基于PBL模式的初中物理跨学科实践教学

摘要

注重科学探究、开展“跨学科实践”学习活动是落实物理学科核心素养的重要路径，PBL教学模式既能体现科学探究方式，又与“跨学科实践”主题相吻合，因此非常适合应用在物理课程的教学当中。在七年级物理“长度的测量”一节中融入“跨学科”内容，利用“血滴奇案”视频创设真实情境，引出开放性的问题；预测脚印和步长与身高的关系，进而测量脚印和步长；将测量结果输入Excel中进行拟合，获得身高-脚印长度函数关系、身高-步长函数关系。应用PBL模式实施教学，不但能激发学生的学习兴趣，而且可开阔他们的知识视野，更重要的是能有效培养他们的物理学科核心素养。

关键词

PBL模式 / 中学物理 / 长度的测量 / 跨学科实践

《义务教育物理课程标准（2022年版）》在课程理念中提出“注重科学探究，倡导教学方式多样化”，鼓励在教学中根据教学目标、教学内容、教学对象及教学资源等实际情况，灵活选用教学方式，合理运用信息技术；在课程内容中增加了“跨学科实践”主题，旨在发展学生跨学科运用知识分析和解决问题的综合能力，为教师实施教学提供了更大的自由度和更广阔的空间。应用PBL模式开展教学既注重了科学探究，也体现了教学方式多样化的要求，更符合“跨学科实践”主题对教学方式的要求。笔者围绕“长度的测量”主题，应用PBL模式进行“跨学科实践”教学设计的尝试，以期有效落实学生物理学科核心素养目标。

1 PBL教学模式

1.1 PBL教学模式与科学探究理念无缝对接

PBL（Problem-Based Learning）是一种基于真实情境问题的教学模式，以学生为中心，通过小组合作学习和自主学习，学生创制出一套能解决问题的可行产品^［1］。学习过程注重自我评价和小组评价。这种教学模式实际上也是以科学探究为核心的学习方法，与科学探究的教学理念高度契合^［2］，其教学流程涵盖了科学探究的诸要素，如表1所示。

1.2 PBL教学模式与“跨学科实践”主题教学高度吻合

跨学科实践包含“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个主题，其最大特点是综合性和实践性。在教学中要求围绕生活和社会发展的热点问题，以问题的解决过程为线索，以小组为单位进行自主探究，以设计作品、制作模型等形式呈现成果，促进学生学以致用^［3］。而PBL教学模式恰好也是围绕真实问题进行小组合作探究，学习结果以产品形式呈现。可以看出，PBL教学模式高度符合“跨学科实践”主题对教学的要求，无疑是实施“跨学科实践”主题内容教学的最佳方式。

2 PBL教学模式应用于“跨学科实践”教学案例

2.1 选题缘由

（1） “长度的测量”是最基本的测量。

长度是学生在课堂教学中最早接触的物理概念，小学科学课程已介绍基本测量方法，如比例法。初中物理课程专门将长度测量作为一节内容，要求学生会选用适当的工具测量长度。在高中物理课程中长度测量也是基础的操作性实验，要求学生掌握刻度尺、游标卡尺和螺旋测微器等工具的使用。甚至在大学物理实验中开篇就讲长度的测量，复习巩固测量长度的方法，介绍实验数据处理相关知识。可见，长度的测量贯穿于物理学习的全过程，是最基本、最常用的测量。

（2） “长度的测量”是教学的难点。

往往看似越简单的内容越不好实施教学，“长度的测量”就是如此。在人教版八年级物理上册的“长度和时间的测量”一节中，先介绍长度的单位，再介绍几种测量工具（刻度尺、卷尺、三角尺），最后让学生练习使用刻度尺测量规则物体（如课本和作业本）的长度和宽度。由于内容过于简单，教师在重新设计教学时感到无从下手，大多直接按照教材编排思路实施教学，教学效果不理想。究其原因，主要是缺乏真实情境下的任务驱动，仅测量规则物体的长度，操作简单，学生兴趣不高，无法有效调动他们的学习积极性。

（3） “长度的测量”教学与信息技术融合不够。

传统教学中“长度的测量”无非就是教会学生用刻度尺、卷尺、游标卡尺等测量工具测量长度，鲜有其他更多方法的介绍，例如用步长法测桥的长度、里程表测桥的长度、拇指测距、透镜成像法等；更没有将信息技术融合于长度测量当中，如用数码相机拍摄后再用相关软件进行数据处理等，学生应用信息技术的能力得不到有效培养。

2.2 教学设计

“跨学科实践”主题和“PBL教学模式”均要求基于真实的问题，以问题驱动任务，以任务驱动合作探究，最终解决问题，所以教学设计时不能仅仅为了测量而测量，测量长度是为了找出物理量之间的某种关系或规律，具有明确的目的性。笔者展示了应用“PBL模式”进行“跨学科实践”教学的完整思路，其中结合教学具体环节特意标明了“跨学科”内容和“PBL”的步骤。

（1） 环节1：创设情境，设置问题悬念。

【教师活动】播放“血滴奇案”案发现场视频，简单介绍李昌钰博士和司法程序；提出初步问题：假如你是侦探家，该如何侦破这个案件？引导学生聚焦问题，进一步提问，测量脚印和步长能获得什么信息？提取血迹又能获得什么信息？

【学生活动】边看边思考，跃跃欲试成为一个小小侦探家。积极思考并回答：测量凶手留下的脚印和步长，提取凶手留下的血迹可能获得的信息。

【设计意图】跨学科内容：法律知识。PBL步骤：提出问题。利用视频创设真实情境，引出开放性的问题；通过介绍李昌钰博士，增强学生的民族自豪感，同时激发学生争当“小小侦探家”的欲望。从开放性的刑事案件引导学生回到物理问题，帮助学生明确教学主题。

（2） 环节2：启发学生进行猜想。

【教师活动】提示学生用血迹大小还可以推测凶手受伤部位的高低，从而确定凶手的受伤部位。

【学生活动】思考并回答：脚印的长度和步长与身高有关系，个子高的一般脚印大、步子长；血迹可以检验出DNA，同时血迹大小与滴落高度可能成正比关系。

【设计意图】跨学科内容：数学、生物学知识。PBL步骤：建立假设。激发学生深度思考，引导其从数学角度思考变量之间的关系，形成初步假设，明确探究问题。

（3） 环节3：讨论探究方案。

【教师活动】提问：测量脚印和步长分别用什么工具？脚印和步长与身高的关系如何确定？讲解：确定脚印、步长与身高的关系需要测量多组数据，应用Excel软件进行数据拟合。简单介绍Excel数据拟合技术。

【学生活动】思考并回答：测脚印长度可以用刻度尺，测步长可以用卷尺，但对其关系的确定不能准确回答。学习Excel拟合技术。

【设计意图】回顾测量长度的工具和方法，学习信息技术知识，感受信息技术在科学探究中的重要性。

【教师活动】提问：如何测量血迹直径？血迹大小与滴落高度的关系又如何确定？强调：血滴形状是不规则的图形，直径用刻度尺测量不准确，要用数码相机拍照后再用几何画板的度量功能。简单介绍几何画板的度量功能。

【学生活动】思考并回答：血滴直径用刻度尺测量，滴落高度用卷尺测量，其关系需多次测量后用Excel软件拟合。学习几何画板的度量功能。

【设计意图】跨学科内容：数学、信息技术知识。PBL步骤：搜集资料。教会学生应用信息技术工具测量长度的新方法，开阔学生视野，感受信息技术的力量。

（4） 环节4：实验研究1——获取脚印、步长及身高的多组数据。

【学生活动】准备多张白纸，在校内外请求不同身高的人在上面以正常步幅行走，获取脚印，并用卷尺测量脚印长度和步长。将测量结果输入Excel中进行拟合，获得身高-脚印长度函数关系、身高-步长函数关系。

【设计意图】跨学科内容：信息技术能力。PBL步骤：收集资料。小组合作学习，培养与他人沟通的能力，掌握Excel拟合函数的技术。

（5） 环节5：实验研究2——获取血迹直径与滴落高度的多组数据。

【教师活动】讲解：血液具有黏性，不能单纯用红墨水代替血液，应将胶水、红墨水、水按1∶1∶1的比例混合配制后代替血液。提出要求：用含有坐标的白纸做标尺，用摄像头拍照，利用比例求出直径，使用几何画板软件，用Excel求平均值。简单交代实验注意事项，演示实验和几何画板处理数据方法。

【学生活动】配制混合颜料，实施实验。用几何画板度量直径，数据用Excel拟合，获得高度-直径函数关系。

【设计意图】跨学科内容：化学知识、信息技术能力。PBL步骤：搜集资料。帮助学生了解有关血液性质的知识，练习用数码相机和几何画板度量长度的方法。

（6） 环节6：实验总结，论证结果。

【教师活动】提问：两个实验结果是否与假设一致？即：脚印长度和步长是否与身高成正比？血迹直径是否与滴落高度成正比？

【学生活动】思考并回答：根据散点图可以看出脚印、步长与身高的大部分数据满足正比关系，少部分数据不满足；高度较低时，血迹直径与滴落高度成正比，高于一定高度时，血滴直径大小好像没有变化。

【设计意图】PBL步骤：论证假设。培养学生科学分析、判断数据的能力及科学思维能力。

（7） 环节7：汇报探究结果。

教师组织学生以小组为单位汇报探究结果。小组派代表上台汇报，其他学生进行思考、判断、提问。

【设计意图】PBL步骤：展示成果。培养学生表达、交流、质疑、批判能力。

（8） 环节8：评价结课。

教师分别对各小组的探究过程及结果作整体评价，对部分学生进行表现性评价，以鼓励为主。学生根据教师评价，反思自己的表现。

【设计意图】PBL步骤：评价表现。通过评价，增强学生的获得感、成就感，激发学生后续探究欲望。

3 设计的创新之处

3.1 将科学探究方式应用于“跨学科实践”

科学探究是物理学科核心素养的重要组成部分，既是课程内容，也是主要教学方式。物理观念、科学思维、科学态度与责任目标的落实要用科学探究方式来实现。同时，课标新增的“跨学科实践”主题强调跨学科的综合性和实践性。因而，如何用科学探究方式实施“跨学科实践”内容教学是落实新课标要求的关键。本设计将“PBL教学模式”引入“跨学科实践”教学中，既体现了科学探究的理念，又满足了“跨学科实践”对教学的要求。

3.2 创设开放性情境，拓宽探究视角

用“血滴奇案”创设情境，给学生赋予“小小科学家”和“小小侦探家”的双重身份，引发学生的好奇心，同时实现了“跨学科性”，学生在科学课上还能学到法律知识。

3.3 将信息技术融合于科学探究活动中

在“长度的测量”传统教学中，往往只是采用刻度尺、卷尺、游标卡尺等常用工具测量长度，鲜见用信息技术方法的。本设计中不但用数码相机、几何画板测量长度，还用Excel处理了数据之间的相关性，学生初步掌握了信息时代科学探究的新手段。

4 反思与总结

本设计是对“跨学科实践”教学的一种设想，对学生的要求比较高，在实际教学中可能会出现诸多问题，因而需要扎实开展前期准备工作，教会学生熟练掌握探究中用到的相关软件技术，强调实验探究中的细节问题，才能保证课程顺利实施。

参考文献

[1] 沈建新，王海燕，王海江.PBL：一种新型的教学模式［J］.国外医学（医学教育分册），2001（02）：36-38.

[2] 梁国瑛，皮飞鹏.初中物理科学探究中应用PBL教学法的探讨［J］.基础教育研究，2019（17）：73-76.

[3] 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．