基于跨学科整合的初中科学实验教学实践

摘要

实验教学是初中科学教育的重要组成部分，在培养学生科学素养、提高学生探究能力等方面发挥着关键作用。然而，传统的实验教学常局限于单一学科，忽视了不同学科间的关联性和互补性。以浙教版科学教材“物质的密度”一课为例，探讨初中实验教学跨学科整合的途径和方法。据此，引入数学建模思想，借鉴化学实验常用仪器开展跨学科教学实践，发现跨学科整合在拓展学生视野、强化实验技能等方面具有较好的教学效果，从而为提升初中科学实验教学质量指明了方向。

Graphical abstract

关键词

初中科学 / 实验教学 / 跨学科整合 / 物质的密度 / 数学建模

随着核心素养理念的深入人心，培养具备综合运用知识解决实际问题能力的创新型人才已成为基础教育的重要目标之一。在此背景下，打破学科壁垒，加强不同学科间的交叉融合显得尤为必要。作为培养学生科学思维和实践能力的关键环节，初中科学实验教学理应成为跨学科整合的重要阵地。为此，笔者从物理学科入手，探索跨学科整合在初中科学实验教学中的实现路径。

1 跨学科整合的意义

跨学科整合在素质教育中扮演着重要角色，是培养学生综合运用知识解决问题的主要手段之一，能够帮助学生打破学科边界，形成全局化思维，提高其分析和解决问题的能力。同时，跨学科学习能提高学生的科学素养，拓宽其科学视野，培养其创新意识。

跨学科整合可以为学生提供更加广阔的学习视角，有助于构建完整、系统、科学的知识体系。采取这一学习方式，学生能发现不同学科知识间的内在联系，易于深入、全面地理解知识。这一学习方式能克服单一学科的局限性，使学习更有意义和更具连贯性，能够培养学生的系统思维和知识迁移能力，有助于其理解复杂的现实问题，进而培养其批判性思维和创造性思维^［1］。

2 以“物质的密度”教学为例探讨跨学科整合

2.1 教学重难点分析

“物质的密度”一课的教学重点在于理解密度的概念及其物理意义，掌握测量物质密度的实验技能，以及理解密度与质量、体积之间的数学关系。在教学过程中，学生遇到的学习困难包括：难以建立密度与质量、体积之间的数学关系，对形状不规则物体体积的测量方法感到困惑，同时难以将密度知识应用到实际生活中。对此，教师需要帮助学生突破这些难点，引导其不仅要理解密度概念本身，更要深入理解其内涵与外延。

2.2 传统教学存在的问题

传统“物质的密度”教学存在多个问题：实验方法常局限于对规则物体的测量，难以应对实际生活中的诸多不规则物体的测量，限制了学生思维的拓展；学生对密度公式的理解往往停留在机械记忆层面，缺乏对密度、质量、体积三者数学关系的深入理解；实验技能训练不足，学生接触到的实验仪器有限，对精确测量不够重视；当教学内容与实际生活的联系不够紧密时，学生难以理解密度概念在日常生活中的应用案例，导致学习兴趣不高；传统教学往往局限于物理学科本身，忽视了其与数学、化学等学科的联系，限制了学生的知识迁移能力。

2.3 跨学科整合的优势

跨学科整合在“物质的密度”教学中具有多方面优势：引入数学、化学等学科的知识和方法，学生就能从不同角度理解密度概念，形成更全面的认知理解；借鉴化学实验的仪器和方法，如使用量筒和排水法等（图1），可以拓宽实验手段，提高测量的准确性和适用范围；跨学科整合有助于培养学生的综合分析能力、问题解决能力和创新思维能力；将密度概念与日常生活紧密结合，可以激发学生的学习兴趣，提高其学习动力^［2］。这种教学方式还有助于学生建立知识间的联系，提高知识迁移能力，从而为未来学习奠定坚实的基础。

2.4 跨学科整合解决的问题

跨学科整合有效解决了“物质的密度”教学中的诸多问题：引入数学建模思想，如绘制“质量-体积”图象，学生就能直观理解密度的物理意义，纠正对密度概念的肤浅理解；借鉴化学实验中的排水法，可解决不规则物体体积测量的难题，拓展学生的实验技能；引入电子天平等精密仪器，能提高质量测量的准确度，强化学生对精确测量的重视程度；设计与日常生活相关的探究性实验，如探究运用不同材料制作船只的可行性等，可帮助学生理解密度概念在实际生活中的应用原理。

跨学科整合使学生认识到不同学科之间的联系，便于其形成更加系统的知识结构，提高其知识迁移能力。结合生活实际，设计有趣的探究活动，如解释冰山大部分体积浸没在水下的现象等，易于激发学生的学习兴趣和探究欲望。这种教学方法不仅加深了学生对密度概念的理解，还提高了他们的实验技能和科学探究能力，增强了学习的趣味性和实用性。

3 跨学科整合的具体实施

3.1 挖掘教材中的跨学科融合点

在科学教材中，存在许多跨学科整合的融合点。对此，教师应善于发现并利用好这些融合点，以便将不同学科知识进行有机融合。例如，在学习“声现象”时可引入音乐知识，借此讲解音调与频率的关系；在学习数学的“函数”知识时，可借助物理实例；在开展化学课程教学时，可结合物理学知识解释物质分类。

跨学科整合，能帮助学生从多角度理解概念，促其形成更全面的认识^［3］。为了更好地说明跨学科融合点的应用效果，笔者以一个具体的例题加以说明。

例题　小明在学习“声现象”时遇到如下问题：一个音叉发出声音，频率为440 Hz，波长为0.75 m（图2）。请回答以下问题。

（1） 这个声音的音调属于高音还是低音？为什么？

（2） 计算这个声音在空气中的传播速度。

（3） 如果用小提琴演奏出同样音高的音符，它与音叉发出的声音有何区别？请从物理学角度解释。

例题解析：这道题目巧妙地融合了物理学和音乐学的知识。具体考查内容如下。

（1） 考查了学生对频率与音调关系的理解程度。440 Hz属于中音区域（标准音高A），学生需要了解频率越高音调越高的关系。

（2） 需要运用波动公式v=λf，考查了学生的数学计算能力和物理公式应用能力。

（3） 引入音色概念，要求学生理解不同发声体产生的谐波结构差异，体现了物理学中的波形概念在音乐中的应用。

【试题意图】这样的试题能够将物理知识与音乐知识相结合，便于学生加深对声学现象的理解，同时培养其跨学科思维能力。

3.2 设计跨学科综合性实验项目

跨学科整合的关键在于实践。教师应设计综合性实验项目，如：“测量小灯泡电功率”，融合物理、数学和化学等知识；“观察植物细胞呼吸作用”实验，结合生物学和化学知识，探究生命活动与化学反应的联系；“测绘校园地图”项目，整合地理、数学和信息技术知识，锻炼学生的空间思维和数据处理能力。这些项目的引入，能增强学生动手实践能力，促其综合运用知识，从中体验学科交叉的魅力。为了进一步说明跨学科实验项目的设计作用，笔者以一个详细的实验方案加以说明。

实验名称：探究植物光合作用的影响因素。

实验目的：理解光合作用的基本原理；探究光照强度、二氧化碳浓度对光合作用的影响（图3）；学习数据采集、分析和图表绘制的方法。

实验材料：金鱼藻、烧杯、小气泵、台灯、碳酸氢钠溶液、漏斗、计时器、刻度尺。

实验步骤：准备相同大小的金鱼藻，将其放入装有等量水的烧杯中；设置不同的光照强度（通过调节台灯距离设定）和二氧化碳浓度（通过添加不同浓度碳酸氢钠溶液）；开启小气泵，观察并记录1 min内金鱼藻释放的氧气泡数量；重复实验3次，取实验数据的平均值；根据数据绘制“光照强度-氧气泡数”和“二氧化碳浓度-氧气泡数”的关系图象。

数据分析：指导学生使用电子表格软件处理数据，绘制折线图或散点图，分析变量之间的关系。

跨学科整合点：科学——光合作用原理、气体的制备与检验、光的强度测量；数学——数据处理与函数关系；信息技术——电子表格软件的使用和图表绘制。

【实验意图】通过这个实验，学生不仅能深入理解光合作用的原理，还能提升数据采集、分析和图表绘制的能力，体验多学科知识的综合应用效果。

3.3 开展跨学科教学研讨活动

学校应定期组织跨学科教学研讨活动，以便为不同学科教师提供交流合作平台。科学教师可与数学教师探讨数学建模思想，与地理教师交流地理学教学方法；通过集体备课、“双师课堂”等措施，不断优化教学设计流程，挖掘跨学科元素；跨学科教研能促使教师集思广益，设计综合性实验项目，创设开放、富有挑战性的探究情境^［4］。这些教研活动的开展，有助于营造良好的跨学科教学氛围，促进师生共同成长。为了说明问题，笔者特举一个具体的教研活动案例。

教研活动案例：跨学科主题式教学设计研讨会。

教研活动主题：探索海洋（图4）。

参与学科：社会、科学、数学和信息。

教研活动流程：各学科教师分享与海洋相关的教学内容和难点；以小组讨论形式设计跨学科教学单元；制定评估标准，包括知识掌握、技能应用和学科素养等方面；模拟课堂教学，进行互评和反馈。

具体设计示例：社会——海洋洋流与气候；科学——海洋生态系统、海水成分分析、水压与浮力；数学、信息——数据分析与建模。

综合项目：设计一个探究海洋酸化对珊瑚礁影响的实验方案。

【案例意图】通过这样的跨学科教研活动，教师能够深入探讨如何将不同学科知识进行有机结合，进而设计出既能激发学生兴趣，又能培养其综合能力的教学方案。同时，这种合作模式有助于教师拓展视野，提升自身的跨学科教学能力。

4 跨学科整合的成效反思

4.1 提升学生的综合素质

跨学科整合显著提升了学生的综合素质。笔者对比100名初二学生的学习效果时发现，采用跨学科整合教学的实验组的理论测试平均分为85.3分，比对照组的78.5分高出8.7%；对于实验探究部分，实验组正确率高出对照组15.6%。上述结果表明：跨学科整合有效提升了学生的知识迁移和问题解决能力。

通过参与跨学科学习和实践活动，学生的知识视野得到拓展，思维方式更加灵活多样。在跨学科项目中，学生需要综合运用不同学科的知识和方法，分析和解决复杂的现实问题，从而锻炼了逻辑思辨、创新思维和实践操作等关键能力。此外，跨学科学习为学生提供了团队协作的机会，促进了学生的沟通表达、组织领导等社会性素质的提升。

4.2 拓展教师的教学视野

跨学科整合极大地拓展了教师的教学视野。询问10名参与教学活动的教师后发现，90%的教师认为跨学科教学拓展了自身的知识视野，80%的教师尝试了新的教学方法。由此证明，教师需要站在更高的高度审视学科间的内在逻辑关系，探索知识的交叉点和应用场景。例如，在备课过程中，为了确保教学的高质量，教师就需要广泛涉猎其他学科的知识，了解最新的科学进展和前沿技术应用情况。又如，为了实现不同学科的有机整合，教师需要打破常规的教学模式，尝试新的教学方法和手段，转变教学理念，创新教学策略，提升教学设计和组织能力。

不言而喻，跨学科教研活动为教师专业成长提供了广阔平台，促进了不同学科教师间的交流与合作，非但启发其积极思考，更能拓展其教学思路。

4.3 提高学科的教学质量

跨学科整合显著提高了学科教学质量。从期末考试成绩看，实验组的科学平均分比上学期提高7.5分，而对照组仅提高2.8分。通过学科交叉融合，学生对科学概念的理解更全面、更深入，科学探究能力得到全面发展。学生能够更好地理解科学中的数学模型，对科学原理在其他学科中的应用有了更直观的认识。另外，跨学科整合也促进了其他学科教学质量的提升，使得数学、科学等学科教学更加生动、实用、严谨和科学^［5］。在教学中，一方面学生能够更全面、更立体地认识事物，学习兴趣和动机更加持久，另一方面学生的学科核心素养能得到更好的培养。这种教学模式带动了学校整体教学质量的提升，显著增强了学校的育人效果。

5 结语

总括来说，跨学科整合是提升初中科学实验教学水平、培养学生综合素质的重要途径之一。教学实践充分证明，学科交叉不仅能加深学生对知识的理解，培养学生灵活运用知识的能力，更有助于开阔学生的视野，提高学生的创新意识。因此，在今后的初中科学教学实践中，教师应该树立大科学理念，积极探索初中科学实验教学与其他学科的结合点，以期为学生全面发展创造良好的条件。

参考文献

[1] 倪凯健，李亚子.基于跨学科实践的初中物理实验教学［J］.数理化学习（初中版），2024（01）：54-57.

[2] 陆相乐.初中化学实验教学中的跨学科整合与创新教学方法探讨［J］.求知导刊，2024（01）：44-46.

[3] 高志标，刘青，汪雪梅.跨学科视域下初中理化生实验融合教学探索［J］.新课程评论，2024（02）：50-57.

[4] 关琳.浅谈初中生物跨学科融合创新实验的策略［J］.天天爱科学（教育前沿），2023（11）：117-119.

[5] 范其一.浅谈初中物理实验教学［J］.现代教学，2018（Z3）：152-153. （上接第34页）

[6] 从上述 5 个方面看，“美版”教材编排相对完善且阅读性强，占有明显优势；而“浙教版”教材则存在一定的不足：如在知识体系构建上较多知识点存在关联性弱化现象，内容的呈现方式与实际生活联系不够紧密，栏目设置亟待拓展与补充，插图设置宜适当增加数量，习题设置应增加类型以体现层次性等问题。

[7] 一线教师在实际教学中可以在借鉴“美版”教材优点的基础上，结合自身教学经验，分别从以下几个方面进行强化，以切实提高教学质量。

[8] 知识体系的构建。教师可以围绕大概念、核心概念进行设计，以便做到更加完整与完善。

[9] 教材内容的呈现。教师可以适当增加阅读思考类、拓展提升类素材，不但使教材内容更丰盈，更使学生的阅读分析能力、自学能力得到提升。

[10] 教材栏目的设计。教师可以借鉴“美版”教材，即根据实际学情适当增加部分栏目，以便使学科核心素养的培养落到实处。

[11] 教材习题的选用。教师可以适当增加习题的数量，并体现习题的术语效能、概念深度理解功能、思维的批判性效用和创新能力的培养等。