STREAM理念下初中物理实践作业策略

摘要

STREAM理念下的初中物理实践作业，应立足物理学科，有机整合科学、技术、工程、艺术、数学及阅读等多维要素。这种整合在培养学生跨学科实践能力的同时，亦能助力其物理学科核心素养的全面发展。STREAM理念倡导的“问题导向、工程核心、探究引领”学习模式，与新课标跨学科实践要求高度契合。据此，以“制作简易纸盒独弦琴”为例，深入探究其设计方法与实施路径，旨在为初中物理学习评价的重构提供新的实践视角。

Graphical abstract

关键词

STREAM理念 / 初中物理 / 实践作业 / 制作 / 独弦琴 / 策略

STREAM是科学（S）、技术（T）、阅读（R）、工程（E）、艺术（A）及数学（M）的统称^［1］，其核心理念在于以问题解决为导向、以工程活动为核心，构建一种历经探究过程的跨学科综合教育模式^［2］。这一理念与《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）新增的一级主题“跨学科实践”高度契合。《课标》下设的三个二级主题——“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”，正是STREAM理念在物理教学中的具象化体现。

初中物理作业虽包含基础、探究及实践等多种形式，但唯有立足《课标》要求^［3］，基于STREAM理念的作业方能打破学科壁垒，在夯实物理学科基础的同时，有机整合多维要素，调动学生多元认知，从而提升作业品质与实践效能。这种整合不仅能培养学生跨学科实践能力，更有助于其物理学科核心素养的全面提升。基于此，笔者以“制作简易纸盒独弦琴”（简易纸盒独弦琴以下简称独弦琴）为例，深入剖析STREAM理念下物理实践作业的设计逻辑与实施路径，以期为初中物理教学改革提供可参照的实践范本。

1 设计思想

为深入贯彻STREAM教育理念，紧扣实践作业主题，笔者特制定各领域具体且具有针对性的学习目标（制作独弦琴作业的学习目标分解如表1所示）。其设计过程注重学科逻辑与学生认知规律的融合，具体设计流程如图1所示。

2 教学过程

2.1 情境引入

师：2025年2月1日，“2025年非遗晚会”登陆央视综合频道并同步在综艺频道播出。来自广西东兴的京族独弦琴表演惊艳亮相。作为京族独有的传统乐器，它以“一弦多音、音韵空灵”著称。2011年5月23日，京族独弦琴艺术正式列入第三批国家级非物质文化遗产名录。

师：仅凭一根琴弦，如何奏出如此丰富的旋律呢？今天，就让我们通过一段演奏，一起感受这份独特的民族智慧。（教师播放独弦琴演奏视频）

【问题驱动】如何利用废旧纸盒等生活材料，设计并制作一架能稳定发声、音高可调、可完整演奏《小星星》乐曲的独弦琴？（附乐谱）

设计意图：该案例源于“2025年非遗晚会”中独弦琴艺术的精彩展示。学生通过设计并制作独弦琴，探究弹拨乐器发声机理，感悟京族传统工艺的智慧。该作业不仅深化了学生对声学知识的理解，更让其在科学与艺术的交融中提升文化自信，切实落实STREAM理念下知识学习与素养培育的有机统一。

2.2 结构拆解

【问题驱动】观察独弦琴的示范模型（或结构图），启发学生思考其发声原理与构造逻辑。

【问题链】①发声原理：独弦琴为什么能够发声？声音是如何产生的？②工程安装：安装橡皮筋（琴弦）时，为什么必须将其绷紧？松紧程度如何影响声音？③科学标记：在橡皮筋上作标记的物理依据是什么？这些标记如何帮助我们控制音高？

设计意图：针对初二学生物理实践能力较弱的学情，教师先展示范例并提供配套材料包，以降低操作门槛，确保全员参与。通过层层递进的问题链，引导学生从“看热闹”转向关注“结构与功能的关系”，突破“振动产生声音”及“音调与频率关系”的重难点，以便为后续的自主制作与调试奠定坚实的认知基础。

2.3 探究原理

【实验探究】探究独弦琴音调与琴弦长度的关系。

【提出问题】如果改变独弦琴琴弦的有效振动长度，其发声的音调会发生怎样的变化？

【猜想与假设】琴弦长度越短，振动频率越快，发出声音的音调越高。

【设计并开展实验】如图2所示，取一块长木板，在一端固定琴弦，另一端通过定滑轮悬挂重物（或利用旋钮）将琴弦绷紧。在琴弦下方放置可移动的小木块作为桥码。

【实验操作】保持琴弦松紧不变，左右移动木块的位置，改变琴弦振动部分的长度，用同样大小的力拨动琴弦，比较音调变化。

【分析论证】琴弦发声的音调与长度有关。长度越短，振动频率越高，音调越高；反之，音调越低。

设计意图：掌握音调控制原理是制作独弦琴的关键。该环节摒弃枯燥的概念灌输，引导学生通过控制变量法，自主探究“长度—频率—音调”的内在逻辑。这不仅扫清了制作过程中的技术障碍，更培养了学生像工程师一样发现问题、验证猜想的科学思维，实现了从“盲目制作”到“理性设计”的转变。

2.4 制作过程

独弦琴实物如图3所示，所用材料有：纸盒、橡皮筋、螺丝钉、油性记号笔、吸管。

（1） 活动1：制作琴身。

①固定琴码：在纸盒一端距边缘约3 cm处安装一颗螺丝钉，钉尖朝内，留出约0.5 cm空隙；②对称安装：在纸盒另一端对应位置安装另一颗螺丝钉，确保两钉在同一直线上；③架设琴弦：将橡皮筋一端钩挂在左侧螺丝钉上；④张紧琴弦：水平拉直橡皮筋，将其另一端钩挂在右侧螺丝钉上，确保橡皮筋平整且无扭转；⑤初步试音：用吸管按住橡皮筋的不同位置（改变有效振动长度），另一只手拨动琴弦，辨别音调高低变化。

（2） 活动2：调试音阶。

①定音排序：尝试弹奏do re mi fa sol la si音阶。②软件测频：保持环境安静，手机麦克风距声源10～15 cm，利用Phyphox等软件测量频率。对照音阶频率表（表2），微调手指按压位置，直至频率落在标准值±10 Hz范围内。③标记定位：用油性记号笔在橡皮筋相应位置作标记，作为后续演奏的指法参考。

设计意图：学生通过亲手制作与调试，将抽象的“声学原理”具象化为指尖的操作。利用Phyphox软件将不可见的“振动频率”可视化，帮助学生建构“长度—频率—音调”的物理模型，提升科学推理与建模能力。同时，通过反复调试寻找标准音高，不仅锻炼了工程实践能力，也体现了STREAM理念中利用现代技术解决现实问题的核心思想。

2.5 作品展示

学生完成制作后，首先参照乐谱进行基础演奏练习。在此基础上，教师鼓励学生发挥创造力，尝试即兴创编乐曲。为进一步升华学习体验，教师可指导学生组建“独弦琴乐队”进行合奏，甚至将物理课堂延伸至校园舞台。其次，选拔表现优异的学生团队，推荐其在学校艺术节、科技节等平台进行成果展示。这一过程不仅让学生在“做中学”中获得了成就感，更促使他们运用物理原理解释并优化艺术表现，真正实现了STREAM教育理念下科学精神与人文素养的同频共振。

2.6 评价反馈

当完成制作与演奏后，师生依据评价量表（表3）开展多维度评价。量表涵盖科学性、规范性与协作性等指标，结合班级展示与年级交流进行互评反思。

【问题驱动】审视作业成果，对照量表判断你处于何级水平。若要进阶，需在哪些方面改进？

【AI赋能与迭代优化】教师引导学生利用国产生成式人工智能平台DeepSeek进行拓展探究。学生输入提示词（Prompt）：“请分析现代独弦琴的构造与制作要点。”AI迅速生成包含材料力学、声学原理的详细报告。学生通过研读报告，突破了经验局限，为作品优化提供了创新视角。

【结合AI分析与实操反思，学生制定了针对性改进措施】①增强琴身刚度：弃用软质快递盒，改用硬质鞋盒或加厚纸板，防止演奏时箱体共振变形；②加固连接结构：针对螺丝钉易松动问题，采用热熔胶或502胶水进行二次加固，提升结构稳定性；③优化琴弦材质：针对橡皮筋易老化、音准差的问题，试用尼龙线或高韧性鱼线替代，以显著改善音色质感与耐用性。

设计意图：《课标》明确提出“鼓励利用现代信息技术”^［4］。DeepSeek作为我国自主研发的顶尖AI工具，其强大的信息处理能力为物理学习注入了新动能。该环节不仅训练了学生检索、甄别与转化信息的阅读理解能力（R），更让他们在使用国产顶尖人工智能工具的过程中，切身感受到国家科技实力，增强了民族自豪感与科创自信，潜移默化地落实了立德树人的根本任务。

3 设计策略

依托独弦琴的制作实践，提炼并构建了基于STREAM理念的初中物理实践作业设计策略。

3.1 情境引入，确定主题

该案例以央视非遗独弦琴展演为切入点，确立了基于STREAM理念的情境化主题——制作独弦琴。该情境不仅创设了真实的学习场域，更有效激发了学生的探究内驱力。鉴于作业原型与真实乐器在声学原理上具有同构性，教师引导学生通过探究活动解构其工作原理，成功搭建起新知（STREAM作业）与旧知（物理声学）之间的迁移桥梁，为高质量完成作业奠定了认知基础。

3.2 问题导向，科学引导

鉴于初二学生物理知识尚处入门阶段，制作任务对其具有一定挑战性。为此，教师需对工作原理、选材及关键步骤进行前置引导，旨在消除畏难情绪，确保学生“乐于制作”且“善制会作”。建构主义学习理论指出：“学习不是从传授者到接受者的被动刺激与知识传递，而是学生在特定情境中主动建构意义的过程。”^［5］基于此，为维持学生的学习动力，教师需引导学生融通多学科知识体系，将作业难点置于真实问题情境中。通过分解驱动问题，搭建递进式“脚手架”，引导学生经历“发现—提出—分析—解决”问题的完整探究闭环，从而逐步突破认知障碍，最终达成教学目标。

3.3 展示评价，优化提高

依托多元化评价机制，引导学生开展深度反思，促使隐性知识显性化。通过反思，学生全面梳理知识体系，实现物理概念的深度内化与操作技能的有效迁移，从而驱动作品进入“设计—制作—优化”的迭代闭环。在“双减”背景下，作业评价已从单一纸笔测试转向多元化综合评价。基于STREAM理念的物理实践作业，突破了传统范式，融合了设计、制作与探究等多重要素。对此，评价应坚持激励性原则，从科学性（原理）、工程性（结构）、艺术性（美感）及创新性共四个维度展开，真正做到以评导学、以评促思，充分发挥评价的增值功能，助力学生物理学科核心素养的全面提升。

4 结语

制作独弦琴案例生动诠释了“做中学”的深层内涵，证实了STREAM教育理念在提升作业实践性与综合性方面的独特效能。该设计不仅致力于在真实情境中培育学生的核心素养与问题解决能力，更在打破学科壁垒、活化知识结构方面作出了有益尝试。笔者期待该研究能为一线物理教师提供可复制、可推广的实践范式，助推初中物理作业从“知识本位”向“素养本位”的深度转型。

参考文献

[1] 王素月，罗生全，黎聚才.学前STREAM教育在中国：现状、问题及建议［J］.教育与教学研究，2019，33（08）：78-88.

[2] 缪玲.STREAM教育理念下班级课程资源开发与利用实践探索：以厦门市第九幼儿园为例［J］.教育观察，2022，11（24）：52-56.

[3] 谭振兴，庄中木.深度学习视域下初中物理课外实践作业设计［J］.实验教学与仪器，2023，40（09）：3-4，21.

[4] 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.

[5] 曲爽，于海波.建构主义学习理论对新课程物理教学设计的启示［J］.中学物理，2019，37（07）：18-19. （上接第40页）

[6] 不同教学情境的需求，提升学生对物理规律的理解与应用能力。

基金资助

江苏省教育科学“十三五”规划2020年度课题“基于STREAM教育理念的初中物理实验拓展研究”(D/2020/02/268)

广西教育科学“十四五”规划2023年度一般课题“结合国家中小学智慧教育平台的高中物理混合式教学的应用与实践研究”(2023C810)