跨学科视域下的“简易太阳能热水器”项目学习：初中物理核心素养融合培养的实践探索

一、跨学科项目学习的设计依据与目标定位

初中物理核心素养是学生通过物理学习逐步形成的关键能力和必备品格，主要包括物理观念、科学思维、科学探究与创新、科学态度与责任四个维度。新课标以核心素养为导向，明确提出要加强跨学科实践，倡导通过“做中学”“用中学”引导学生将物理知识与其他学科融合，在真实情境中提升综合素养。

“简易太阳能热水器”项目的设计立足物理学科核心知识，通过多学科视角实现知识的整合与应用。项目从物理学科来看聚焦能量转化规律、热传递方式、材料导热性等核心内容。从工程技术角度涉及装置结构设计、材料选择与优化。从数学学科切入需要通过数据记录与分析验证装置性能；从环境科学维度，则延伸至可再生能源利用与可持续发展理念。项目以“设计 - 制作 - 优化”太阳能热水器为任务主线引导学生在解决“如何提高太阳能利用效率”的真实问题中，综合运用多学科知识，培养科学探究能力、创新意识和团队协作精神，最终实现物理核心素养的全面落地。

二、“简易太阳能热水器”项目学习的课堂实践路径

（一）项目实施阶段与核心素养落地策略

在教学实践准备阶段教师以真实情境激活学习动机，结合跨学科知识搭建认知框架。课堂以“全球能源危机下的可再生能源开发”为议题导入，播放太阳能热水器在偏远地区应用的纪录片，引导学生思考“如何设计一款低成本、高效能的简易太阳能热水器”。教师通过“问题链”梳理跨学科知识关联：物理层面聚焦“太阳能如何转化为内能”“不同材料的吸热与保温性能差异”；数学层面明确“如何用数据记录温度变化”“如何绘制升温曲线并分析规律”；工程技术层面则探讨“装置结构如何实现集热与保温的平衡”。学生分组查阅资料，完成《跨学科知识清单》，例如某小组在梳理“热传递方式”时，自发关联生物课“动物毛发保温原理”，为后续材料选择埋下伏笔。

实践阶段教师通过“设计 - 制作 - 测试”三阶任务推动深度探究，全程嵌入核心素养培养节点。在“方案设计”环节，学生需提交包含“集热装置结构”“材料清单”“预期效果”的方案书，教师重点指导科学思维的规范性。例如要求学生用流程图呈现能量转化路径，用表格对比不同材料的成本与性能。“动手制作”环节采用“实验室 + 生活场景”双空间模式：实验室提供温度计、秒表等工具，学生测量不同颜色涂层的吸热效率。家庭场景中利用废旧塑料瓶、泡沫箱等材料组装原型，某小组因发现“倾斜放置的集热板升温更快”，主动查阅地理资料验证“太阳高度角与受热面积的关系”。“性能测试”环节设置“标准测试流程”，要求在相同光照条件下，每隔 10 分钟记录水温变化并用数学公式计算“单位时间升温速率”，培养数据处理能力与证据意识。

总结阶段通过多维展示与反思促进素养内化。学生以小组为单位进行“三维度汇报”：实物展示、数据报告、改进方案。教师设置“跨学科反思角”，引导学生关联多学科视角。例如讨论“热水器保温层厚度与成本的关系”时，引入经济学“投入产出比”概念。分析“黑色涂层吸热原理”时延伸至化学“物质对光的吸收光谱”知识。某小组在反思中提出“将装置与植物栽培结合”，体现科学态度与社会责任的延伸。

（二）典型课堂案例片段与素养培养细节

案例1：材料导热性对比实验中的科学思维培养

在探究“集热材料选择”时教师提供金属片、塑料板、木板三种材料，要求学生设计实验比较导热性能。学生最初仅计划“用手触摸感受温度”，教师追问：“如何让实验结果更可靠？”引导学生运用控制变量法：将三种材料裁剪为相同尺寸同时置于 60℃热水中，5 分钟后用温度计测量表面温度。实验中某小组发现金属片温度最高但散热快，木板温度较低但保温持久，进而提出“金属-木板复合结构”的设想。此过程体现“观察-质疑 - 推理 - 创新”的科学思维链条。教师进一步要求用数学语言描述规律，学生通过计算“温度变化速率”得出结论：金属材料导热效率是木板的 3.2 倍，但 20 分钟后复合结构的温度比纯金属高 4℃，为后续装置优化提供数据支撑。

案例2：保温性能优化中的创新实践与问题解决

针对“热水器散热过快”的共性问题某小组尝试在装置外层包裹泡沫塑料，但测试发现保温效果提升有限。学生在讨论中联想到“冬天穿羽绒服更保暖”的生活经验，提出“空气隔热层”方案：将两个相同的塑料瓶嵌套，中间填充干燥棉花，形成双层保温结构。为验证效果，他们设计对照实验：相同条件下，普通装置 1 小时内水温下降 12℃，改良装置仅下降5℃。但新问题随之出现——双层结构增加了装置重量，学生又通过“镂空棉花填充”“优化瓶盖密封性”进一步减重。整个过程中，学生经历“发现问题 - 关联经验 - 设计方案 - 验证改进”的完整探究流程，其创新方案被其他小组借鉴，体现“协作共享”的科学态度。

案例3：跨学科知识整合中的责任意识渗透

在“可持续发展”主题讨论中，学生发现市场上太阳能热水器多采用金属支架，成本较高且易锈蚀。某小组提出“利用竹材制作支架”的本土化方案，并用物理知识分析竹材的承重性能，用数学公式计算“支架倾斜角度与承重的关系”，最终制作出成本仅为金属支架 1/5 的竹制支架。教师借机引入“绿色工程”理念，引导学生思考“如何在技术创新中兼顾环保与成本”，学生在实验报告中写道：“科学发明不仅要高效，更要让所有人用得起。”这种从“知识应用”到“社会关怀”的升华，正是科学态度与责任素养的生动体现。

三、结语

“简易太阳能热水器”项目学习突破单一学科界限，以真实问题驱动跨学科整合，不仅帮助学生构建系统的物理知识网络，更通过实践探究培养了科学思维与创新意识。案例中学生将生物保温原理、地理太阳高度角知识融入设计，体现学科间的有机联结；竹制支架等本土化方案则彰显科学态度与社会责任的升华。该实践为初中物理教学提供了“做中学”的有效路径，启示教学需立足核心素养，通过真实情境与跨学科任务，促进学生从知识掌握向综合素养提升的转变。

参考文献

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