初中物理跨学科实践：基于PBL的探索与实施

摘要

《义务教育课程方案（2022年版）》和各学科课程标准的颁布与实施，明确提出设立跨学科主题学习活动，加强学科间相互关联，推动课程综合化实施，并强化实践性育人要求。在此背景下，“物理学与日常生活”作为初中物理跨学科学习的二级主题，旨在培养学生跨学科运用物理知识发现和解决问题的能力。基于PBL（项目式学习）模式，以“系列茶艺实践体验”跨学科活动为例，通过称茶、投茶、泡茶、倒茶、赏茶、品茶6个环节，充分展示项目式学习在初中物理跨学科主题实践活动中的具体应用，培养学生积极认真的学习态度和敢于创新实践的精神。

Graphical abstract

关键词

PBL / 跨学科实践 / 初中物理 / 茶艺 / 探索与实施 / 实践体验

PBL（Project-Based Learning）是一种以学生为中心的教学模式，亦称“项目式教学法”。它是一种在教师指导下，以学生为主体、以问题为导向，让学生经历提出问题、分析问题和解决问题过程的教学方法。在杜威的进步主义教育理念中，PBL教学法理念认为，学生可以通过体验与自身兴趣爱好相符的活动来进行学习提升，提倡在做的过程中学习^［1］。早在20世纪20年代，受进步主义教育思潮影响，美国一些先锋学校便开始尝试打破学科壁垒的教学实践。其理念强调从学生的兴趣和经验出发，围绕实际问题或主题，将不同学科的知识联系起来。教师在其中扮演引导者和合作者的角色，鼓励学生积极进行探索。这些早期的教学实践为后来更为系统化的跨学科课程（如核心课程、综合课程）及探究式学习模式的发展奠定了基础^［2］。将PBL教学法与初中物理跨学科实践相融合，能够加强学科间关联，弥补传统教学的不足。此举有助于打破学科界限，融合多学科知识内容，从而创新教育教学模式。此外，教育教学不应局限于现行教材的模块设定，而应立足课程标准的新要求，进行必要的深化与拓展。

《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《新课标》）新增“跨学科实践”一级主题，其内容要求包含“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个二级主题^［3］。其中，“物理学与日常生活”是跨学科实践的重要内容，通过物理与生活的跨学科实践培养学生联系实际、联系生活的物理观念，同时也能培养学生敢于创新实践的精神。

1　项目来源

“系列茶艺实践体验”项目源自人教版义务教育教科书物理八年级上下册和九年级全一册的相关章节^［4-6］。该项目设计包含“天平使用”“量筒使用”“密度”“杠杆”“机械能”“分子热运动”“大气压”“浮力”“酸碱度”等知识与技能。在实践环节中，学生将学习天平的使用方法与注意事项，随后运用相关技能测量茶叶的质量，并借助密度知识解决实际问题，如计算茶叶的堆积密度；在投茶时通过不同工具的操作，认识杠杆在生活中的应用实例；通过“悬壶高冲”动作，加深对机械能转化的理解；在倒茶过程中，亲身体验大气压在生活中的应用；通过闻茶香，了解分子热运动与扩散现象；观察茶叶在水中的动态变化，运用浮力知识分析与解决问题；最后在品茶时，尝试运用化学中的酸碱度知识，初步区分与解释茶叶的成分。

2 项目设计流程：基于PBL的“系列茶艺实践体验”

2.1 项目目标与素养导向

PBL教学是以学生为中心，让学生经历项目设计、项目实施、项目评价等过程，从提出问题、分析问题、解决问题等3个维度深度展开的教学活动，旨在培养学生的综合实践能力。

在跨学科项目式学习（PBL）的设计与实施中，笔者有效落实了对学生物理观念、科学思维、科学探究能力以及科学态度与责任等物理学科核心素养的培养，全面达成了项目的预设教学目标。具体包括：在物理观念方面，促进了学生对质量、密度、浮力、机械能和内能等重要概念的深化理解；在科学探究方面，学生在模型建构过程中将所学知识进行跨学科“串联”；在科学态度方面，着重培养了学生的证据意识，使其掌握了提出科学问题的方法、解决问题的基本步骤，以及交流展示与评价的能力；在科学态度与责任方面，通过挖掘物理与生活的内在联系，充分帮助学生理解科学本质，同时达成了培养其严谨的科学态度与强烈的社会责任感的教学目标。

项目式教学与《新课标》核心素养目标的结合，是“跨学科活动育人”价值的集中体现，其具体项目目标与素养导向的对接如表1所示。在课堂实践中，教师采取项目式跨学科实践这一创新模式，旨在培养学生逐步形成适应个人终身发展和社会发展所必备的正确价值观、品格与关键能力。

2.2 项目教学重难点

学生能够在茶艺实践活动中，观察并体验其中蕴含的物理现象，运用理化生等多学科知识进行分析和解释，解决实际问题。

2.3 项目实施流程

基于PBL教学法，结合跨学科“物理学与日常生活”二级主题，该课例将教学流程设计为6个子项目并加以实施，分别为“称茶、投茶、泡茶、倒茶、赏茶和品茶”。在称茶项目中，主要渗透质量、密度等物理学科知识；在投茶项目中，了解杠杆的实际应用例证；在泡茶项目中，知晓机械能的转化；在倒茶项目中，理解大气压的存在及应用；在赏茶项目中，掌握分子热运动的特点以及物体的浮沉条件；在品茶项目中，可以利用化学中的酸碱度（pH值）来区分不同茶叶的品种（或类别）或判断品质。

其具体的项目实施流程，即系列茶艺实践体验活动如图1所示。

2.4 项目教学流程

【新课引入】中国是茶的故乡，也是茶文化的发源地。中国茶的发现和利用已有4 700多年的历史，且长盛不衰，传遍全球。茶文化的精神内涵，即是通过沏茶、赏茶、闻茶、饮茶、品茶等习惯与中国的文化内涵和礼仪相结合，形成的具有鲜明中国文化特征的一种文化现象，也可以说是一种礼仪现象。（以毕节古茶宣传片等视频导入新课）

今天，我们将以“毕节茶”为线索，展开项目实践活动。首先，通过这些视频，同学们可以了解孕育了“毕节茶”的独特地理环境——神奇纬度的山峦秘境。

【子项目1：称茶】

教师问题1：为了冲泡出最佳品质的茶水，水与茶叶的质量之比约为50∶1，如何确定在茶壶中应放入多少质量的茶叶？（提示：需进行实际称量）

教师问题2：先称量茶叶，还是先称量水呢？为什么？

学生1：利用天平、烧杯测量水的质量，其公式为m_{\mathrm{水}}=m{}_{\mathrm{总}}{}^{}-m_{\mathrm{杯}}。

学生2：利用量筒、烧杯测量水的质量，其公式为m_{\mathrm{水}}={\rho }_{\mathrm{水}}{V}_{\mathrm{水}}。

学生3：利用老师提供的\mathrm{350}\mathrm{m}\mathrm{L}的水进行估测。

【教师项目驱动】任选一种方法测量茶叶质量，并提出最优方案。

【讨论+实践】采用多种方法测量杯中水的质量，按比例换算后称取适量茶叶。

【子项目2：投茶】

教师问题1：请结合视频内容，总结投茶时用到的相关物理知识。

学生：投茶量用到的物理知识是浮力、杠杆。

教师问题2：如何将茶叶平和优雅地放入茶壶中？

教师问题3：请总结并绘制杠杆的五要素？

【学生活动】投茶。

【演示+实践】借助茶艺工具（茶夹、茶勺、茶拨）实现投茶操作，知道杠杆的实际应用条件。

【子项目3：泡茶】

教师问题：冲泡时，如何才能更快地使茶、水相融合？请讨论并说出与能量相关的知识。

【演示+实践】演示“悬壶高冲”茶叶，通过水流冲击加速其翻滚，展示机械能的转化过程。

【学生活动】茶壶中的水从高处流向杯中，重力势能迅速转化为动能；这股动态水流的动能持续冲击茶叶，不仅加速其舒展，还显著促进了茶叶中风味物质的溶出效率，最终实现茶与水在更短时间内充分融合。

【子项目4：倒茶】

教师问题：在倒茶时，紫砂壶的水流控制效果明显优于普通茶壶，这一优势背后的原理是什么？请同学们仔细思考后再回答。

【学生活动】探究大气压的作用。

【演示+讨论+实践】紫砂壶的壶盖与壶口配合较为紧密，壶盖上常有一个小气孔。在泡茶时，手指堵住气孔可以阻断空气进入，使壶内形成低压，在外界大气压的作用下，水流会自动停止，从而实现断水（图2）；当松开气孔后，水即可正常流出。这一现象利用了大气压的原理。

【子项目5：赏茶】

教师问题1：常见泡茶的方式有两种，冷水泡茶和热水泡茶，要想更快地让茶香四溢，是用冷水还是热水冲泡？为什么？

【学生活动】探究分子的热运动。

【讨论+实践】用热水冲泡茶叶，茶叶会更快地显色、出香，以此了解分子热运动的特点。

教师问题2：冲泡后的茶叶在水中的浮沉状态有无变化，为什么？

【观察+讨论+实践】冲泡后的茶叶在水中，先漂浮，后下沉。其原因可能是茶叶冲泡后吸收水分，密度变大，{\rho }_{\mathrm{叶}}>{\rho }_{\mathrm{水}}，所以下沉，如图3所示。尝试利用生物显微镜对比观察茶叶冲泡前后的细胞图像，从而证实学生的猜想。

【子项目6：品茶】

教师问题：同为茶叶，绿茶与红茶的口味完全不同，可能是什么原因导致的？

【讨论+实践】尝试从化学学科酸碱度的角度进行解释。

【拓展作业】请针对茶的种植、加工、运输、储存等环节，课后任选其一，进行跨学科研究性学习，并完成一篇小报告。

2.5 项目教学反思

该节课基于PBL项目开展跨学科主题实践活动，以“茶”为线索，将物理学科知识串联在“称茶、投茶、泡茶、倒茶、赏茶、品茶”整个过程之中，让学生在体验中国茶文化博大精深的同时，充分展示物理与社会、物理与生物学、物理与化学之间的联系。

课后，笔者围绕茶的种植、加工、运输、储存等环节，要求学生结合某一知识点开展跨学科研究性学习，并撰写小报告，从而使课例的跨学科主题学习得到升华，有效促进了学生综合实践能力的提升，培养了学生核心素养。

3 结语

在义务教育新课改背景下，有效利用10%的课时开展跨学科教学，以此带动90%的课时内容改革，是一线教师实现教学创新与质量提升的重要途径。教师应立足跨学科实践，通过“研读教材，提炼素材；创设真实情境，明确活动主题；以问题驱动项目构建；搭建学习支架，推动成果物化”等步骤，构建跨学科项目流程。

PBL（项目式学习）引导学生经历提出问题、分析问题、解决问题的完整过程，将其融入初中物理跨学科实践，不仅能加强学科关联、弥补传统教学的不足，更能打破学科界限，创新教学模式。这既立足于《新课标》的要求，又超越了教材模块的既定内容，因此，PBL教学法正是撬动跨学科主题实践的那个关键“力臂”，同时也是发展学生核心素养的重要着力点。

参考文献

[1] Wrigley，H S.Knowledge in action：the promise of project-based learning［J］.Focus on Basics，1998，2（D）：13-17.

[2] Akcay H， Yager R E.The impact of a science／technology／society teaching approach on student learning in five domains［J］.Journal of Science Education and Technology，2010，19（06）：602-611.

[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.

[4] 彭前程，杜敏.义务教育教科书物理八年级上册［M］.北京：人民教育出版社，2013.

[5] 彭前程，杜敏.义务教育教科书物理八年级下册［M］.北京：人民教育出版社，2013.

[6] 彭前程，杜敏.义务教育教科书物理九年级全一册［M］.北京：人民教育出版社，2013.

基金资助

2024年度贵州省民族地区专项课题“基于STEAM的初中物理科学探究素养培养的实践研究”(M24041)

2023年贵州省教育科学规划重点课题“基于‘PBL’教学法初中物理跨学科教学的实践研究”(2023A033)

2023年毕节市教育科学规划课题“科学教育‘加法’助推‘双减’的实践研究”(2023B017)

2023年黔南州教育局“揭榜挂帅”教科研项目“利用科学调查体验活动培养县域初中生科学探究素养的实践研究”(2023B243)

2023年黔南州教育局“揭榜挂帅”教科研项目“利用初中物理项目化学习培养科学探究素养的实践研究”(2023B244)