科学和工程实践视角下高中理科跨学科学习活动的课程建设研究

前言：

随着全球科技的飞速发展，科学与工程跨学科学习活动的设计变得尤为重要，能够促进学生批判性思维、创造性解决问题能力的发展，还能够在实际操作中加深他们对理论知识的理解。通过本次研究，我们将探讨如何设计和实施这样的课程，使之既能反映最新科研成果，又能贴近学生的兴趣和生活实际，从而激发他们的内在动力。

一、高中理科跨学科学习活动的课程建设的优势

（一）促进学生综合能力的提升

跨学科学习能够帮助学生从多个学科的角度来分析和解决问题，从而促进学生的综合能力培养[1]。例如，在学习地理知识时，通过融合物理学的“重力势能和动能的转化原理”来分析河流地貌的成因，学生可以更深入地理解河流流速变化对物质搬运能力的影响。这样的学习方式不仅增强了学生的地理知识，还提升了他们运用物理知识解决实际问题的能力。

（二）拓宽学生的知识视野

跨学科学习涉及多个学科的知识和概念，能够帮助学生拓宽知识视野，深入了解不同领域的知识。以“化工企业搬迁问题”听证会活动为例，学生从地理、政治、化学等学科角度讨论化工企业的去留对地区的主要影响。这样的活动不仅让学生了解了地理环境和政治决策的重要性，还让他们认识到化学技术在工业生产中的应用及其对环境的影响，从而增加了对学科的兴趣和理解。

（三）培养学生的创新思维和实践能力

科学和工程实践视角下的跨学科学习注重学生的实践能力和创新思维培养。例如，在学习“小小的鸡卵，大大的世界”这一主题时，学生通过解剖鸡蛋、观察其内部结构，并结合生物学、物理学和化学知识来解释鸡蛋壳的坚硬与脆弱特性。这样的实践活动不仅锻炼了学生的动手能力，还激发了他们探索未知世界的兴趣和创新思维。

二、科学和工程实践视角下高中理科跨学科学习活动的课程建设策略

（一）以实际问题为导向，实施主题式跨学科整合

选择具有现实意义且涉及多学科知识的主题，如“城市可持续发展”，在该主题下，地理学科可以探讨城市空间布局、人口分布与环境问题等等，学生能够在解决实际问题的过程中，综合运用多学科知识，形成跨学科的学习思维[2]。

例如：在教学《走向人地协调——可持续发展》时，教师可以通过展示当前城市面临的环境压力，比如空气污染、水资源短缺、垃圾处理难题以及生态系统破坏等问题，引发学生的共鸣。使用多媒体资源，如纪录片片段、新闻报道或互动地图，让学生直观感受到这些问题的紧迫性和普遍性。这种引人入胜的情境设置有助于激发学生的兴趣，使他们认识到可持续发展不仅仅是一套抽象的概念，而是关乎每个人生活质量的现实议题。接下来，按照不同的子话题分配学生进入不同小组，每个小组负责研究一个特定方面的问题，如生态平衡、能源管理、绿色建筑或社区规划等。这种分组方式促进了不同学科间的交流，每组成员来自地理、生物学、物理学、经济学甚至艺术等多个领域，确保了多元化的思考角度。

各小组开始收集信息，包括阅读专业文章、观看 TED 演讲、访问在线数据库等，以此了解各自专题的历史背景、现有解决方案及潜在挑战。教师在此过程中充当指导者角色，帮助学生筛选高质量的信息来源，并提出关键问题来引导深层次讨论。例如，“为什么某些地区更容易遭受水危机？”、“可再生能源设施如何影响周边生态环境？”这些问题是跨越多个学科边界的，需要运用地理知识解读自然条件，同时结合工程技术评估可行性，再用经济理论衡量成本效益，最后可能还需融入社会科学观点来考虑公众接受度。

为了加深理解，学生被鼓励开展小型实证研究，如调查本地垃圾分类现状、测量学校能源消耗情况或评估城市绿化率。在此基础上，部分高级班级或许还可尝试一些模拟实验，利用软件工具模拟城市扩张对气候模式的影响，或是设计低碳交通方案，通过编程实现动态模型演示。这类活动不仅能加强具体技能训练，也进一步提升了理论应用水平。

（二）通过项目式学习，促进跨学科知识与实践的融合

设计跨学科的项目式学习活动，如“校园雨水收集与利用系统设计”，学生需要运用地理知识分析校园地形与降雨规律，结合物理和化学知识设计雨水收集与处理装置，同时考虑生物因素对水质的影响，培养学生解决实际问题的能力[3]。

例如：教学《大气受热过程和大气运动》时，让学生设计和实施一套雨水收集与循环利用系统，来改善校园内部的小气候，同时减轻水资源浪费，提高整体生态友好性。这一活动不仅仅是理论知识的简单应用，而是将物理、化学、生物学等多个学科的内容与实践紧密结合，引导学生亲自动手解决问题，实现跨学科学习的目标。

项目启动初期，教师首先会引导学生们回顾大气受热过程和大气运动的基础理论，包括太阳能辐射、温室效应、大气环流等关键概念。随后，分成四个主要的跨学科学习小组，分别是物理组、化学组、生物环境组和技术工程组。每一组都有其特定的任务：物理组需测量和记录校园不同地点的日照时间和气温变化，化学组则要检测雨水中的污染物成分并研究净化方法，生物环境组着手探索植物对空气净化的效果，而技术工程组则负责设计雨水收集系统的具体实施方案。

实践阶段，各小组将分工合作，使用先进的设备和工具进行精准的数据采集与分析。物理组利用现代传感技术监测温度、湿度的变化，化学组在实验室条件下实验各种净水技术，生物环境组栽种不同类型的植物观察生长状况，技术工程组则借助计算机软件绘制出详细的系统架构图，通过一系列实验验证，学生们的动手能力和创新能力得到了显著提升。

（三）利用情境模拟与实验探究，增强跨学科学习体验

通过模拟真实世界中的跨学科问题，如“气候变化对农业生产的影响”，并设计相关实验进行探究，能够使学生在实践中深化对跨学科知识的理解[4]。

例如：教学《农业区位因素及其变化》时，教师可以设置一个虚拟但贴合现实的场景，例如设想某个区域因全球变暖而遭遇干旱，严重影响了当地的农业生产。接着，将学生分为几个小组，分别承担不同的研究方向：一组研究土壤特性、水源供给和灌溉系统；另一组分析未来几十年的天气趋势；第三组则探索经济层面的因素，如成本效益分析和市场需求预测；最后一组关注社会文化对农业生产的影响，如政府政策和个人偏好。这样的设置促使学生从多个维度思考问题，增强了学习的广度和深度。

然后，各小组将进行一系列的实验和数据分析，利用 GIS 技术模拟干旱对土地的影响，尝试种植抗旱作物，甚至进行小规模的经济模拟，以预测市场的反应。这些实践活动不仅让学生亲手操作，而且在实践中深化了对理论知识的理解，提高了实际操作技能。

（四）构建跨学科团队协作模式，促进知识共享与思维碰撞

组建跨学科学习团队，鼓励学生与来自不同学科背景的同学合作，共同解决跨学科问题，学生能够学会倾听、尊重并借鉴不同学科的观点，促进知识的共享与思维的碰撞。

例如：在教学《问题研究—城市交通如何疏堵》时，选定一座拥有典型拥堵问题的城市。每个小组可以选择一个子课题，比如公交优先车道的有效性、共享单车系统的影响、远程办公对通勤需求的改变、公共交通票价策略或者驾驶员行为习惯。通过细致分工，各个小组分别进行文献综述、实地考察、数据收集和分析等工作，同时保持密切沟通，确保信息流畅无阻。

在这一阶段，教师扮演着指导者的角色，监督进程并提供建议。比如，可以利用卫星图像和交通摄像头数据来可视化城市交通流量，利用统计软件分析早晚高峰时段的交通特征，或进行心理问卷调查了解市民对公共交通的看法。

中期审查会上，小组之间相互展示阶段性成果，进行思想交锋和资源共享，不同领域的视角交汇，往往能激发新的灵感火花，推动研究向纵深发展。比如，信息技术组发现，通过算法优化信号灯配时可以有效减少路口等待时间；经济学组指出，加收拥堵费虽然能短期内降低车流量，却可能加剧低收入群体负担；心理学组则提醒，人们出于便利和舒适性的考虑，可能抵触公共交通，因此提高服务质量至关重要。

最终，整合所有资料，制定一份综合报告，提出切实可行的建议，比如短期措施（如增设自行车道、优化红绿灯）、中期战略（如建设地铁轻轨网）和长期愿景（如推广无人驾驶汽车）。能够激发学生的学习兴趣，提升学习效率与质量，为跨学科学习活动的课程建设提供有力保障。

（五）建立跨学科学习讨论与评价机制，促进深度学习

引导学生进行跨学科学习的讨论，包括学习过程中的困难、收获与改进方向，建立多元化的评价机制，以全面评估学生的跨学科学习成效，有利于不断提升学生的学习能力。

例如：在教授《河流地貌的发育》这一课程时，采用跨学科的学习方式不仅能加深学生对自然地理过程的理解，还能激发他们的创造力和批判性思维。教师可组织一次实地考察，带领学生前往当地具有代表性且安全可控的河段，如河源、河曲、瀑布或三角洲等地貌景观处。在那里，他们可以直接观察水流作用下的地貌形成与演变过程，感受大自然的鬼斧神工。例如，在河源地带，学生可以见证细流汇聚成河的壮观景象；而在河口处，则能看到河水与海洋交融造就的丰富生态系统。

回到课堂上，分发地图、遥感影像和三维地形模型，让学生识别河流沿线的主要地貌形态，分析造成它们的原因。这里，可以从力的角度解释侵蚀与沉积过程；着眼于溶解搬运物质；生物学家关注河流生态系统多样性；提供大尺度视角下的人类活动影响。通过小组讨论，学生整合信息，形成更为立体的认知框架，提高地理课堂的教学质量。

实践活动结束后，学生再次集合，分享他们的观察结果，讨论哪些预测得到了证实，哪些假设需要重新考虑，教师也在这个过程中评价学生的学习表现，教师应始终坚持以积极肯定为主的态度，即使是在指出错误或改进空间时，也应该先强调学生的优点和努力，以此奠定对话的良好基调。例如：“你在本次活动中展示了出色的团队协作精神，你的细心观察为小组发现了几个关键数据。不过，在数据分析方面，如果能再多加审慎，相信你们的结论会更加可靠。”激发学生的好奇心和学习欲望，帮助他们树立正确的价值观和成长心态。

总结：

经过深入分析与实践探索，建立一种“做中学”的教学模式，要求教师具备深厚的学术背景和跨学科视野，还需要他们善于引导学生主动参与，鼓励实验探究和团队合作。通过精心设计的一系列项目式学习任务，学生可以在实践中体验科学原理的应用，同时锻炼工程思维，提升综合素养。

参考文献：

[1]陈土森.高中地理跨学科教学实践研究[J].中学课程辅导,2024,(33):48-50.

[2]曹君,何静.高中理科跨学科教学的实践研究[J].留学,2024,(22):60-61.

[3]祝捷.高中信息技术教学跨学科思维培养研究[J].学周刊,2024,(35):64-66.

[4]柴宗平.县域普通高中跨学科综合课程的开发与研究——以甘肃省L中学为例[J].甘肃教育研究,2024,(20):93-95.