯尔则认为综合学习是关注知识、技能和态度之整合的一类学习方式的总和。如探究学习、发现学习、项目式学习、案例学习等都属于综合学习的学习方式。前者认为综合学习是一种整体视角下的学习方式，后者认为是多种学习方式的总和；前者强调知识之间、知识与生活之间的关联，后者关注如何习得这些关联。而跨学科思维，从知识上看是学科之间知识的关联与应用；从学习方式上看，则是强调在学习过程中，根据学科特点，利用多种方式进行学习，建构知识体系，培育学科融通能力。地理学是一门交叉学科，具有综合性。地理事物的运动（各种物质循环）离不开力的作用，只有运用物理学科的知识，才能准确理解地理事物的形成发展规律。本文从地理和物理融合的视角，从内容和学习方式上展开跨学科的综合学习，培养跨学科融合学习的能力，实现在复杂情境下的问题解决。二、新课标背景下跨学科融合的实施策略跨学科学习，是在单科学习的前提下，体现课程的综合和实践化的一种课程设计。复杂（综合）现实（实践）问题的解决，离不开多样化的学习方式。因此，本文侧重从“学习内容、情境、综合学习的逻辑、学习方式”等视角阐述跨学科学习的基本策略。（一）构建地—物知识综合结构，确立综合学习的路径综合学习主要有三种路径：学科内综合、学科间综合和综合课程学习。图1所示为地理学科的学科间综合和学科内综合学习两种类型的学习路径。图1学习内容的综合学习在具体实施中，需注意以下几点。首先，坚持学科立场，明确实施主体。跨学科主题学习（综合学习）是对分科教学的补充、巩固和深化，因此，综合学习首先是学科内综合，强调本学科的主干内容。地理学科的综合性，也决定了综合学习必须坚持学科立场。就地理学科而言，应坚持以地理学科为实施主体，善于运用地理原理，解释相关的地理现象；有效运用生活中的地理现象为情境，蕴含地理学科原理性知识，分析事物形成的原因，评价对事物的影响，因地因时制宜提出创造性的策略。其次，兼顾跨学科特征，养育跨学科能力。跨学科主题学习，旨在提高学生面对复杂情境的问题解决能力。因此在学习目标的确立、主题与内容的选取、学习方式的选择等方面都应体现跨学科这一本质特征。就地理、物理跨学科学习而言，许多的地理原理需要物理知识帮助，可以让学生从本质上把握地理原理的形成机理，加深对地理原理的理解。生活中许多地理现象，也能揭示物理规律的存在，因此，用这些现象为情境，能帮助学生从直观的视角认识物理知识，变抽象为形象，提高学习效率。跨学科知识综合结构的确立，能指示综合学习内容的路径，有利于将学习内容项目化。从学科间综合学习的视角，以“地理—物理”融合为例，据图1可确立三条路径：运用物理知识，解释地理原理；运用物理知识，解释地理现象；创设地理情境，为学习物理知识奠基，进行项目式学习。下文进行具体阐述说明。1.运用物理知识，解释地理原理地理事物是运动的，运动离不开能量形式的转换，运动形态的改变离不开力的作用。地理事物的运动规律，是力作用的结果。在课堂教学过程中，运用力学的相关知识，学生可以加深对地理原理的理解。下面以人教版高中地理选择性必修一《自然地理基础》第一章第一节“地球公转的速度”为例，运用项目式学习的方式，解释地球公转速度的变化。（1）提供地理情境，概括地理规律请学生阅读人教版教材第4页中的文字和图1.4（图2），设计如下问题。图2地球公转轨道示意地球公转的轨迹叫作公转轨道，它是近似正圆的椭圆轨迹，太阳位于椭圆的一个焦点上。每年的1月初，地球距离太阳最近，这个位置叫近日点；每年的7月初，地球距离太阳最远，这个位置叫远日点。随着地球的公转，日地距离不断地发生细微的变化，地球公转的速度也随之发生变化（图2）。请同学们思考：①地球公转轨道有什么特点？②太阳位于椭圆的右焦点上，为什么？③总结地球公转的速度的规律。④你还有哪些疑问？上述问题将教材内容作为素材情境，在地理问题的指引下，实现从现象到本质规律的概括与提炼。（2）运用物理知识，理解地理规律地球公转的线速度的计算涉及开普勒第二定律和第三定律。本项目重在探讨公转线速度和公转半径之间的关系，因此仅运用第二定律。另外，要探讨公转角速度和公转半径的关系，还需要运用公转角速度和线速度的关系。因此，设计如下融合的问题情境。先展现开普勒第二定律：从太阳到行星所连接的直线在相等的时间内扫过的面积是相等的。再求证公转速度的变化规律：（见图3）再设计如下问题。图3地球公转速度示意①分别算出从A到B、从C到D，直线SB与SD在地球公转过程中扫过的面积。②根据开普勒第二定律，你能得出什么样的结论？③运用公转线速度与角速度的关系，你能探讨公转角速度与日地距离的关联吗？在物理知识的有效支撑下，学生加深了对“地球公转的速度与日地距离的关联”这一结论的理解，能有效地帮助学习者养成学科融合的意识。2.运用物理知识，解释地理现象地理事象是规律的反映。地理规律的形成具有复杂性，但地理事象的呈现能反映其所受影响的主导因素。有的地理事象受制于物理学规律，需要借助物理学的知识方能解释其形成。在实际教学中，可从内容拓展和价值提炼两方面来展开。（1）内容拓展评判学生内容拓展的能力是否有提升，重在观察学生是否养成知识的迁移能力，即“举一反三”的能力。下面以人教版高中地理选择性必修一《自然地理基础》第一章“地球公转速度产生的影响”和“太阳日在近日点、远日点的差别”为例，加以说明。读教材第4页“思考”部分的内容：春分点和秋分点把地球公转轨道分为两部分。通常年份，北半球夏半年（自春分日至秋分日）的日数是186天，冬半年（自秋分日至次年春分日）的日数是179天。造成这种日数差异的原因是什么？这是关于时间差异比较的问题。如果没有物理知识的引导，学生的思考可能就会缺失方向，表现为茫然不知所措。在教学过程中，引导学生比较时间，根据“路程=速度×时间”这一物理知识，即通过比较路程和速度等要素差异，方能得出“远日点，地球绕日公转路程远，公转线速度慢，所需天数多。反之，则短”这一结论。（2）价值提炼我们的高考评价体系中强调高考的核心功能为“立德树人、服务选才、引导教学”，引导学生秉行社会主义核心价值观，弘扬中华优秀传统文化、革命文化和社会主义先进文化。因此，综合学习从再整体环节来看，就是要求从全局的高度再一次审视学习内容的价值。立足过去，从整体的视角看历史智慧；立足时代，从整体的视角关注国家取得的伟大成就，产生民族自豪感与国家认同感，立志为实现中华民族伟大复兴而努力；展望未来，从整体的视角，憧憬国家、世界、人类的美好未来。因此，在“价值”环节，创设问题④“嫦娥四号”绕月公转轨道这一情境，一是为了概括“嫦娥四号”绕月公转速度的变化，实现地理学科的应用价值；二是让学习者感受到在以习近平同志为核心的党中央的坚强领导下，我国航天事业日新月异的伟大成就，产生爱党爱国的家国情怀，孕育为伟大祖国奋斗终生的人生目标，实现地理学科的育人价值。④概括“嫦娥四号”绕月1000公里与15公里轨道公转速度的变化情况，并说出理由。图4“嫦娥四号”绕月轨道示意3.创设地理情境，为学习物理知识奠基物理规律具有抽象的特点，因此很多学习者难以理解。而地理现象直观生动，生动的表象背后有抽象规律的支撑。在教学过程中，当学生学习物理知识时，能借用地理学科提供一些情境，设计思维进阶的过程，帮助学生从形象到抽象，从感性观察到理性分析的学习，学习效果会得到极大的提高。下面以物理学科“动能”学习为例。在这一学习中，地理学科可以为物理学科提供流水地貌景观、流水地貌空间分布图等素材以创设学习情境。如湘教版选择必修一《自然地理》第32页图2-27的美国科罗拉多大峡谷图（图略）。让学生先欣赏图中的景观，说出景观特征，据图分析科罗拉多大峡谷的形成主要是因为“流水下切侵蚀”，是河水在流动的过程中遇到巨大的落差，河水的重力势能转化为动能，使得流速变快，加剧向下侵蚀所致。由此深化理解速度是影响动能的主要因素。再如，教师可以在物理课堂上呈现中国地形图和中国年降水量图，请同学们说说，“我国流水动能哪些地方比较大？哪些地方比较小？”得出“湿润半湿润的山区，流水动能比较大，而其他地区则比较小”这一结论，为建立势能和动能的转化关系奠基。（二）构建学习方式逻辑关联，确立综合学习的方式在学习过程中，多样化的学习方式融合，是综合学习最为关键的部分，关系到学生能否用综合学习的方式，解决现实生活、生产中复杂的问题。1.创设多样化的学习方式，落实以学生为主体的理念学科、主题、学情不同，学习方式差异明显。只有创设多样化的学习方式，学生在自主、合作、探究的过程中才能生成素养。《剑桥学习科学手册（第3版）》指出，项目式学习主要以学习科学中的情境学习、主动建构、社会交互和认知工具四个理论结构为基础，让学生在做中学，像专家一样应用独特想法明确问题是如何出现的以及解决具有挑战性的现实问题，其在学习环境上具有从驱动性问题开始、关注学习目标、参与学科实践、参与协作探究、使用技术工具支持学习和创造人工制品六个特征，由此可见，项目式学习的理念、特征与综合学习内涵一致，是非常重要的教学方式。笔者以项目式学习为基础，创设情境，通过多样化的学习方式，实现问题的解决（如图5所示）。图5学习方式逻辑关联图示意就地理学科而言，以“地球公转的特点”这节课为例，根据学习内容和学情，围绕地理问题的解决，选择典型的案例或情境，以便于开展项目式学习（反之，通过项目式学习，可以为师生提供经典、成功的案例）。学生也可以通过案例，借助观察、调查、考察等手段，自主发现问题，实现地理问题的解决。2.选择适当的学习方式，助力学生实践综合学习应依据不同学情和学习内容的难度，选择适合自己学生的学习方式，以切实推进综合学习。例如，图1的“学习内容的综合学习”，笔者以教材中的素材为情境，确立了三个路径（项目）设计地理问题，进行探究学习。根据学习难度及学情，学生自主选择自主探究或合作探究的方式开展学习。一般而言，“地球公转特点、规律的总结”等，旨在考查学生的阅读、观察能力，建议运用自主探究的方式进行。而现象背后的困惑，则应选择发现式学习，如通过“你还有哪些疑问？”等设问形式引导学生发现问题，提出有创造性的问题。（三）依据综合学习相关逻辑，确立整体与部分的关系综合学习包含学科内综合、学科间综合和综合课程学习这三种路径，其中涉及的逻辑关联众多，有普适性的综合学习逻辑，也有学科逻辑。因此，针对不同的综合学习类型，在综合学习普适性逻辑的基础上，根据主学科和跨学科的逻辑，教学设计应处理好整体与部分之间的关联。1.依照综合学习逻辑，厘清教学内容整体与部分的关联将综合学习作为一种学习方式来理解，需要处理教学活动中的整体与部分的关联。“整体—部分—再整体”是一种基本结构，这里的再整体强调实践中的应用性，所采用的学习方法为“通观—具观—通观”的循环。“整体”的视角强调学习过程中知识间的联结性和整体性，以促进学习者形成较为完整的认知结构并促使知识和方法的运用与迁移。因此，如图6所示，综合学习逻辑中，其“整体”是指站在通观的视角，通常运用项目式学习的理念，创建多个项目（部分），并将几个部分之间建立关联。就地理、物理融合而言，可根据地、物知识综合结构，创立三个部分，即：运用物理知识，解释地理原理；运用物理知识，解释地理现象；创设地理情境，为学习物理知识奠基。这三个部分形成一个地物融合的跨学科学习路径的“整体”。图6综合学习逻辑示意“再整体”是指站在通观的视角，进一步审视一节课的价值。也即为什么要学习这部分知识，这部分知识对于认识世界和改造世界有什么重要作用，这是学科的应用价值所在；课堂还是“实现立德树人的重要载体”，因此，在教学设计中，重中之重在于学科的育人价值。2.依照主学科逻辑，从“整体”视角设计教学内容通过整体通观认识事物的手段进行跨学科学习，需从主学科逻辑出发，实现知识之间的联结，形成系统的知识结构。图7地球运动特点教学问题设计逻辑示意如图7所示，站在地理学科这个主学科立场，依照地理学科的纵向逻辑，整体设计教学内容——通过创设真实情境（示意图），描述事物的特点；运用相关的原理，解释事物的成因；运用事物规律，解释相关的现象；结合事物的过程，举一反三（拓展）。地球公转特点这节课的教学设计，从整体的视角出发，通过相关示意图的创设，描述地球公转的特点；运用物理学相关原理，分析地球公转速度与日地距离的关联；通过北半球夏半年和冬半年的日数差异这一情境，检测学生能否完成从掌握规律到运用规律的转变，实现知识的内化。立足于时代热点，考查学生运用知识解释生活中的现象的能力，实现知识的迁移。3.借助跨学科知识，在“部分”中认识主学科规律“整体”的视角并非只关注整体，而是在整体的指导下，将整体分解成若干个重要的组成部分，在部分中采用具观认识事物的手段，运用跨学科知识从本质上认清事物的形成发展规律。图7中，就本节课而言，将地球运动特点分解成三个“部分”，通过这三个部分的教学，打通了“现象—规律—现象”，螺旋式上升认识地理事物的基本路径。部分的具观，可从细节入手，深入事物的细节，并把细节问题化，实现从“整体”到“部分”的转换。图7中“部分1”，地球公转有什么特点，从哪几个角度去观察事物的特点