基于項目式學習的初中物理跨學科實踐

摘" "要：《義務教育物理課程標準（2022年版）》新增了“跨學科實踐”主題，倡導創設真實的問題情境，旨在提升學生解決真實情境中問題的綜合能力。文章基于項目式學習，通過制作“水杯編鐘”并借助手機APP讓學生更好地理解聲音的特性，將科學、工程、技術、藝術有機融合到教學中，以提高學生的關鍵能力，促進核心素養落地。

關鍵詞：項目式學習；跨學科實踐；聲音的特性

1" 契合初中物理核心素養的項目式學習

項目式學習（Project-Based Learning，簡稱 PBL）是一種以學生為中心，基于任務、問題驅動學生解決實際問題，通過制作某一個特定的“產品”或完成某一項特定的“任務”，從而完成相關知識學習的教學方式。通過PBL學生主動地探索現實世界的問題和挑戰， 在這個過程中鍛煉學生的關鍵能力，除此以外，對項目的選擇也讓學生更早和更深入地面對和解決現實生活中的問題。

隨著《義務教育物理課程標準（2022年版）》的落地，初中物理教學更加注重科學探究，突出問題導向，強調真實問題情境的創建，培養學生物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等素養。新課標進一步強化了物理教學的學科功能與育人價值，在課程內容上新增了“跨學科實踐”一級主題，這就要求教師在教學中要立足初中物理課程，將教學內容拓展到日常生活、工程實踐和社會熱點，依據真實問題的解決需要創設真實情境，讓學生在實現學習目標和解決問題的過程中提高實踐能力和核心素養[ 1 ]。

因此，基于項目式學習的物理課程可以充分體現跨學科性和實踐性特點，能夠讓學生積極主動地投入學習，有效地提升學生的核心素養。本文基于項目式學習，以“聲音的特性”跨學科教學為案例進行教學設計，嘗試將課堂的主導權還給學生，以學生為主體，開展此節課。

2" 基于項目式學習的“聲音的特性”跨學科教學設計案例

2.1" 項目導入

[導語] 為了欣賞各種樂音，千百年來世界各地、各民族人們發明了各種各樣的樂器。請大家看屏幕上展示的編鐘就是中國古代重要的一種打擊樂器——編鐘，它由青銅鑄成按照大小不同依次排列，用錘或棒分別敲打銅鐘就能發出不同的樂音，按照音譜敲打，就可以演奏出美妙的樂曲。曾侯乙編鐘的出土改寫了世界音樂史，是中國迄今發現數量最多、保存最好、音律最全、氣勢最宏偉的一套編鐘，證明了中國歷史上已成功解決一鐘雙音在物理學、音樂學、鑄造學上的一系列難題，代表了中國先秦禮樂文明與青銅器鑄造技術的最高成就。

[展示] 視頻播放曾侯乙編鐘演奏的《茉莉花》。教師引導學生思考：曾侯乙編鐘的發聲原理是什么？同學們能不能仿照曾侯乙編鐘的發聲原理利用玻璃杯自制一個簡單的“水杯編鐘”？

設計意圖：通過曾侯乙編鐘的引入，創設學習情境，讓學生了解中國古代先進的禮樂文明和青銅器鑄造技術，增強文化自信。再通過曾侯乙編鐘演奏《茉莉花》，給學生強烈的代入感，從而提出問題：如何仿照曾侯乙編鐘的發聲原理自制“水杯編鐘”？引導學生投入到真實的探究中，激發學生的學習興趣。

2.2" 項目設計

[出示] 教師提供如圖1所示的器材：高腳杯（7個一組）、木棒、自來水、注射器、記號筆。

[討論] 小組討論：如何根據以上器材完成“水杯編鐘”的制作？學生根據曾侯乙編鐘的構造、大小及演奏的視頻分析，不難得出編鐘可以演奏音樂是因為敲擊每個大小不同的鐘時發出聲音的高低不同，分別對應了“Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si”不同的音階，所以可以仿照編鐘的發聲原理通過敲擊玻璃杯的方式讓其發出聲音，并且可以通過改變杯中的水量來改變聲音的高低。

[分享] 學生交流制作的方法，聚焦如何實現不同音符的演奏。學生：往杯中加水，再用注射器微調杯中的水量，從而改變敲擊玻璃杯時發出聲音的高低，讓敲擊各玻璃杯時發出的聲音和“Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si”七個音階對應起來，就可以演奏曲子了。

[思考] 如何盡可能確保敲擊每個玻璃杯時發出的聲音和不同音階對應的準確性？

[結論] 教師介紹：可以借助手機物理工坊APP“音頻自相關”功能，通過手機麥克風采集敲擊玻璃杯發出的聲音從而相對準確地找到“Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si”七個不同的音階。

[結語] 按照提前分好的小組，合作完成“水杯編鐘”的制作。

設計意圖：通過利用簡單的生活用具和器材進行有關聲現象的探究和實驗， 培養學生動手實踐能力的同時，掌握相關物理知識和音樂知識，進而使學生逐步形成充分利用手邊器材進行科學研究的習慣；利用高腳杯而不用普通的玻璃杯，可以增強觀賞性，培養學生的審美情趣。通過指導學生嘗試利用手機物理工坊APP來校準音準，使學生學會應用信息技術手段來解決探究過程中遇到的實際問題。

2.3" 項目實施

[操作] 學生分組動手操作，教師巡視指導。

[展示] 學生動手完成“水杯編鐘”的制作。以小組為單位按順序上臺展示：敲擊出“Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si”七個不同的音，教師對每個組的展示進行點評并指導學生改進。

設計意圖：在調制音階過程中，學生需要不斷往水杯中加水或吸水，整個過程中學生充分體驗加水、微調、試音、音準校對等探究環節，培養學生嚴謹、認真、踏實的科學態度。學生通過展示在視聽盛宴中享受樂音與演奏帶來的樂趣，極大調動了學生參與課堂的積極性。另外教師對各組的展示進行打分，對學生學習進行過程性評價，能夠充分發揮學生的主觀能動性，讓更多同學參與到課堂教學中。

[思考] 師：剛才各組展示的過程中，同學們觀察到敲擊每個杯子發出聲音有什么不同？

生：敲擊每個杯子發出聲音的高低不同。并且杯中水量越多，敲擊杯子發出的聲音就越低，水量越少，敲擊杯子發出的聲音就越高。

師：物理學中，把聲音的高低稱為音調。那么，音調與物體的振動有什么關系呢？

師：通過之前的學習我們知道，聲音是以波的形式傳播的。我們可以嘗試借助手機“Oscilloscope”APP把聲音的波形展現出來，然后通過觀察聲音的波形來分析聲音的音調與物體的振動有什么關系。

[操作] 各組再次通過自制“水杯編鐘”盡量用相同的力度敲擊出“Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si”七個不同的音階，并利用“Oscilloscope”APP把敲擊不同杯子發出的聲音的波形記錄下來，如圖2所示，最后進行比較，可以清楚地看到，高音調的波形更密集一些，低音調的波形比較稀疏。

[結論] 聲音波形的疏密程度反映了物體振動的快慢。物理學中，物體振動的快慢用每秒振動的次數來表示，稱為頻率，單位是赫茲（Hz）。所以根據剛才的現象可得：音調與發聲物體振動的快慢有關，物體振動越快，音調就越高。

[思考] 如果用大小不同的力敲擊同一個杯子，同學們聽到的兩次聲音又有何不同？

生：兩次敲擊杯子發出聲音的大小（強弱）不同。并且用較大的力敲擊杯子發出的聲音越大（強），用較小的力敲擊杯子發出的聲音越小（弱）。

師：物理學中，把聲音的大小（強弱）稱為響度。那么，響度又與物體的振動有什么關系？該如何探究呢？

生：可以嘗試運用剛才探究音調的方法，用大小不同的力敲擊同一個杯子，然后利用“Oscilloscope”APP把聲音的波形記錄下來，最后進行比較。

[操作]各小組用大小不同的力敲擊同一個杯子，利用“Oscilloscope”APP把聲音的波形記錄下來，如圖3所示，可以清楚的看到，聲音越大，聲波幅度越大；聲音越小，聲波幅度越小。

[結論] 聲波的幅度反映了物體振動的幅度。所以根據剛才的現象可得：響度與發聲物體振幅有關，振幅越大，響度越大。

[思考] 回想課前聽到的曾侯乙編鐘演奏的樂曲和利用我們剛才自制的“水杯編鐘”敲擊發出的聲音有哪些不同？僅聽聲音你能判斷是誰發出的聲音嗎？

生：兩者發出聲音的音調和響度可能不同；我們可以根據聲音的品質和特色來分別是何種樂器演奏的聲音。

師：我們還可以再用“Oscilloscope”APP記錄一下兩種聲音的波形，如圖4所示，對比二者的不同。

師：實驗結果發現，兩種聲音的波形結構是不同的。物理學中，我們把聲音的品質和特色稱為音色。剛才聲音的波形結構反映的就是聲音的音色，不同物體發出的聲音，音色是不同的。因此，我們才能分辨不同人的講話、不同樂器的演奏等。

[結語] 通過剛才的探究，我們知道了聲音的三種特性，分別是音調、響度與音色。下面我們再利用自制的“水杯編鐘”，通過練習后演奏出一段完整的曲子，老師將進行評分。

設計意圖：通過讓學生敲擊出“Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si”不同的聲音，讓學生根據樂理知識分析這些聲音的不同之處，可以得到是聲音的“調”越來越高，由此引出音調的概念；又讓學生先后用大小不同的力敲擊同一個杯子，讓學生明顯感覺到聲音大小的不同，引出響度的概念；最后通過比較曾侯乙編鐘演奏的樂曲和“水杯編鐘”敲擊發出的聲音，讓學生思考曾侯乙編鐘演奏和“水杯編鐘”發出的聲音為何明顯不同，引出音色的概念。探究過程中借助“Oscilloscope”APP來顯示不同聲音的波形，應用信息化手段豐富學生的學習體驗，讓學生經歷科學探究過程，促進學生對聲音波形的理解。

2.4" 項目展示

[練習] 教師將《小星星》《歡樂頌》《阿佤人民唱新歌》三首曲子的簡譜打印好分發到各組，各組根據自身實際樂理水平選擇練習演奏三首曲子中的一首。

[展示] 練習結束后，開展“水杯編鐘音樂會”。各組按順序依次上臺表演，教師對演奏作品的質量和表現進行評分，評價維度和標準如表1所示。

各組表演結束后，教師分別用葫蘆絲、自制“水杯編鐘”示范演奏《阿佤人民唱新歌》。

設計意圖：選取三首難度不同的曲子，主要是考慮到不同學生樂理知識的水平和能力不同，學生可以根據自己的實際情況和水平選擇適合的曲子，充分尊重學生，給學生提供了選擇的可能性。學生成功完成“水杯編鐘”的制作，給學生充分的練習時間，讓學生能夠更好地將演奏的曲子呈現給大家，調動學生的積極性。最后教師分別用云南少數民族傳統樂器葫蘆絲、自制“水杯編鐘”示范演奏《阿佤人民唱新歌》，使學生了解民族樂器，傳承民族文化，升華本節課主題。

2.5" 項目評價

（1）觀察剛才老師演奏的葫蘆絲，它的發聲原理是什么？它是如何改變音調和響度的？

（2）老師分別用葫蘆絲和自制“水杯編鐘”演奏了同一首曲目，兩次演奏發出的聲音有何不同？

（3）自制“水杯編鐘”除了可以用敲擊的方式讓其發聲，還可以通過什么方法讓其發出聲音？后者與前者發聲原理相同嗎？

設計意圖：對學生的知識、能力、思想方法進行形成性評估，明確教學中的問題和改進的方向。

3" 總結與反思

基于項目式學習的初中物理教學，以極強的綜合性和實踐性盤活了整個物理課堂，對初中物理課程的育人功能起著積極推動作用。本文以“聲音的特性”為例，從跨越千年的曾侯乙編鐘演奏音樂為情境出發，以項目形式來鋪開跨學科教學，在實際教學中以跨學科知識與技能的整合為基礎，以小組合作學習為條件，通過自制“水杯編鐘”，豐富了學習的內容，啟迪了學生的思維，帶領學生在學習物理的同時促進學生觀察、提問、設計、表達、質疑、合作、溝通等指向問題解決和核心素養的綜合能力的提升，發展學生的核心素養。

總之，基于項目式的學習，有助于培養學生的科學思維和解決實際問題的能力。教師應該在物理課程教學中靈活運用項目式學習，加強日常生活、工程實踐和社會熱點與初中物理課程的融合，落實義務教育物理課程標準，培養學生核心素養。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.