补弱增强,相得益彰:数学与物理深度融合下思维的培养  

作  者:

作者简介:
黄秀旺,江苏省南京市江宁区教学研究室;周杨,江苏省南京市六合区金牛湖初级中学.

原文出处:
中学数学

内容提要:

以“加速度”为例,让学生经历原理建构、解释与应用的过程,体现数学与物理的深度融合,协同塑造从具象现象—抽象模型—量化求解的完整科学思维链条,实现“数学为物理提供思维脚手架,物理为数学赋予现实锚点”的应有之义.


期刊代号:G352
分类名称:初中数学教与学
复印期号:2026 年 01 期

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  一、问题的提出

  《义务教育课程方案(2022年版)》在“基本原则”中明确提出:“加强课程综合,注重关联.加强课程内容与学生经验、社会生活的联系,强化学科内知识整合,统筹设计综合课程与跨学科主题学习.”其中,跨学科主题学习通常是围绕真实情境中的问题、任务或项目来整合不同学科的知识、观念、方法与思维方式,以促进学生全面理解问题,提升解决实际问题的能力.

  《义务教育数学课程标准(2022年版)》(下简称“新课标”)在课程总目标中提出:“综合与实践领域的数学活动,以解决实际问题为重点,以跨学科主题学习为主,以真实问题为载体,适当采用主题活动或项目学习的方式呈现,着力培养学生创新意识、实践能力、社会担当等综合品质.”[1]

  显然,跨学科主题学习在新课标中得到了特别关注,但如何做好跨学科主题学习,留给一线教师及教学专家以更大的空间.初中数学与物理有紧密的联系,这为构建数学与物理深度融合奠定了基础,本文中的例子试图通过设计跨学科的项目任务,引导学生综合运用数学与物理知识,培养思维和创新能力.

  二、初中数学与物理深度融合的基本意蕴

  二十世纪六七十年代流行一个口号“学好数理化,走遍天下都不怕”,当时国家亟须理工科人才推动现代化建设,数理化成为选拔人才的核心标准,这一口号是特定历史条件下的产物.但从另外一个角度也说明,数理化这三个学科有其共性之处.我们俗称“数理不分家”,一点不过分,数学中很多理论来自于物理学科,同时又推动了物理学科理论的发展和问题的解决.初中数学与物理的关联性主要体现在以下三个方面:

  首先,数学对物理的基础支撑作用.突出表现在两个方面:一是函数思维的贯通性.初中数学的函数概念(特别是正反比例函数、一次函数)是物理运动规律(如匀速运动公式s=vt)的底层逻辑工具,二者均需通过函数图象描述变量关系.二是运算能力的核心地位.数学的代数运算、解方程等能力直接决定物理公式变形与相关问题的解决.

  其次,数学与物理具有实验探究的共性方法论.一是量化分析范式,两科均要求通过实验收集数据,并运用数学工具(如表格、坐标系)进行可视化分析.例如,物理中电阻测量的计算均需数据拟合验证规律.二是控制变量法的通用性.物理中探究力与加速度的关系、数学中验证函数性质时,均需严格遵循单一变量原则设计实验方案.

  最后,数学与物理具有思维模式的进阶共性.比如,从具象到抽象的跃迁.物理学研究中常需将生活现象(如自由落体)抽象为质点运动模型,而数学学科常需将实际问题转化为函数或几何模型,二者共同完成从经验认知到理论建模的思维升级.又如,逻辑推理链条的构建.物理的力学分析、数学的几何证明均依赖严密的因果推理.

  然而,在日常的数学教学中,更多的是需要物理中的例子作为数学知识点的引例,而物理更多的是以数学方法、理论为基础来解决物理问题,至于物理问题如何表示为数学问题涉及较少,导致数学与物理教学之间“深度握手”的机会少,这需要数学与物理之间相互延伸.其他学科间也存在不同程度的此类问题,最终导致没能形成最大的合力[2].

  初中数学与物理深度融合是以项目学习的方式,基于真实情境进行问题解决,促进学生理解数学与物理之间的相互依赖关系,培养他们的符号表达、建立模型的科学思维和核心素养.数学与物理都有其相应的知识体系,但有些内容存在相互依赖的关系,在解决本学科问题时,所运用的一般观念、方法与思维方式也有相同或类似之处.

  《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》指出:“物理学基于观察与实验,建构物理模型,应用数学等工具,通过科学推理和论证,形成系统的研究方法和理论体系.”数学与物理学科的相关知识的融合既符合数学课标的理念,也反映了物理课标的理念.数学教学可分为两个大的方面:一是传授数学知识;二是应用数学知识解决实际问题,这里的实际问题可以是数学学科中的实际问题,也可以是数学学科之外的实际问题,如物理、化学、生物等学科.因此数学与物理的“融合”,实质上是数学应用广泛性的体现,教学中理应加强.

  三、教学过程

  以“加速度”为主题的项目式学习,依据项目式学习的特点,强化基于真实情境下问题的解决为中心,学生为主体全程参与,组织课外与课内研究.课外借助教师下发的材料及网上资源,了解物体直线运动的多种情形,并有意识观察家庭小汽车在起步及停车过程中的速度变化特点,与匀速直线运动做比较,收集相关材料,提升对匀加速直线运动的感性认识;课内开展探究活动,经历从抽象模型到应用求解的思维过程.

  (一)情境导入,初步探究

  问题1 一辆汽车在10s内速度从0达到30m/s,一列火车在20s内速度从50 m/s达到30 m/s.你能描述汽车与火车的运动过程吗?

  追问1:汽车与火车的平均速度分别是多少?

  

  追问2:如何描述汽车与火车速度的变化情况?

  生2:从平均速度来看,火车大于汽车;从速度变化来看,汽车每秒增加3m,火车每秒减少1m,汽车大于火车.

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