基于新課標的初中物理跨學科綜合實踐研究*
——以“設計制作空氣吉他”為例

劉 坤

在傳統的課程體系下，學生分析、解決生活中現實問題的能力沒有得到充分的鍛煉，“從物理走向社會”的實踐不夠，學生很難將所學知識運用到解決實際問題中去。究其原因，一方面是學生形成的物理觀念不夠深刻，另一方面是學生缺乏對知識進行遷移與運用的能力。因此，教師在課堂教學中，應適量開展跨學科的綜合實踐課，讓學生的知識遷移能力和動手能力得到發展。

一、跨學科綜合實踐活動的意義

1.切實落實新課標核心素養

素質教育要面向全體學生，其中的素養教學目標也要聚焦全體學生。在傳統的單一學科課堂中，學生往往是系統地接受教師傳授的知識，甚至是死記硬背，教學實現的目標最終只落在了“知識”上。而跨學科的綜合實踐是學生在學習了一些基本知識、掌握了一定的規律后，以設計制作的形式加以運用，從而能將“死知識”靈活運用。

2.以自主探究代替被動接受

學生在實踐的過程中不光是將知識運用到實際中，而且在動手過程中也能發現、解決新問題。學生很難在傳統的課堂中遇到這些問題，但在實踐中卻是繞不開的。為了完成一個項目化的任務，學生會開動腦筋互相配合，在自主探究的過程中提高實踐能力。

3.從關注單科知識到探究復雜問題

生活中的實際問題從來都不是只涉及單一學科，學生要綜合運用各科所學知識才能完成一件有意義的創作。因此，跨學科的綜合實踐側重培養學生對復雜問題的分析，讓其在實踐中將學科知識融合內化。

二、跨學科綜合實踐活動的設計思路

隨著工程、技術的發展，各基礎學科在實踐中得到了廣泛應用，各個學科在實際應用中緊密相連。從之前倡導的STEM 課程、項目化學習，到如今新課程標準的落地，學校教學一直致力于讓基礎知識在實踐中得以應用。筆者所在學校也致力于跨學科綜合實踐活動，現以“設計制作空氣吉他”為例，作一說明。

1.“設計制作空氣吉他”課題背景

當下機器人和人工智能技術正在飛速發展，這個方向的研究也是以后社會發展的熱門。但是，人工智能項目開發的難度較大，對個人的要求也比較高。面對這一難題，教師除了教授學科基礎知識外，還要圍繞此發展給學生進行一些思維的引導和知識的鋪墊。隨著計算機技術的發展，信息課程也從技術傳授轉到了思維建設上，故本課題有意將初中物理與信息技術結合開展一次跨學科綜合實踐活動，以期在項目化的實踐中培養學生的創新思維和綜合素質。

本課題的設計靈感來自汽車倒車雷達。汽車倒車雷達在間隔不同距離時能發出不同的聲音。為了激發學生的興趣，筆者類比傳統吉他提出無弦吉他，其原理是當擋板處于不同位置時，超聲波傳感器根據計算得出具體距離值并將數據傳遞給主板，繼而主板根據編寫的程序使蜂鳴器執行不同命令，發出不同聲音。

2.“設計制作空氣吉他”課題整體規劃

筆者提前兩周布置了以下任務：了解各種傳感器及其簡單工作原理，了解蜂鳴器的發聲原理，學習UCode 模塊編程或者學習C++的基本編程語言及Switch 函數的用法，了解并設計條件語句的嵌套，了解音樂中的基本音名等。不同組學生側重點不同，之后小組內成員配合制作演示文稿以備展示。課堂上，教師帶領學生了解空氣吉他的整個工作原理，在介紹到相關部分時，學生按小組展示課前的學習成果。學生自主設計流程圖來實現擋板距傳感器5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、11cm 時分別使蜂鳴器發出C3、D3、E3、F3、G3、A3、B3 的聲音，再根據設計的流程圖來編寫程序。教師可給完成比較快的小組布置提升任務：在主板上接LED 燈，用編程實現不同音調對應閃爍不同顏色的燈。

三、跨學科綜合實踐活動的開展——“設計制作空氣吉他”

1.培養物理觀念

【教學片段1】

師：老師這里有一把吉他，請一名同學給大家演奏一段。大家能從演奏當中說出哪些物理現象及原理呢？

生：聲音由琴弦振動產生，通過空氣傳入人耳；按住琴弦不同位置可以改變音調……

師：那我們今天利用課前的準備材料來制作一把沒有琴弦的吉他，大家想一想我們需要解決什么問題呢？如何解決呢？

生：使吉他能發聲可以用蜂鳴器；能使不同位置發出不同聲音首先要對位置進行感知。

設計意圖：學生運用所學知識來解釋現象，能加深物理觀念。在此基礎上，教師提出制作沒有琴弦的吉他，讓學生產生認知沖突，激發興趣。

2.塑造科學思維

【教學片段2】

師：如何才能使吉他感知到擋板的位置呢？

生：可以測量擋板到琴體的距離。

師：同學們知道哪些測距技術呢？用哪個好些？

生：激光和超聲波，距離太近用超聲波測距好一些。

師：大家想一想超聲波測距的原理。

【教學片段3】

師：我們要讓擋板在不同位置發出不同聲音，這里需要用到條件語句。我們選一組代表給大家講一下條件語句。

生：條件語句就是對一個數據進行條件判斷，根據不同判斷結果執行不同語句。

師：如果我們遇到某種情況需要多次判斷，該如何設計流程圖呢？請同學們畫好并展示。

設計意圖：以上兩個教學環節是為了處理本節課的兩個關鍵問題。學生提出用測距感知位置并說出測距原理是科學思維的體現。這既鍛煉了學生的邏輯思維能力，也培養了學生的發散性思維。同時，設計流程圖有利于發展學生的計算能力。

3.形成科學態度

【教學片段4】

學生根據編寫的程序嘗試演奏《兩只老虎》。

師：同學們，在剛剛的演奏中，大家遇到了什么問題呢？

生：擋板移動到不同位置，音調區別不大；擋板在某些位置，傳感器不易測量距離……

師：那大家有什么方法進行優化呢？

【教學片段5】

教師展示生活中的傳感器，學生嘗試說出各傳感器的類型，嘗試設想程序結構。

教師播放《未來智能家居》視頻，學生小組討論視頻內容并合理展開暢想。

設計意圖：在此環節中，教師的設問和學生對于優化方案的討論會促進學生形成嚴謹認真、實事求是的科學態度，學生在提出新問題和解決新問題的過程中也會促使思維得到發展。觀看短片，使得學生有科技創造美好生活的認知，在暢想討論環節，可以培養學生熱愛科學、推動發展和振興中華的社會責任感。

四、跨學科綜合實踐活動的再思考

對于核心問題的設置，教師應從學科素養角度出發，找到每一個環節的落腳點，并考慮學生的已有水平和最近發展區。課前，學生準備時間不宜太長，教師要持續跟進并了解學生的準備情況，及時指導。在活動最后，應讓學生自由、大膽地暢想并交流想法，提高其知識遷移水平。這樣，學生才能在跨學科綜合實踐中真正發展動手實踐能力，養成勇于探索的學習態度和創新精神。