李 政 丁益民 楊翔宇 方心如 郭修星

（湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062）

1 問(wèn)題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》凝練出了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面，通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)促進(jìn)學(xué)生逐步形成個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力.［1］STEM教育起源于上世紀(jì)70年代美國(guó)為提升國(guó)家綜合實(shí)力而進(jìn)行的教育革新，是融合科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）4門學(xué)科的跨學(xué)科教育理念，其本質(zhì)就是要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)綜合運(yùn)用各學(xué)科知識(shí)的能力，可以說(shuō)STEM與核心素養(yǎng)的理念不謀而合，因此基于核心素養(yǎng)的STEM教學(xué)成為了教師們探索的新模式.但STEM教育過(guò)于偏重理科學(xué)習(xí)，一味追求科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和理工科人才的培養(yǎng)，忽視了教育對(duì)社會(huì)問(wèn)題的關(guān)注和人文藝術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，并不能有效培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”，達(dá)到“人文底蘊(yùn)”與“科學(xué)精神”協(xié)同發(fā)展培養(yǎng)全面發(fā)展的人的精神理念.［2］如何在傳授物理知識(shí)的同時(shí)提升學(xué)生的人文底蘊(yùn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任呢？

STEAM應(yīng)運(yùn)而生，即將藝術(shù)（Arts）融入到STEM教育中，強(qiáng)化學(xué)生的藝術(shù)熏陶和人文底蘊(yùn).STEAM教育實(shí)現(xiàn)了藝術(shù)與科學(xué)的深度融合，一方面大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣及參與程度，進(jìn)而提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，另一方面極大促進(jìn)了科學(xué)與藝術(shù)的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了理性與感性的對(duì)話.［3］A-STEM教育在STEAM的基礎(chǔ)上，突出藝術(shù)（Arts）教育的作用，更加強(qiáng)調(diào)了教學(xué)的人文價(jià)值和內(nèi)涵，是由中國(guó)STEM教育協(xié)作聯(lián)盟創(chuàng)始發(fā)起人鄒曉東博士首次提出.

本文基于A-STEM，對(duì)“聲音的特性”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì).以小提琴協(xié)奏曲“梁?！保ㄋ囆g(shù)）為情境提出問(wèn)題，應(yīng)用手機(jī)軟件Phyphox（技術(shù)），設(shè)計(jì)兩則實(shí)驗(yàn)：看見(jiàn)聲音；定量研究聲音（工程和數(shù)學(xué)），探究聲音的3個(gè)特性（科學(xué)）.

2 “聲音的特性”設(shè)計(jì)案例

筆者學(xué)習(xí)小提琴8年有余，深知藝術(shù)欣賞人文精神對(duì)學(xué)生的理科學(xué)習(xí)有著極大的促進(jìn)作用.以“聲音的特性”為例，給課堂帶來(lái)藝術(shù)的美感、藝 術(shù)的思考.教學(xué)設(shè)計(jì)中包括設(shè)置情境、工程設(shè)計(jì)、科學(xué)探究、數(shù)學(xué)分析和合作交流幾個(gè)核心要素.［4］

2.1 “聲”臨其境，設(shè)置問(wèn)題

播放2016年9月杭州G20峰會(huì)的文藝匯演上，小提琴大師呂思清演奏中國(guó)名曲《梁?！?，傳播中國(guó)藝術(shù)文化如圖1.之后教師用自己的小提琴演奏出一個(gè)八度中的所有音，并向?qū)W生提出問(wèn)題：如何用物理知識(shí)去分析《梁?！?？

圖1 小提琴《梁?！?/p>

設(shè)計(jì)意圖：以藝術(shù)情境設(shè)置問(wèn)題，講述中國(guó)已逐漸走進(jìn)世界舞臺(tái)中心的真實(shí)事例，根植學(xué)生民族情懷，筑牢民族自信心.教師的小提琴走進(jìn)教室，利用教師特長(zhǎng)感染學(xué)生.

2.2 工程設(shè)計(jì)，看見(jiàn)聲音

（1）實(shí)驗(yàn)原理介紹.

利用放大法把揚(yáng)聲器鼓膜的振動(dòng)放大，利用轉(zhuǎn)換法通過(guò)六棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成激光運(yùn)動(dòng)軌跡.

（2）裝置介紹.

整個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器手工制作，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路參考了文獻(xiàn)，［5］在其基礎(chǔ)上把發(fā)音體音叉換成手機(jī)模擬聲音，由喇叭進(jìn)行放大，好處在于頻率可調(diào).揚(yáng)聲器是從廢舊擴(kuò)音器中拆除的，用帶有USB供電口的音響線給揚(yáng)聲器供電，如圖2.

圖2 USB供電線

喇叭口用氣球膜緊緊包裹并在表面貼上圓形小鏡子.用PVC板固定住激光筆并調(diào)整好角度.六棱柱是用整塊PVC板裁剪成六塊長(zhǎng)15cm，寬10cm，厚5mm的長(zhǎng)方形板而制，如圖3.將整塊鏡子用金剛刀裁剪出六塊長(zhǎng)13cm，寬8cm的小長(zhǎng)方形玻璃，貼在剛才的長(zhǎng)方形板上制成六棱鏡，放在轉(zhuǎn)臺(tái)上面.

圖3 六棱鏡和裝置俯視圖

教師活動(dòng)：接通電源，用手機(jī)軟件Sound Generator模擬出69Hz（考慮到喇叭的頻率上限和共振，實(shí)驗(yàn)得出69Hz效果最明顯）的單音，打開(kāi)激光筆照射在喇叭的圓形小鏡子上，再反射到六棱柱的長(zhǎng)方形鏡子上（這一步不要轉(zhuǎn)動(dòng)六棱柱），先讓學(xué)生看見(jiàn)原地振動(dòng)的光點(diǎn).接著勻速轉(zhuǎn)動(dòng)六棱柱，就會(huì)出現(xiàn)一道光波，讓學(xué)生切實(shí)看到聲音是一道波，如圖4.

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)六棱柱后的光波

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)闡述工程制作的流程及遇到的問(wèn)題，使學(xué)生體會(huì)到創(chuàng)作的樂(lè)趣，激發(fā)學(xué)生自己動(dòng)手的欲望.通過(guò)用激光顯示聲音的方法，增加課堂的視聽(tīng)效果，使學(xué)生體會(huì)到物理的神奇，初步學(xué)習(xí)物理的學(xué)生對(duì)這門學(xué)科產(chǎn)生極大的興趣.

2.3 科學(xué)探究，數(shù)學(xué)分析

教師活動(dòng)：用手機(jī)軟件Phyphox分別模擬出200Hz、400Hz的單音，先讓學(xué)生聽(tīng)并區(qū)分音調(diào)高低，再用另外一部手機(jī)的Phyphox測(cè)出兩個(gè)單音，并將結(jié)果投影到大屏幕，如圖5，第1幅是200Hz的波形，第2幅是400Hz.向?qū)W生介紹周期的概念，引導(dǎo)學(xué)生分別找出兩個(gè)波形的周期：5ms、2.5ms，從而得到振動(dòng)越快，音調(diào)越高的結(jié)論.

圖5 200Hz、400Hz單音的波形圖

設(shè)計(jì)意圖：借助信息技術(shù)手段，引導(dǎo)學(xué)生從定性認(rèn)識(shí)振動(dòng)過(guò)渡到定量認(rèn)識(shí)，更好地用數(shù)據(jù)理解頻率.引導(dǎo)學(xué)生從觀察現(xiàn)象、搜集數(shù)據(jù)到最后的得出結(jié)論，提高學(xué)生的分析總結(jié)能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力.

2.4 合作交流，拓展工程

在控制變量法思想的指引下，學(xué)生經(jīng)過(guò)討論得出，此儀器可以繼續(xù)探究響度和音色.具體操作是：控制音調(diào)不變改變音量大小探究響度與振幅關(guān)系，如圖6；用不同樂(lè)器產(chǎn)生相同單音探究音色與聲音的關(guān)系，如圖7.

圖6 相同頻率下不同振幅的光點(diǎn)

圖7 手機(jī)、小提琴、笛子的單音Do波形圖

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生自主思考試驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移，形成科學(xué)思維及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢響B(tài)度.同時(shí)一器多用，實(shí)現(xiàn)儀器的價(jià)值最大化.

2.5 物理解釋藝術(shù)，文理深度融合

介紹《梁?！肥巧虾Ｒ魳?lè)學(xué)院為建國(guó)10周年的獻(xiàn)禮作品.《梁祝》以越劇唱腔為素材，描述了梁山伯與祝英臺(tái)凄美的愛(ài)情故事.

播放呂思清版本《梁祝》，1′17″時(shí)小提琴開(kāi)始獨(dú)奏代表祝英臺(tái)的聲音，2′時(shí)低音部奏出同樣的旋律代表梁山伯的聲音.所有音相同但頻率降為一半，一個(gè)八度，證明頻率低，音調(diào)低.

16′20″英臺(tái)哭墳章節(jié)，祝英臺(tái)得知梁山伯郁郁而終，悲痛欲絕，哭聲震天動(dòng)地.此時(shí)整個(gè)樂(lè)團(tuán)和小提琴獨(dú)奏的響度巨大，應(yīng)用Audacity軟件分析，在16′振幅最大.說(shuō)明了振幅越大，響度越大.

圖8 Audacity軟件分析振幅

14′15″樓臺(tái)會(huì)章節(jié)，梁山伯來(lái)到亭臺(tái)與祝英臺(tái)約定來(lái)世再見(jiàn)，同樣悲傷、無(wú)奈的旋律卻由小提琴和大提琴一唱一和地獨(dú)奏出來(lái).證明發(fā)聲體自身的材料和結(jié)構(gòu)決定著音色.

3 結(jié)束語(yǔ)

以樂(lè)曲賞析為情境，以工程設(shè)計(jì)為載體，通過(guò)技術(shù)定量分析，進(jìn)行科學(xué)探究，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維.介紹中國(guó)名曲《梁?！?，激發(fā)學(xué)生的民族自信心和自豪感，促進(jìn)學(xué)生形成物理核心素養(yǎng).此教學(xué)設(shè)計(jì)融入A-STEM教學(xué)情況如表1.

表1 A-STEM中的核心素養(yǎng)要素

基于A-STAM的教學(xué)設(shè)計(jì)，突出傳統(tǒng)文化的基礎(chǔ)上，整合了各學(xué)科知識(shí)進(jìn)行物理教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)其他學(xué)科知識(shí)的同時(shí)，在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中又能發(fā)揮自己的特長(zhǎng)，提升學(xué)生課堂參與感，提高課堂效率.知識(shí)的整合又能為學(xué)生面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題，從不同角度分析、解決問(wèn)題提供能力保障，學(xué)生在此過(guò)程中學(xué)到的不僅僅是知識(shí)，更是終身發(fā)展的核心素養(yǎng).［6－7］