基于项目式学习的初中物理跨学科实践

摘" "要：《义务教育物理课程标准（2022年版）》新增了“跨学科实践”主题，倡导创设真实的问题情境，旨在提升学生解决真实情境中问题的综合能力。文章基于项目式学习，通过制作“水杯编钟”并借助手机APP让学生更好地理解声音的特性，将科学、工程、技术、艺术有机融合到教学中，以提高学生的关键能力，促进核心素养落地。

关键词：项目式学习；跨学科实践；声音的特性

1" 契合初中物理核心素养的项目式学习

项目式学习（Project-Based Learning，简称 PBL）是一种以学生为中心，基于任务、问题驱动学生解决实际问题，通过制作某一个特定的“产品”或完成某一项特定的“任务”，从而完成相关知识学习的教学方式。通过PBL学生主动地探索现实世界的问题和挑战， 在这个过程中锻炼学生的关键能力，除此以外，对项目的选择也让学生更早和更深入地面对和解决现实生活中的问题。

随着《义务教育物理课程标准（2022年版）》的落地，初中物理教学更加注重科学探究，突出问题导向，强调真实问题情境的创建，培养学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等素养。新课标进一步强化了物理教学的学科功能与育人价值，在课程内容上新增了“跨学科实践”一级主题，这就要求教师在教学中要立足初中物理课程，将教学内容拓展到日常生活、工程实践和社会热点，依据真实问题的解决需要创设真实情境，让学生在实现学习目标和解决问题的过程中提高实践能力和核心素养[ 1 ]。

因此，基于项目式学习的物理课程可以充分体现跨学科性和实践性特点，能够让学生积极主动地投入学习，有效地提升学生的核心素养。本文基于项目式学习，以“声音的特性”跨学科教学为案例进行教学设计，尝试将课堂的主导权还给学生，以学生为主体，开展此节课。

2" 基于项目式学习的“声音的特性”跨学科教学设计案例

2.1" 项目导入

[导语] 为了欣赏各种乐音，千百年来世界各地、各民族人们发明了各种各样的乐器。请大家看屏幕上展示的编钟就是中国古代重要的一种打击乐器——编钟，它由青铜铸成按照大小不同依次排列，用锤或棒分别敲打铜钟就能发出不同的乐音，按照音谱敲打，就可以演奏出美妙的乐曲。曾侯乙编钟的出土改写了世界音乐史，是中国迄今发现数量最多、保存最好、音律最全、气势最宏伟的一套编钟，证明了中国历史上已成功解决一钟双音在物理学、音乐学、铸造学上的一系列难题，代表了中国先秦礼乐文明与青铜器铸造技术的最高成就。

[展示] 视频播放曾侯乙编钟演奏的《茉莉花》。教师引导学生思考：曾侯乙编钟的发声原理是什么？同学们能不能仿照曾侯乙编钟的发声原理利用玻璃杯自制一个简单的“水杯编钟”？

设计意图：通过曾侯乙编钟的引入，创设学习情境，让学生了解中国古代先进的礼乐文明和青铜器铸造技术，增强文化自信。再通过曾侯乙编钟演奏《茉莉花》，给学生强烈的代入感，从而提出问题：如何仿照曾侯乙编钟的发声原理自制“水杯编钟”？引导学生投入到真实的探究中，激发学生的学习兴趣。

2.2" 项目设计

[出示] 教师提供如图1所示的器材：高脚杯（7个一组）、木棒、自来水、注射器、记号笔。

[讨论] 小组讨论：如何根据以上器材完成“水杯编钟”的制作？学生根据曾侯乙编钟的构造、大小及演奏的视频分析，不难得出编钟可以演奏音乐是因为敲击每个大小不同的钟时发出声音的高低不同，分别对应了“Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si”不同的音阶，所以可以仿照编钟的发声原理通过敲击玻璃杯的方式让其发出声音，并且可以通过改变杯中的水量来改变声音的高低。

[分享] 学生交流制作的方法，聚焦如何实现不同音符的演奏。学生：往杯中加水，再用注射器微调杯中的水量，从而改变敲击玻璃杯时发出声音的高低，让敲击各玻璃杯时发出的声音和“Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si”七个音阶对应起来，就可以演奏曲子了。

[思考] 如何尽可能确保敲击每个玻璃杯时发出的声音和不同音阶对应的准确性？

[结论] 教师介绍：可以借助手机物理工坊APP“音频自相关”功能，通过手机麦克风采集敲击玻璃杯发出的声音从而相对准确地找到“Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si”七个不同的音阶。

[结语] 按照提前分好的小组，合作完成“水杯编钟”的制作。

设计意图：通过利用简单的生活用具和器材进行有关声现象的探究和实验， 培养学生动手实践能力的同时，掌握相关物理知识和音乐知识，进而使学生逐步形成充分利用手边器材进行科学研究的习惯；利用高脚杯而不用普通的玻璃杯，可以增强观赏性，培养学生的审美情趣。通过指导学生尝试利用手机物理工坊APP来校准音准，使学生学会应用信息技术手段来解决探究过程中遇到的实际问题。

2.3" 项目实施

[操作] 学生分组动手操作，教师巡视指导。

[展示] 学生动手完成“水杯编钟”的制作。以小组为单位按顺序上台展示：敲击出“Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si”七个不同的音，教师对每个组的展示进行点评并指导学生改进。

设计意图：在调制音阶过程中，学生需要不断往水杯中加水或吸水，整个过程中学生充分体验加水、微调、试音、音准校对等探究环节，培养学生严谨、认真、踏实的科学态度。学生通过展示在视听盛宴中享受乐音与演奏带来的乐趣，极大调动了学生参与课堂的积极性。另外教师对各组的展示进行打分，对学生学习进行过程性评价，能够充分发挥学生的主观能动性，让更多同学参与到课堂教学中。

[思考] 师：刚才各组展示的过程中，同学们观察到敲击每个杯子发出声音有什么不同？

生：敲击每个杯子发出声音的高低不同。并且杯中水量越多，敲击杯子发出的声音就越低，水量越少，敲击杯子发出的声音就越高。

师：物理学中，把声音的高低称为音调。那么，音调与物体的振动有什么关系呢？

师：通过之前的学习我们知道，声音是以波的形式传播的。我们可以尝试借助手机“Oscilloscope”APP把声音的波形展现出来，然后通过观察声音的波形来分析声音的音调与物体的振动有什么关系。

[操作] 各组再次通过自制“水杯编钟”尽量用相同的力度敲击出“Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si”七个不同的音阶，并利用“Oscilloscope”APP把敲击不同杯子发出的声音的波形记录下来，如图2所示，最后进行比较，可以清楚地看到，高音调的波形更密集一些，低音调的波形比较稀疏。

[结论] 声音波形的疏密程度反映了物体振动的快慢。物理学中，物体振动的快慢用每秒振动的次数来表示，称为频率，单位是赫兹（Hz）。所以根据刚才的现象可得：音调与发声物体振动的快慢有关，物体振动越快，音调就越高。

[思考] 如果用大小不同的力敲击同一个杯子，同学们听到的两次声音又有何不同？

生：两次敲击杯子发出声音的大小（强弱）不同。并且用较大的力敲击杯子发出的声音越大（强），用较小的力敲击杯子发出的声音越小（弱）。

师：物理学中，把声音的大小（强弱）称为响度。那么，响度又与物体的振动有什么关系？该如何探究呢？

生：可以尝试运用刚才探究音调的方法，用大小不同的力敲击同一个杯子，然后利用“Oscilloscope”APP把声音的波形记录下来，最后进行比较。

[操作]各小组用大小不同的力敲击同一个杯子，利用“Oscilloscope”APP把声音的波形记录下来，如图3所示，可以清楚的看到，声音越大，声波幅度越大；声音越小，声波幅度越小。

[结论] 声波的幅度反映了物体振动的幅度。所以根据刚才的现象可得：响度与发声物体振幅有关，振幅越大，响度越大。

[思考] 回想课前听到的曾侯乙编钟演奏的乐曲和利用我们刚才自制的“水杯编钟”敲击发出的声音有哪些不同？仅听声音你能判断是谁发出的声音吗？

生：两者发出声音的音调和响度可能不同；我们可以根据声音的品质和特色来分别是何种乐器演奏的声音。

师：我们还可以再用“Oscilloscope”APP记录一下两种声音的波形，如图4所示，对比二者的不同。

师：实验结果发现，两种声音的波形结构是不同的。物理学中，我们把声音的品质和特色称为音色。刚才声音的波形结构反映的就是声音的音色，不同物体发出的声音，音色是不同的。因此，我们才能分辨不同人的讲话、不同乐器的演奏等。

[结语] 通过刚才的探究，我们知道了声音的三种特性，分别是音调、响度与音色。下面我们再利用自制的“水杯编钟”，通过练习后演奏出一段完整的曲子，老师将进行评分。

设计意图：通过让学生敲击出“Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si”不同的声音，让学生根据乐理知识分析这些声音的不同之处，可以得到是声音的“调”越来越高，由此引出音调的概念；又让学生先后用大小不同的力敲击同一个杯子，让学生明显感觉到声音大小的不同，引出响度的概念；最后通过比较曾侯乙编钟演奏的乐曲和“水杯编钟”敲击发出的声音，让学生思考曾侯乙编钟演奏和“水杯编钟”发出的声音为何明显不同，引出音色的概念。探究过程中借助“Oscilloscope”APP来显示不同声音的波形，应用信息化手段丰富学生的学习体验，让学生经历科学探究过程，促进学生对声音波形的理解。

2.4" 项目展示

[练习] 教师将《小星星》《欢乐颂》《阿佤人民唱新歌》三首曲子的简谱打印好分发到各组，各组根据自身实际乐理水平选择练习演奏三首曲子中的一首。

[展示] 练习结束后，开展“水杯编钟音乐会”。各组按顺序依次上台表演，教师对演奏作品的质量和表现进行评分，评价维度和标准如表1所示。

各组表演结束后，教师分别用葫芦丝、自制“水杯编钟”示范演奏《阿佤人民唱新歌》。

设计意图：选取三首难度不同的曲子，主要是考虑到不同学生乐理知识的水平和能力不同，学生可以根据自己的实际情况和水平选择适合的曲子，充分尊重学生，给学生提供了选择的可能性。学生成功完成“水杯编钟”的制作，给学生充分的练习时间，让学生能够更好地将演奏的曲子呈现给大家，调动学生的积极性。最后教师分别用云南少数民族传统乐器葫芦丝、自制“水杯编钟”示范演奏《阿佤人民唱新歌》，使学生了解民族乐器，传承民族文化，升华本节课主题。

2.5" 项目评价

（1）观察刚才老师演奏的葫芦丝，它的发声原理是什么？它是如何改变音调和响度的？

（2）老师分别用葫芦丝和自制“水杯编钟”演奏了同一首曲目，两次演奏发出的声音有何不同？

（3）自制“水杯编钟”除了可以用敲击的方式让其发声，还可以通过什么方法让其发出声音？后者与前者发声原理相同吗？

设计意图：对学生的知识、能力、思想方法进行形成性评估，明确教学中的问题和改进的方向。

3" 总结与反思

基于项目式学习的初中物理教学，以极强的综合性和实践性盘活了整个物理课堂，对初中物理课程的育人功能起着积极推动作用。本文以“声音的特性”为例，从跨越千年的曾侯乙编钟演奏音乐为情境出发，以项目形式来铺开跨学科教学，在实际教学中以跨学科知识与技能的整合为基础，以小组合作学习为条件，通过自制“水杯编钟”，丰富了学习的内容，启迪了学生的思维，带领学生在学习物理的同时促进学生观察、提问、设计、表达、质疑、合作、沟通等指向问题解决和核心素养的综合能力的提升，发展学生的核心素养。

总之，基于项目式的学习，有助于培养学生的科学思维和解决实际问题的能力。教师应该在物理课程教学中灵活运用项目式学习，加强日常生活、工程实践和社会热点与初中物理课程的融合，落实义务教育物理课程标准，培养学生核心素养。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022.