基于新課標的初中物理跨學(xué)科綜合實踐研究*
——以“設(shè)計制作空氣吉他”為例

劉 坤

在傳統(tǒng)的課程體系下，學(xué)生分析、解決生活中現(xiàn)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(xué)生很難將所學(xué)知識運用到解決實際問題中去。究其原因，一方面是學(xué)生形成的物理觀念不夠深刻，另一方面是學(xué)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(xué)中，應(yīng)適量開展跨學(xué)科的綜合實踐課，讓學(xué)生的知識遷移能力和動手能力得到發(fā)展。

一、跨學(xué)科綜合實踐活動的意義

1.切實落實新課標核心素養(yǎng)

素質(zhì)教育要面向全體學(xué)生，其中的素養(yǎng)教學(xué)目標也要聚焦全體學(xué)生。在傳統(tǒng)的單一學(xué)科課堂中，學(xué)生往往是系統(tǒng)地接受教師傳授的知識，甚至是死記硬背，教學(xué)實現(xiàn)的目標最終只落在了“知識”上。而跨學(xué)科的綜合實踐是學(xué)生在學(xué)習(xí)了一些基本知識、掌握了一定的規(guī)律后，以設(shè)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(xué)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(fā)現(xiàn)、解決新問題。學(xué)生很難在傳統(tǒng)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(wù)，學(xué)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(guān)注單科知識到探究復(fù)雜問題

生活中的實際問題從來都不是只涉及單一學(xué)科，學(xué)生要綜合運用各科所學(xué)知識才能完成一件有意義的創(chuàng)作。因此，跨學(xué)科的綜合實踐側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜問題的分析，讓其在實踐中將學(xué)科知識融合內(nèi)化。

二、跨學(xué)科綜合實踐活動的設(shè)計思路

隨著工程、技術(shù)的發(fā)展，各基礎(chǔ)學(xué)科在實踐中得到了廣泛應(yīng)用，各個學(xué)科在實際應(yīng)用中緊密相連。從之前倡導(dǎo)的STEM 課程、項目化學(xué)習(xí)，到如今新課程標準的落地，學(xué)校教學(xué)一直致力于讓基礎(chǔ)知識在實踐中得以應(yīng)用。筆者所在學(xué)校也致力于跨學(xué)科綜合實踐活動，現(xiàn)以“設(shè)計制作空氣吉他”為例，作一說明。

1.“設(shè)計制作空氣吉他”課題背景

當下機器人和人工智能技術(shù)正在飛速發(fā)展，這個方向的研究也是以后社會發(fā)展的熱門。但是，人工智能項目開發(fā)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(xué)科基礎(chǔ)知識外，還要圍繞此發(fā)展給學(xué)生進行一些思維的引導(dǎo)和知識的鋪墊。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，信息課程也從技術(shù)傳授轉(zhuǎn)到了思維建設(shè)上，故本課題有意將初中物理與信息技術(shù)結(jié)合開展一次跨學(xué)科綜合實踐活動，以期在項目化的實踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合素質(zhì)。

本課題的設(shè)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(fā)出不同的聲音。為了激發(fā)學(xué)生的興趣，筆者類比傳統(tǒng)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(jù)計算得出具體距離值并將數(shù)據(jù)傳遞給主板，繼而主板根據(jù)編寫的程序使蜂鳴器執(zhí)行不同命令，發(fā)出不同聲音。

2.“設(shè)計制作空氣吉他”課題整體規(guī)劃

筆者提前兩周布置了以下任務(wù)：了解各種傳感器及其簡單工作原理，了解蜂鳴器的發(fā)聲原理，學(xué)習(xí)UCode 模塊編程或者學(xué)習(xí)C++的基本編程語言及Switch 函數(shù)的用法，了解并設(shè)計條件語句的嵌套，了解音樂中的基本音名等。不同組學(xué)生側(cè)重點不同，之后小組內(nèi)成員配合制作演示文稿以備展示。課堂上，教師帶領(lǐng)學(xué)生了解空氣吉他的整個工作原理，在介紹到相關(guān)部分時，學(xué)生按小組展示課前的學(xué)習(xí)成果。學(xué)生自主設(shè)計流程圖來實現(xiàn)擋板距傳感器5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、11cm 時分別使蜂鳴器發(fā)出C3、D3、E3、F3、G3、A3、B3 的聲音，再根據(jù)設(shè)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(wù)：在主板上接LED 燈，用編程實現(xiàn)不同音調(diào)對應(yīng)閃爍不同顏色的燈。

三、跨學(xué)科綜合實踐活動的開展——“設(shè)計制作空氣吉他”

1.培養(yǎng)物理觀念

【教學(xué)片段1】

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

生：聲音由琴弦振動產(chǎn)生，通過空氣傳入人耳；按住琴弦不同位置可以改變音調(diào)……

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(fā)聲可以用蜂鳴器；能使不同位置發(fā)出不同聲音首先要對位置進行感知。

設(shè)計意圖：學(xué)生運用所學(xué)知識來解釋現(xiàn)象，能加深物理觀念。在此基礎(chǔ)上，教師提出制作沒有琴弦的吉他，讓學(xué)生產(chǎn)生認知沖突，激發(fā)興趣。

2.塑造科學(xué)思維

【教學(xué)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(xué)們知道哪些測距技術(shù)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(xué)片段3】

師：我們要讓擋板在不同位置發(fā)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(shù)據(jù)進行條件判斷，根據(jù)不同判斷結(jié)果執(zhí)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(shè)計流程圖呢？請同學(xué)們畫好并展示。

設(shè)計意圖：以上兩個教學(xué)環(huán)節(jié)是為了處理本節(jié)課的兩個關(guān)鍵問題。學(xué)生提出用測距感知位置并說出測距原理是科學(xué)思維的體現(xiàn)。這既鍛煉了學(xué)生的邏輯思維能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散性思維。同時，設(shè)計流程圖有利于發(fā)展學(xué)生的計算能力。

3.形成科學(xué)態(tài)度

【教學(xué)片段4】

學(xué)生根據(jù)編寫的程序嘗試演奏《兩只老虎》。

師：同學(xué)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(diào)區(qū)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(yōu)化呢？

【教學(xué)片段5】

教師展示生活中的傳感器，學(xué)生嘗試說出各傳感器的類型，嘗試設(shè)想程序結(jié)構(gòu)。

教師播放《未來智能家居》視頻，學(xué)生小組討論視頻內(nèi)容并合理展開暢想。

設(shè)計意圖：在此環(huán)節(jié)中，教師的設(shè)問和學(xué)生對于優(yōu)化方案的討論會促進學(xué)生形成嚴謹認真、實事求是的科學(xué)態(tài)度，學(xué)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(fā)展。觀看短片，使得學(xué)生有科技創(chuàng)造美好生活的認知，在暢想討論環(huán)節(jié)，可以培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)、推動發(fā)展和振興中華的社會責(zé)任感。

四、跨學(xué)科綜合實踐活動的再思考

對于核心問題的設(shè)置，教師應(yīng)從學(xué)科素養(yǎng)角度出發(fā)，找到每一個環(huán)節(jié)的落腳點，并考慮學(xué)生的已有水平和最近發(fā)展區(qū)。課前，學(xué)生準備時間不宜太長，教師要持續(xù)跟進并了解學(xué)生的準備情況，及時指導(dǎo)。在活動最后，應(yīng)讓學(xué)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(xué)生才能在跨學(xué)科綜合實踐中真正發(fā)展動手實踐能力，養(yǎng)成勇于探索的學(xué)習(xí)態(tài)度和創(chuàng)新精神。