1. 引言
随着科学技术的不断更迭，国家对培养创新人才和技能人才的需求日益增加，2022新颁布的《义务教育物理课程标准》中的一级主题增加了“必做类实验”和“跨学科实践”两类，要求教师走出物理的边界，以世界作为我们的物理课本，设立以跨学科为主题的项目化学习活动，在学生利用好课余时间参与适当科学实践的同时完成跨学科概念的拓展[1]。
“能源与可持续发展”是跨学科实践主题“物理学与社会发展”的三大子主题之一，能量主题的课程内容具有一定的综合性和跨学科性，与生产生活及社会发展密切相关。在人类生产生活中，可为人类提供能量的资源通常有太阳能、光能、化学能、机械能等等，而这些物质资源之间通常可以相互转化和利用[2]。目前的新能源汽车话题在社会上热度久居不下，其动力装置需要以非常规的车用燃料作为载体，氢能源或电能在某种程度上都需要二次加工，是否可以有简单长时间直接获取的一次能源作为动力装置让小车运动起来呢？新课标强调在能量这一主题中引导学生从物理学视角认识能量，将跨学科探究实践活动和物理知识有机融合起来。基于此，我们结合了教科版初中物理教材八下第十二章和九下第十一章的教学内容，开展“新能源小车的设计与制作”跨学科实践教学活动。
2. 基于项目式学习的物理跨学科实践教学设计
2.1. 教学框架建构
由于物理学与日常生活、工程实践、社会发展等都有着密不可分的联系，因此，教师在设计项目化学习活动时，应联系学生的真实生活，结合学生的既有经验，从已有的前概念认识选择或创设合理的真实情境。同时，在此过程中，教师应以学生的小组自主探究为主线，抓住探究型合作学习的关键程序和能力，强调过程中的猜想假设、质疑和反思、交流和讨论、探索和创造。经此过程，学生能有效建立跨学科思维模式，进行深度学习[3] [4]。项目式学习的物理跨学科实践教学整体框架由四个环节构成，情景导入，确定主题，小组合作，成品展演汇报，如图1所示。
2.2. 新能源小车项目流程设计
根据能源这一新型热点话题，并联系物理教材中新课标的要求，我们选择以制作新能源小车项目作为本次跨学科实践的教学案例实践，整体知识线条框架如图2所示[5] [6]。
Figure 1. Project-based teaching framework
图1. 项目式教学框架
Figure 2. Practical framework for the new energy vehicle project process
图2. 新能源小车项目流程实践框架
整个案例是由活动线、知识线和跨学科线层层递进，首先基于真实需求确定项目，其次学生分组动手制作，最后展示交流及反思拓展。
3. “自制新能源小车”跨学科教学实施
3.1. 情景导入
6月13日是众所周知的全国低碳日，践行低碳环保，维护绿色家园是我们一直所要践行的理念，目前国家倡导节能减排，汽车行业也在积极响应，目前新能源车逐渐进入大众视野，熟悉的有氢燃料汽车、纯享电车、太阳能驱动小车，如图3所示。
Figure 3. Types of new energy vehicles
图3. 新能源汽车的种类
思考：同学们，可否利用身边容易获得的能源来作为小车前进的动力呢？既然是绿色环保，我们可否也利用身边简易的物品来制作我们构想的整个框架呢？通过实际情景引入，激发学生的学习兴趣。
3.2. 根据需求成立项目
通过教师引导、学生讨论，很多学生能马上想到利用身边经常接触到的一些简单生活工具(例如木棍、纸盒、木板等)制作新能源小车，可以达到绿色环保，节能减排的作用。于是教师发动学生利用课余时间在校内各处收集可以用到的一切可利用物品，除了电烙铁、剪刀、铁丝等危险物品由教师提供给之外，其余物品皆由学生从生活中获得，他们拾到的有纸壳、吸管、木棍、瓶盖、塑料瓶、筷子、光碟、粘土(粘接剂)，以及自己的热熔胶和胶枪等等，如图4所示。
Figure 4. Low-cost equipment
图4. 低成本器材
接着教师会给出本次项目活动作品的评价标准：①小车运动较远；②小车整体结构稳定牢固；③外形美观操作简洁；④创新意识强烈，并能结合多种学科创造；⑤作品展示小组分工明确，原理清晰与表达流畅。给学生评价量表，小组推选代表进行作品展演，全班打分。至此，制作新能源小车项目正式确立。
3.3. 小组讨论构思设计
根据每位学生的特点，将学生分为6个小组，每个小组推选出一名组长，根据组员的技能擅长组长再次进行任务分配，选出一名卫生员负责每次课后该小组的卫生情况，选出一名财务员和采购员负责小组必要物品购买和保管。
首先，在上次课程结束时，我们提前为每个小组布置了下次课程的前置作业，要求各小组通过查阅物理课本和其他相关书籍资料，以小组合作的方式自学能量转化、物理与工程技术等知识，并设计出初步的项目方案。以下是我们以问题方式设置的制作新能源小车项目课程的前置作业。
问题1：我们要制作怎样的小车，才可以跑得更远，且可以重复利用？
问题2：如何保证小车运动过程中结构稳定不倾倒？
问题3：如何让小车获得更多的能量且结构美观轻巧？
学生查阅资料，自主学习关于能量知识，可以找到小车跑的远取决于获得的能量的大小，而能量之间是可以相互转化的。因此整个问题的设计理念是为了整合物理观念，激发学生思考质疑，培养他们的探究意识和创新意识，为后续深入设计创作奠定基础。
3.4. 模型展示萌发探究意识
教师将亲自制作的新能源小车以实物方式展示给学生，让他们近距离观察小车的整体结构和动力来源，如图5所示。结合制作的不同类型的小车，给予学生引导和启发，并让各小组设计的方案自己进行优化，以确保方案具有实际操作性。
Figure 5. Different types of new energy car model display
图5. 不同类型新能源小车模型展示
教师通过将趣味实验以实物展示的方式引入课堂，不仅可以显著提高学生的学习热情，还可以增强学生对相关知识的感性认识，进而促进他们对这些知识的深入理解，有助于他们在脑海中形成物理观念。
3.5. 小组分工实践操作
在执行整个项目的过程中，小组成员需要具备明确的分工和指导。通过有效的组织和管理，将复杂的任务细分为具体的子任务，每个成员承担一部分工作，这不仅可以显著提高工作效率，还能加速项目的完成进度。
整个新能源小车的制作过程中，同学们选择的类型是较为繁琐的，因此在整个课堂实践环节当中，部分学生选择进行打孔操作，一部分组员留在组内进行各个工件的安装，组长进行任务统筹，耗费一节课整个项目进行的如火如荼，有的小组加上了自己的灵感对小车的结构进行了美化，如图6所示。学生不仅制作出了属于自己的新能源小车，而且体验了我们生活中的水也可以作为小车前进的动力，间接实践了能量之间的相互转化。整个项目的进行在培养学生动手实践能力的同时，还掌握了相关的物理知识和工程技术知识。
Figure 6. The group practiced making pictures of the car
图6. 小组动手实践制作小车照片
3.6. 成品展演师生共评
在项目产品制作完成后，六个小组分别选派一名语言表达能力强的成员上台展示本组作品，详细介绍作品的原理和设计思路。其他小组则对展示的小车结构进行评估，包括判断其大小是否合适、水轮是否能够被水流推动以及结构是否稳定。同时，他们还会对展示小组的创新方式提出质疑，要求展示小组进行答辩以解答疑问。通过这种方式，各小组可以相互学习、交流和分享经验，促进彼此的成长和提升，如图7所示。
Figure 7. Group works show
图7. 小组作品展演
经过六个小组的展示，大家收集信息和数据形成了自己的评价，虽然部分小组没有尽善尽美，小车结构出现松动，小车运动缓慢，小车运动滞留，但是整体的制作都能够符合要求。教师对每个小组的优点进行表扬，指明缺点鼓励学生反思改进。
项目式作业强调学生的实践操作能力，评价量表则通过对学生实践成果的评估，促进其实践能力的提高。同时，学生在实践中不断尝试、摸索和创新，能够培养出更加强烈的实践能力和创新精神。对于每小组的整体项目制作，教师对学生展示环节进行点评，梳理能源的知识点，最后进行归纳总结，强化学生对于能量知识的理解。对于小组的评价则采取了如表1的评价量表。
Table 1. Group work evaluation scale
表1. 小组作品评价量表
评价项目 |
评价说明 |
自评(15%) |
生评(50%) |
师评(35%) |
项目的设计(30分) |
1. 小车的结构稳定性 |
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2. 小车运材料的选择 |
3. 小车外形的设计 |
项目的制作(40分) |
1. 小车制作的方法 |
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2. 材料的成本选取 |
3. 整体结构稳定度 |
4. 能量转化的多少 |
5. 分工明确，团结协作 |
项目的介绍(30分) |
1. 原理掌握度 |
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2. 语言流畅度 |
3. 小车实验 |
3.7. 总结反思，产品改进
整个项目结束后，引导学生及小组进行自我反思，总结经验，促进自己和他人共同进步，是教育过程中的重要环节，如表2所示，整个表格分为步骤，自身反思、小组反思和项目反思。
Table 2. Group reflection improvement table
表2. 小组反思改进表
类别 |
说明 |
关于自身反思 |
1. 通过制作“自制系能源小车”项目学习了哪些知识？ |
2. 这个项目给你最大的启发是什么？ |
关于组内反思 |
1. 通过制作“自制系能源小车”项目你们小组有哪些收获？ |
2. 你们小组在组内分工方面有哪些优点？有哪些还值得改进的地方？ |
关于项目反思 |
1. 90分钟的时间足够完成项目吗？ |
2. 你觉得在项目活动安排上有哪些值得改进？ |
一个环节通过自我反思，学生可以对自己的行为和决策进行评估，识别自己的优点和不足，从而有机会改进自己的学习和思维方式。同时，学生还可以通过分享自己的反思成果与小组成员进行交流，促进彼此的进步。为了更好地引导学生进行自我反思和总结经验，我们可以制定小组项目反思改进表。这张表格可以列出反思的项目、目标、方法、执行过程和结果等，帮助学生系统性地进行反思和总结。通过小组项目反思改进表的应用，我们可以更好地促进学生的自我发展和提高他们的团队协作能力。
4. 反思与小结
加强学科间相互关联，强调课程综合化实施的教育理念，促使我们探索物理与工程整合的方法和路径，这是落实《义务教育物理课程标准(2022年版)》中综合化实施要求的必由之路。本研究基于项目式学习，尝试开发初中物理与工程跨学科实践案例——“制作新能源小车”，通过挖掘现行教材，开发具有跨学科性质和实际生活价值的项目，并围绕项目规划、问题解决、展示评价三个阶段设计和组织教学。这种实践强调支持学生参与科学和工程实践活动，学习并应用物理原理，最终以制作物化成果作为学习结束的标志。通过基于项目的初中物理与工程跨学科实践，物理学与工程实现了有效、有机的整合。