2022年4月,《义务教育物理课程标准(2022年版)》正式颁布,在课程内容中新增了“跨学科实践”一级主题,确立了“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”3个二级主题[1]。因此,基于物理学科本位,并与化学、生物、信息技术等学科相关联,体现综合性、实践性、应用性等特征的跨学科实践单元教学应成为常规课堂教学的重要组成部分。长期以来,我国基础教育以纯学科教学为主,分科课程在中学课程中占据主流地位[2],对一线教师而言,跨学科实践单元教学还是一个新鲜事物,需要进一步去学习、探索和实践。文献[3,4,5]对初中物理跨学科实践的内涵特征、实践逻辑、活动设计及评价等方面进行了细致、深入地阐述。本文以此为基础,提出基于“大概念+项目化学习”的跨学科实践单元教学设计,并以“探寻中国民族乐器的发声奥秘”为例进行案例实践,以期为一线教师的教学实践提供些许参考。
1 理论分析:跨学科实践单元教学需要以大概念和项目化学习为抓手
跨学科实践单元教学首先需要解决两个基本问题:一是跨学科实践的内容选择应基于怎样的教育价值或教育目标指引;二是跨学科实践适合于怎样的教学路径或教学方式。
1.1 大概念与跨学科实践
依据学科属性,大概念可分为学科大概念和跨学科大概念两类。学科大概念指向学科核心素养,反映学科本质,是能将学科核心内容与关键思想联系起来的少数关键概念;跨学科大概念指向学生的综合素养,它逾越了学科的边界,可以将多个学科核心概念联结起来,形成一个彼此融通的整体,以新的横向视角看待生活、社会和科学问题,并对其形成客观而整体的认识。分析各种概念的习得过程(如图1所示),可以发现跨学科大概念与学科大概念处于同级位置,但跨学科大概念不是孤立的学习维度,需要通过多个学科核心概念和跨学科实践相结合才能有效习得。
图1 各种概念的习得过程示意图
跨学科实践主题的内容具有跨学科性和实践性特点,与日常生活、工程实践及社会热点问题密切相关[1]。选择何种内容、主题与项目作为跨学科实践学习,其目标应指向对学科核心概念和跨学科大概念的深度理解,指向学生实践能力、批判思维和创新意识的培养,也就是说,大概念对跨学科实践的教育价值具有质的规定性,对跨学科实践内容的选择与设计具有目标指引性。
1.2 项目化学习与跨学科实践
项目化学习是以项目驱动的学习,具有主题明确、情境真实、内容综合、学习方式多样、强调协作、以成果为导向等特点。依据项目的大小及综合程度,可分为“迷你型”项目化学习、学科项目化学习、跨学科项目化学习三类。“迷你型”项目化学习可以是一个小制作、小讨论、小汇报等,主要是为了熟悉项目学习规则,提升学习兴趣、团队意识和成果意识,适用于起步阶段的项目化学习;学科项目化学习以某一学科的核心概念理解为基础,项目活动流程线性化,学习周期较短,组织难度不大,能够很好地融入学科常规教学中;跨学科项目化学习往往面对一个真实而复杂的问题,需要综合不同学科的核心知识与能力,并形成整合性的项目成果和新理解,这对各科教师的设计、组织、协调能力和学生的综合、协作、创新能力等方面都有一定要求。
跨学科实践旨在发展学生跨学科运用知识的能力、分析和解决问题的综合能力、动手操作的实践能力,培养学生积极认真的学习态度和乐于实践、敢于创新的精神[1]。可见,跨学科实践与项目化学习在目标指向、内容特征、学习方式等方面较为一致,项目化学习是有效落实新课程标准关于跨学科实践主题教学目标的主要方式之一。
2 模式构建:跨学科实践单元设计需要将大概念与项目化学习充分融合
跨学科实践是基于问题解决的认知进程,个人或群体在此进程中,借鉴学科视野并整合学科见解和思维模式,以提出其对复杂问题的认识,这种认识的目的在于应用[6]。因此,跨学科实践单元的设计应从一个问题或议题开始,并围绕大概念和学科核心概念使该问题或议题逐步精细化,以整合的形态呈现;然后以项目化学习为抓手,设计并开展教学过程,使得该跨学科实践单元变得具体,并产生实证经验;最后,基于教学实践的效果与证据对原有设计进行反思与改进,使之趋于完善,实现学科教学与社会实践的充分融合,促进知识、能力、素养间的有效转化[7]。图2呈现了跨学科实践单元设计的大体流程,可为一线教师的设计与实践提供一个“思维导图式”的思考路径。
图2 跨学科实践单元设计流程图
3 教学实践:以“探寻中国民族乐器的发声奥秘”跨学科实践单元教学为例
3.1 提出探究主题
中华文明源远流长,而作为其中最优秀的文化沉淀,中国民族乐器历史久远、类别丰富,演奏形式多样,产生了诸如《春江花月夜》(如图3)等大量优秀的经典作品,目前已然演化成了中华文明最具代表性的文化符号。将中国民族乐器的发声奥秘作为探究主题,进而让学生了解声音的产生,探究认识声音的特性,让学生自制器材演示中国民族乐器的音调改变原理,从而通过“做科学”来“学科学”。
3.2 界定问题
该探究主题以物理学科中声音的产生、声音的特性为核心知识,在认识不同的中国民族乐器和分类的基础上,通过自主设计实验、自制实验器材探究和演示中国民族乐器的发声和音调改变原理,从而使整个学习过程有探究深度,也有项目成果。由此可见,本主题学习对应的学科核心知识是“声音的产生和声音的特性”,并将物理和音乐学科相融合,所指向的跨学科大概念是“结构与功能的关系”。
图3 民乐合奏《春江花月夜》
在上述分析的基础上,确定本主题学习的核心问题是“探寻中国民族乐器的发声奥秘”。在教学实施阶段,可将该核心问题分解成三个子问题进行探究学习:①声音是怎样产生的?②声音有怎样的特性?声音的特性由什么因素决定?③中国民族乐器发出声音的音调是怎样改变的?
3.3 设计教学路径,开展教学实践
3.3.1 入项活动
欣赏民乐合奏《春江花月夜》,认识其中的民族乐器。除了这些民族乐器之外,你还知道哪些中国民族乐器?这些中国民族乐器可以怎样进行分类?关于中国民族乐器及其发展,你想知道什么,或者提出什么样的问题?
设计说明:通过美妙的音乐将学生带入到中国传统文化的意境之中,激起学习和探究的欲望;在了解中国民族乐器及其分类的基础上,通过发散性的问题激发学生的求异思维,同时寻找、感受和建立物理学科与其他学科之间的关联,将物理学科有效地融入跨学科整体认知结构中,完成学生综合认知和能力的培养[8]。
3.3.2 知识与能力建构
问题1:声音是怎样产生的?
用指尖拨动古筝的琴弦,发出琴声;用鼓槌打击鼓面,发出鼓声;用嘴对笛子口吹气,发出笛声。这些声音分别是怎样产生的?
在鼓面上洒一些水,击鼓时观察水滴溅起一定高度,说明鼓面因振动而发声;在琴弦上沾一小块镜子,用激光笔照着镜子,在另一边的墙上有一个静止的光点,当拨动琴弦时,光点跃动,说明琴弦因振动而发声;在一个透明塑料瓶中放入纸条,用嘴对着瓶口吹气,观察到纸条在不停跳到,说明瓶内空气柱因振动而发声。生活中还有哪些发出声音的例子?这些声音的产生有何共同点?
设计说明:通过水花、光照、纸条等将物体的振动放大,从而观察到乐器发声的情况,实验现象清晰可见,便于学生观察和思考。结合生活中的发声例子,学生可以归纳出声音是由物体的振动产生的。
问题2:声音有怎样的特性?声音的特性由什么因素决定?
物理学中,声音的高低叫做音调,声音的强弱叫做响度,声音的品质和特色叫音色。声音是由物体的振动产生的,声音的特性与物体的振动特征有关,物体的振动特征可以根据声音的波形图来观察,我们将手机Oscilloscope软件打开,就可以显示出声音的波形图(如图4)。从波形图上看,声波是由一个个振动周期重复组成的,在相同时间里振动的周期数量越多(波形更密集),表明物体振动的频率越快;从波形图中还可看出最上方到最下方的距离不同(说明物体偏离平衡位置的最大距离也不同),这个距离越远,表明物体的振幅越大。利用古筝弹奏“1”“3”“5”等音,观察波形图可以发现声音的音调与物体振动的频率有关;观察轻敲音叉和重敲音叉时声音的波形图可以发现声音的响度与物体的振幅有关;观察音叉和古筝分别发出“1”音的波形图,可以发现声音的音色与发声体本身的材料、结构等有关。
图4 手机Oscilloscope软件显示的声音波形图
我们可以自己设计实验,探究声音的音调和响度与什么因素有关。给学生提供的实验器材是一把钢尺,引导学生自主设计实验,并进行相应的实验探究(见表1)。
表1 实验探究记录表
设计说明:利用手机Oscilloscope软件显示声音的波形图,使发声体的振动情况直观可见,从而将比较抽象的振动频率和振幅等概念更形象地呈现给学生,引导学生分析可得出声音特性的决定因素。最后利用钢尺进行实验设计,并从实验设计和实验结论得出的过程中体会控制变量的研究方法,从而为后面学生自主研究乐器的音调改变原理提供方法上的支撑。
3.3.3 探索与形成成果
问题3:中国民族乐器发出声音的音调是怎样改变的?
我们知道,中国民族乐器按照发声方式可以分为弦乐器、管乐器、打击乐器三类,这些乐器在演奏时是怎样改变声音的音调的?音调改变的原理是什么?请同学们利用生活中的材料自制实验器材,对这个问题进行探究和演示。学生可以根据自身情况,选择一种类型的乐器进行探究,几个同学还可以组成一个学习小组,共同来商定设计方案、制作演示器材,形成共同的学习成果。为了更好地指引学生接下来的探究活动,给学生制作了一个项目学习日程表(见表2),并制定了相应的评价标准,从而给学生的课外项目学习提供思维支架。
表2“探索中国民族乐器的音调改变原理”项目学习日程表
设计说明:探索与形成项目化成果需要一个较长的研究周期,且器材的制作与改进、实验展示的演练过程都需要利用学生的周末时间,这对学生的自我管理、协作学习、动手能力、问题解决等方面都有较高要求。通过项目学习日程表,引导学生提前计划、做好分工、注意时间节点、做好统筹安排,明确每个环节的要求和标准,使学生的课外制作过程能够顺利进行,并在做的过程中有辨别、有研究、有反思,更有收获和进步,从而帮助学生高质量地完成项目化学习,形成学习成果。
3.3.4 项目展示与交流
在学生经历两周的实验制作、展示准备后,我们利用课内时间进行项目的展示交流。小组同学带来自制的实验器材,配上提前制作的PPT,分别介绍了本小组问题的来源、演示器材的制作过程、实验演示过程和探究结论,并从中国民族乐器的发展角度做出总结(部分内容见表3)。有的小组还进行了现场的乐曲演奏,将物理与音乐有机地融合起来。在小组演示之后,其他组的成员就体会感受和演示过程中产生的疑问与本组同学进行交流,各自发表看法,使同学们对中国民族乐器的音调改变原理有了更深入的理解,也对物理的学习方式有了新的认识和体会。
设计说明:“项目展示与交流”是项目化学习最后、也是最重要的环节。项目展示是对前期学习成果的凝练,是对核心知识理解的加深,是对小组团队共同努力的肯定,也利于培养学生的成果意识、表达能力和创新思维。在项目展示的过程中有意见交流,有成果评价,有新问题的产生,学生之间、学生和教师之间的思维碰撞,在各种不确定性中产生新的收获,也增强了持续探究的意愿和动力。
表3 项目成果展示
4 结束语
跨学科实践单元教学既要以课标为基,以学科和跨学科大概念为指引,也要充分考虑学生的基本学情,以及学生的生活经历和学习环境,突出学习的趣味性、实践性,发展学生的高阶思维、实践技能、团队协作等核心能力与素养。本文基于“大概念+项目化学习”的跨学科实践单元教学模式,进一步明确了跨学科实践主题内容的目标价值,明晰了跨学科实践单元教学设计的思考路径,探明了跨学科实践单元教与学的设计策略,为落实跨学科实践单元教学、促进学生核心素养的发展提供了有效参考。
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