基于项目式学习的跨学科实践教学设计研究

摘    要：跨学科实践与项目式学习均强调综合运用多学科知识解决真实问题。基于跨学科实践和项目式学习的理念，以“声与光”为核心内容，融合生物、化学、美术和工程等学科，从项目设计、项目细化、项目实施和评价与反思四个方面展开，建立以“制作放大检耳镜”为例的跨学科实践教学设计框架，促进学生物理核心素养的提升。

关键词：跨学科实践；教学设计与实施；项目式学习；声与光

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）11-0090-6

跨学科实践是新一轮义务教育物理课程改革的重要内容。《义务教育物理课程标准（２０２２年版）》（以下简称“新课标”）的课程内容中增设了“跨学科实践”一级主题，要求“设立跨学科主题活动，加强学科间相互关联”［１］。跨学科教学的核心在于真实的问题情境，旨在解决真实问题的过程中培养学生的问题解决能力，弱化分科教学带来的学生知识碎片化、解决实际问题能力不强和知识迁移度较低等问题［2］。我国初中物理跨学科实践通常以物理学科为起点和终点，以任务、议题为设计形式，发展学生核心素养［3］，但目前我国基础教育改革中跨学科课程教学的实施在理论和实践之间存在落差［4］。跨学科主题学习与项目式学习有类似之处，项目式学习是对复杂、真实问题的探究过程，也是精心设计项目作品、规划和实施项目任务的过程［5］，而跨学科主题学习同样强调真实问题的解决和产品的制作。有鉴于此，研究基于项目式学习，以“制作放大检耳镜”为项目主题，设置驱动性任务并对其细化，设计初中物理跨学科实践教学设计框架。

１    项目设计

“放大检耳镜”作为医用器具，融合了多学科的特征，让学生自己动手制作，不仅能加深学生对相关物理原理的理解，还能让学生从学科整合的视角来审视现实中的真实问题，激发学生的好奇心和创造力，增强学生的动手能力。

项目式学习强调以问题和情境实现任务驱动，基于项目式学习的跨学科教学涉及的知识具有跨学科的特点，任务也较为综合，强调明确项目式主题并细化驱动性任务，引导项目式学习的展开［6］。研究选择新课标一级主题“运动和相互作用”下的二级主题“声和光”，综合生物、美术、工程、医学等学科，以“制作放大检耳镜”为项目主题，设计侧重点不同的“知识迁移”“产品设计”“价值引领”“合作与交流”四个驱动性任务，构建初中物理跨学科实践教学设计框架，项目主题与驱动性任务如图 １所示。

２    项目细化

依据驱动性任务和新课标要求，将项目细化，如表 １所示。

２．１    知识迁移：科学与生产生活的联系

通过“听力检测报告”设置本节课的主线情境，教师引导学生利用“声音的特性”的知识对生活中的问题进行知识识别、关联，自主读图解决问题，锻炼学生的数据收集、处理能力和知识迁移能力。学生在观察图片的基础上对症状进行归纳分类，结合跨学科知识对“耳聋”原因提出大胆猜测，模拟现实生活中解决问题的思路，深化学生对学科和跨学科知识的掌握，锻炼学生的观察、归纳和推理能力。

２．２    产品设计：制作“放大检耳镜”

通过观察和思考一连串的驱动性问题，让学生自己探索并意识到检耳镜中蕴含的光学原理，锻炼学生的观察和动手能力，同时让学生了解检耳镜作为一个工程产品，既要求美观，又讲求功能，还要使用便捷。引导学生查找材料的性质，自主分工、设计、制作检耳镜和说明书，使每个学生都参与到教学之中，锻炼学生的动手和统筹能力。

２．３    价值引领：科学的魅力

学生通过对医疗工程产品的分析与制造，结合“声与光”的知识，思考并总结物理学对日常生活、工程实践和社会发展的意义，同时意识到科技是一把双刃剑，在日常生活中要合理运用科技，并向学生渗透职业规划意识。

２．４    合作与交流：研究成果展示

小组代表利用小组成员擅长的方式展示放大检耳镜，向其他同学分享设计思路、难点以及创新点等，并从科学、工程、艺术的角度完成组内自评和互评，向学生渗透科学共同体、同行评议的观念。

３    项目实施

３．１    知识迁移：科学与生产生活的联系

任务１：分析声音在人耳中的传播。

教师活动：按小组分发人耳模型。教师通过多媒体展示多份不同患者的“听力检测报告”，示例如图 ２所示，向学生介绍听力检测的流程和原理（听力检测名为“纯音听阈测定”，患者需要戴上耳机，待在隔音房中，耳机会向患者播放多种频率固定但分贝不同的声音，来判断患者目前在不同频率下能够听到的最小分贝，从而测定患者的听力水平），并提出问题。

驱动性问题１：观察人耳模型，结合相关知识，小组讨论并向大家介绍患者是如何听到耳机中的声音的？（声音在人耳中如何传播）

驱动性问题２：听力检测过程涉及了哪些物理知识？

驱动性问题３：观察图片的横纵坐标，解释图片所呈现的物理意义，描述患者目前的听力状况。

学生活动：①通过观察人耳模型，在已经学习的“人耳的结构和功能”以及“声音的产生与传播”的基础上，认识到空气振动产生声波穿过外耳道引起鼓膜振动，振动产生的信号通过听小骨及其他组织传给听觉神经，听觉神经把信号传给大脑，人就听到声音了。②学生仔细观察“听力检测报告”，根据图中“频率”“分贝”单位，推断出图片横纵坐标分别为“音调”和“响度”。同时，通过理解教师讲解的听力检测流程和原理，认识到声音的传播需要介质。③通过小组探讨认识到图片所表达的含义，并组织语言找寻合适的表述方式，示例：“图中纵坐标单位是分贝，横坐标单位是千赫兹，所以纵坐标指的是声音的响度，横坐标指的是声音的振动频率，是音调。图2中左侧坐标图显示，横坐标为０．１２５ kＨｚ、０．２５0 kＨｚ、０．５00 kＨｚ、０．７５0 kＨｚ的坐标点对应的纵坐标为６０分贝～７０分贝，而横坐标为８ kHz、４ kHz、２ kHz的坐标点对应的纵坐标为１０分贝。０分贝是刚刚引起人听觉的响度，所以这位‘患者’应该是右耳朵低频率的声音听不清楚了。”

任务２：探究“耳聋”的机理。

教师活动１：引导学生结合“声音的特性”，发现并总结各图片之间的不同，启发学生不同的听力检测报告图可以判断出不同的病症。

驱动性问题１：根据声音的特性，图片可以分为哪几类？

驱动性问题２：根据“声音传播的条件”和 “人耳的结构与功能”，小组讨论猜测听力下降可能存在的原因。

学生活动１：①学生通过归纳，意识到图片根据频率划分，可分为三类——低频率段听力下降、高频率段听力下降和全频率段听力下降。②通过小组讨论，结合跨学科知识，大胆猜测听力下降的原因可能是“外耳道堵塞”“鼓膜无法传播振动”“内耳部分的前庭、耳蜗出现问题”“听觉神经不传输信号了”……

教师活动２：总结学生发言“听力下降一般有三种类型，一种是传导式听力下降，比如外耳道堵塞，可能是耵聍栓塞、中耳炎、外耳道肿物等，由于切断了声音的传播，因此听力通常是全频率下降；第二种是感音神经性听力下降，比如突发性耳聋、药物性耳聋，这种是神经信号传导的问题，所以可能出现各种听力结果，还需要进一步诊断，但低频率或者高频率单独下降通常就是神经信号传导出现问题；第三种是混合性，比较复杂，感兴趣的同学可以自行了解。”

教师活动３：教师引导并提出“制作耳镜”的项目主题，“对于听力突然下降的患者，医生诊断时一般会同时让患者做电耳镜检查，从而排除传导式听力下降，结合听力检查的结果基本就可以确定患者是感音神经性听力下降。今天我们就来自己制作一个检耳镜。”

３．２    跨学科实践：“制作放大检耳镜”

任务１：探究检耳镜结构，了解光学原理。

教师活动：按小组向学生发放提前购置的成品“放大检耳镜”（图 ３），引导学生观察、使用并拆解检耳镜。

驱动性问题１：检耳镜由哪几部分构成？想要完成它的功能有哪些结构是必需的？

驱动性问题２：将拿握处做成“笔帽”的形状，除了美观、方便携带以外，还有其他作用吗？

驱动性问题３：检耳镜在使用过程中体现哪些光学原理？

驱动性问题４：通过检耳镜看到的是什么像？将检耳镜逐渐远离物体，有没有看不清成像的位置？（可以用作图说明）

驱动性问题５：检耳镜入耳部分设计成锥形的原因有哪些？

学生活动：①学生以小组为单位，拆解检耳镜，认识到检耳镜的主要功能是能更为清晰地看清外耳道的情况，认识到检耳镜各组件的作用，哪些是关乎检耳镜功能的关键结构。②结合科学课学习过的电学相关知识，猜测笔帽夹是控制小灯泡的开关（摁压笔帽夹会触碰到电池外的金属壳，从而构成通路，小灯泡发光）。③结合光沿直线传播和光的反射的知识，认识到小灯泡发出的光沿直线传播到单面镜，经过光的反射，光传播到锥形部分照亮耳朵内部，一部分光经过多次反射进入人眼，让我们可以更清楚地看到耳朵内部的情况。④观察并结合透镜的相关知识，认识到透镜起到放大的作用，且是正立放大的虚像，当物距大于等于透镜的一倍焦距时逐渐看不清成像。⑤根据观察使用和日常经验，猜测锥形部分有聚光、方便入耳、可以通过改变顶角适配不同的人群……

任务２：选择合适材料，探究工程需求。

教师活动１：在学生理解检耳镜工作原理的基础上，引导学生思考驱动性问题。

驱动性问题１：有哪些结构的材料可以更换？哪些结构的材料不可更换？

驱动性问题２：考虑到材料的物理性质（硬度、导电性等），应当如何选择材料？

驱动性问题３：考虑到产品的经济性，应当如何选择材料？

驱动性问题4：如何选择透镜让图像达到尺寸合适且较为清晰的状态？

学生活动１：①学生通过理解检耳镜的工作原理，认识到检耳镜的不同结构应当选用不同种类的材料。②学生在教师指导下查阅相关资料，利用表格对材料的性质和经济性进行综合对比，选择合适的材料，示例如表 ２ 所示。③通过计算和实验，选定合适焦距的透镜。

教师活动２：让学生以小组为单位，向大家介绍材料选择的原因，教师注意对材料进行二次把控，确保材料可以制作检耳镜。让学生以小组为单位，根据每个人的优势进行分工，并提供分工安排表，设计、制作检耳镜，并配备使用说明书。制作方案的设计可使用软件，也可以手绘，允许学生结合自身优势选择呈现形式，能提供设计成果并说明原创即可。

学生活动２：学生利用选择的材料，设计检耳镜的外形和内部结构，以线上和线下讨论交流的方式合理分工制作检耳镜。

３．３    价值引领：科学的魅力

教师活动：利用多媒体向学生介绍，医疗中利用电耳镜和听力检测确诊病症之后，例如神经性耳聋，会在基础治疗之上结合“微波治疗仪”“鼓膜治疗仪”让病人进行理疗恢复（戴上“鼓膜治疗仪”后会听到类似心跳的咚咚声，由此让鼓膜振动，增强鼓膜和听小骨的传音功能；“微波治疗仪”通过向耳朵传送微波，起到提升局部温度扩张血管，促进炎症吸收，修复受损细胞的作用）。

驱动性问题１：本节课认识了哪些与物理学原理相关的医疗工程产品？上述提到的“鼓膜治疗仪”发挥了“声”的什么功能？

驱动性问题２：“声和光”对人类和自然界只有利处吗？举个例子？

驱动性问题３：怎样认识物理学与日常生活、技术生产和社会发展的关系？我们应当如何正确识别并发挥科学的魅力？

学生活动：学生归纳总结本节课所认识的工程产品，并总结其物理原理。在教师组织之下，结合“声的利用”“噪声的危害和控制”“光的反射（光污染）”等有证据地表达自己对物理学的看法。

３．４    合作与交流：研究成果展示

教学活动：学生以小组为单位汇报展示，小组代表向其他同学分享设计思路、制作过程、设计难点以及创新点等，展示完成之后其他同学对代表进行提问，代表基于证据完成答辩。各小组答辩完成后，分发评价量表，学生和教师分别完成过程性评价和终结性评价量表。