朱文軍

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校,江蘇 南京 210011)

1 引言

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》指出:核心素養(yǎng)是課程育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。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)任四個方面。為實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科的全面育人功能,在《聲現(xiàn)象》備課中可以從核心素養(yǎng)的四個方面展開解構(gòu)。

2 物理觀念

物理觀念是指從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量等的基本認(rèn)識，它是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，也是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)。物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動與相互作用觀念、能量觀念等要素。在《聲現(xiàn)象》中涉及物質(zhì)觀、運(yùn)動和相互作用觀、能量觀等。

2.1 物質(zhì)觀

蘇科版物理八年級上冊(以下簡稱教材)第一章《聲現(xiàn)象》首先介紹了聲音的產(chǎn)生,通過探究歸納不同物體發(fā)聲的情況(求同)、對物體發(fā)聲與不發(fā)聲進(jìn)行對比(求異)，得出結(jié)論：聲音是由物體振動產(chǎn)生的,正在發(fā)聲的物體叫聲源,氣體、液體和固體都可以振動發(fā)聲?！奥曉础笔且粋€重要的概念,在探究聲源振動發(fā)聲的過程中深刻理解聲源的物質(zhì)性;在聲音的傳播教學(xué)中,通過生活經(jīng)驗和課堂實(shí)驗發(fā)現(xiàn)：聲音可以在氣體、液體和固體中傳播,能傳聲的物質(zhì)叫介質(zhì)。這些內(nèi)容將為學(xué)生形成物質(zhì)觀奠定基礎(chǔ)。

2.2 運(yùn)動和相互作用觀

聲音是一種波,聲音以波的形式在介質(zhì)中傳播,且傳播的速度可能會不同。聲源的振動就是一種運(yùn)動,這種運(yùn)動有自己的特征,比如振幅和頻率,不同的聲音的波形一般也不同。

把兩個頻率相同的音叉的共鳴箱間隔一定距離相對放置,敲擊一個音叉,與另一個音叉接觸的懸掛著的乒乓球會被彈開,這就是一種“共鳴”現(xiàn)象,屬于一種相互作用。

2.3 能量觀

通過觀察放在音響前面的蠟燭火焰跳動、超聲波可以碎石、聲音可以引起鼓膜振動等實(shí)例說明聲音具有能量。

3 科學(xué)思維

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的一種認(rèn)識方式;它既是建構(gòu)物理模型的抽象概括過程;也是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用;還是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同信息、觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判,予以檢驗和修正,進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的品格與能力。科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。

3.1 模型建構(gòu)

3.1.1 顯示音叉的振動

用音叉探究聲音是由物體的振動產(chǎn)生的,(1) 將正在發(fā)聲的音叉叉股輕輕插入盛滿水的燒杯中,會看到水花飛濺;(2) 敲擊音叉,將用細(xì)線懸掛的輕質(zhì)小球與音叉接觸,會觀察到小球被彈開;(3) 敲擊音叉,在音叉發(fā)聲的同時把音叉放在臉頰或用手觸摸,可感受到音叉的振動。前兩種方法是通過觀察水花飛濺或小球被彈開這種視覺現(xiàn)象來說明音叉發(fā)聲時在振動,后兩種方法是通過觸覺來說明音叉發(fā)聲時叉股在振動。通過音叉的振動建構(gòu)物理模型,通過視覺或者觸覺來體驗音叉的微小振動。

3.1.2 顯示鼓面的振動

在用鼓探究聲音的產(chǎn)生、聲音的響度與振幅關(guān)系時,可以在鼓面上撒一些小紙屑、小塑料泡沫粒等質(zhì)量較小的物體,會觀察到這些物體跳起來了，說明鼓面在振動,這也是一種模型的建構(gòu)。

3.1.3 真空不能傳聲

在用鐘罩實(shí)驗探究真空能否傳聲時,把發(fā)聲的鬧鈴放在玻璃罩中,用抽氣機(jī)向外抽氣,可以聽到鈴聲在逐漸變小。這里就需要建立一種模型——真空,設(shè)想把玻璃罩中空氣全部抽出,那就是真空,應(yīng)該一點(diǎn)聲音都聽不到。在實(shí)驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理外推,可以得出:真空不能傳聲。

3.2 科學(xué)推理

3.3.1 通過推理得出聲音是由物體振動產(chǎn)生的結(jié)論

在教材“想一想”欄目中，在利用一張紙、一根橡皮筋、一個筆帽、一杯水發(fā)聲的基礎(chǔ)上提出問題：物體發(fā)聲時與不發(fā)聲時有什么不同？物體發(fā)聲時有什么共同特征？運(yùn)用了探究事物間因果關(guān)系時常用到的穆勒五法中的求異法和求同法。求異法在探究兩個事物之間是否有因果關(guān)系時,要求不同場景中只有一個要素不同,當(dāng)這個要素存在時會出現(xiàn)現(xiàn)象,沒有要素時就不出現(xiàn)現(xiàn)象,那么現(xiàn)象的出現(xiàn)就很有可能與這個要素有關(guān)。在利用求同法尋找兩個事物之間是否有因果關(guān)系時,要求考察的幾個場景中只有一個共同的因素出現(xiàn),都會產(chǎn)生相同的現(xiàn)象(如發(fā)聲),那么這個現(xiàn)象的出現(xiàn)很可能與這個共同的因素(如振動)有因果關(guān)系。

3.2.2 通過類比提出聲音是一種波

通過類比推理得出的結(jié)論雖然具有或然性,但是研究的現(xiàn)象越多,得出結(jié)論的可靠程度也就越高。

教材在介紹聲波之前,介紹了水波和搖動繩子時產(chǎn)生的“繩波”,并指出這兩種波都是凹凸相間的波。彈簧波則是一種疏密相間的波,接著介紹聲音在空氣中傳播的過程中,會形成一種疏密相間的波,即聲波，這是把聲波類比于彈簧波。

3.2.3 探究響度與振幅、音調(diào)與頻率的關(guān)系

在用音叉探究聲音的響度與振幅關(guān)系時,用大小不同的力敲擊音叉,讓發(fā)聲的音叉慢慢接觸懸掛著的乒乓球,會發(fā)現(xiàn)：用力越大,聲音的響度就越大,乒乓球被彈開的角度也就越大。乒乓球被彈開的幅度隨之增大,說明音叉振動的幅度也在增大。這用到了探究兩個事物之間因果關(guān)系的穆勒五法中的共變法，使用共變法時,要求在實(shí)驗的過程中只改變一個物理量,如果現(xiàn)象隨著這個物理量的變化而變化,那說明它們之間有因果聯(lián)系。我們可以得出結(jié)論：聲源的振幅越大,聲音的響度越大。

同理,在探究聲音的音調(diào)與聲源振動頻率的關(guān)系時,可以將一把鋼尺的一端緊壓在桌面上,讓另一端伸出桌面部分較長,撥動尺子使之振動,聽聲音的同時注意鋼尺振動的快慢。縮短尺子伸出桌面的長度,再次撥動鋼尺做幾次實(shí)驗。比較、分析幾種不同情況下聲音的音調(diào)與鋼尺振動快慢之間的關(guān)系，這個實(shí)驗用到的控制變量法的背后邏輯因素就是推理時用到了共變法。

圖1

3.3 科學(xué)論證

如何才能“看到”聲音？我們可以利用光現(xiàn)象來反映聲現(xiàn)象，如圖1所示，把兩只紙杯底部用細(xì)棉線連起來,做成“土電話”，固定住一只紙杯,在杯口處蒙上橡皮膜,在膜上貼一塊小平面鏡,拉緊棉線,將激光照射到小平面鏡上，對著另一只紙杯說話,你會看到激光被反射出現(xiàn)的光點(diǎn)在晃動,這就是你的“聲音”。這種方法是將聲信號轉(zhuǎn)化成光信號,并進(jìn)行放大,從而可以“看見”聲音。

3.4 質(zhì)疑創(chuàng)新

3.4.1 探究固體傳聲

在研究固體能否傳聲時,教材中設(shè)計的方案如下:利用一張桌子做實(shí)驗，一位同學(xué)輕敲桌子,另一位同學(xué)把耳朵貼在桌面上。由實(shí)驗?zāi)艿贸鍪裁唇Y(jié)論？

這種方案的設(shè)計沒有考慮到這位同學(xué)的另一只耳朵還可以聽到通過空氣傳播過來的聲音,實(shí)驗方案存在缺陷。所以,需要這位同學(xué)堵住另一只耳朵，或者用“土電話”的活動來說明固體可以傳聲。

3.4.2 探究液體傳聲

教材中設(shè)計的方案如下:雙手拿著石頭在水中擊打,我們可以聽到敲擊石頭的聲音。這種方案的不足之處是:聲音可以通過人手、胳膊傳播出來,不足以說明聲音是通過水傳播的。可以改進(jìn)成用細(xì)線系好音樂芯片放在水中,人在旁邊可以聽到音樂聲。也可以改進(jìn)為用塑料袋裝手機(jī)后置于水中,用細(xì)線系住塑料袋，這兩種方案都是抓住了主要矛盾,忽略聲音通過細(xì)線傳播這種途徑。當(dāng)然,最佳方案是讓發(fā)聲物體懸浮在水中,可以通過改變塑料袋的大小,使塑料袋和手機(jī)受到的浮力和重力大小相等，從而實(shí)現(xiàn)懸浮。

3.4.3 鐘罩實(shí)驗的改進(jìn)

做鐘罩實(shí)驗時,如果把鬧鐘直接放在鐘罩的底座上,聲音可以通過固體傳播,實(shí)驗效果不佳?？梢愿倪M(jìn)如下:把鬧鐘墊在海綿或泡沫上,起到減震的作用。還可以把鬧鐘懸掛在玻璃罩的頂部，以忽略次要因素——細(xì)線的傳聲,從而使實(shí)驗效果得到改善。如果沒有現(xiàn)成的鐘罩實(shí)驗裝置,可以用集氣瓶替代鐘罩來完成實(shí)驗。

3.4.4 顯示音叉振動的波形

在探究音叉振動的波形時,除了可以用示波器以外,還可以在音叉上固定一根鋼針,把一塊用蠟燭熏黑的玻璃板沿著垂直于音叉振動的方向快速劃過,可以看到玻璃板上留下的音叉振動的波形。

通過以上問題的討論和實(shí)驗改進(jìn),可以培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成不迷信權(quán)威、勇于創(chuàng)新的意識。

4 科學(xué)探究

科學(xué)探究是指基于觀察和實(shí)驗提出科學(xué)問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實(shí)驗與制訂方案、獲取與處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力?？茖W(xué)探究主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素。

在《聲現(xiàn)象》這一章中涉及的科學(xué)探究有：探究聲音的產(chǎn)生、聲音的傳播、響度與聲源振動幅度的關(guān)系、音調(diào)與聲源振動頻率的關(guān)系等實(shí)驗。下面以探究聲音的產(chǎn)生為例，來說明科學(xué)探究的幾個要素。

4.1 提出問題

聲音是大家最熟悉不過的一種現(xiàn)象,那么聲音到底是怎么產(chǎn)生的？

4.2 證據(jù)

在探究聲音的產(chǎn)生時,可以通過物體發(fā)聲與不發(fā)聲的不同進(jìn)行對比,也就是運(yùn)用求異法,得出聲音是由物體振動產(chǎn)生的結(jié)論。也可以通過尋找各種發(fā)聲物體的共同特征進(jìn)行求同,得出結(jié)論。

4.3 解釋

用敲擊發(fā)聲的音叉靠近懸掛著的乒乓球,會看到乒乓球被彈開,說明音叉在振動;不敲擊音叉時不發(fā)聲,靠近懸掛著的乒乓球,看不到乒乓球被彈開,從而說明聲音是由物體的振動產(chǎn)生的。為了使實(shí)驗結(jié)論更加可靠,還可以選用其他聲源進(jìn)行研究。音叉的振動還可以通過其他一些現(xiàn)象得出,比如將敲擊后的音叉插入水中,看到水花飛濺等。

5 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)和了解科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境之間關(guān)系的基礎(chǔ)上,探索自然的內(nèi)在動力,嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是、持之以恒的品質(zhì),熱愛自然、保護(hù)環(huán)境、遵守科學(xué)倫理的自覺行為,以及推動可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的使命擔(dān)當(dāng)?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任等要素。

5.1 科學(xué)本質(zhì)

在介紹實(shí)驗室常見的音叉、鼓、鑼、鋼尺發(fā)聲的基礎(chǔ)上,可以和同學(xué)一起討論各種動物的發(fā)聲,比如蚊子、蟋蟀、蝙蝠、水母、母雞、海豚等發(fā)聲原理。

在講到回聲時,可以引導(dǎo)學(xué)生討論：老師在講課時,教室內(nèi)是否有回聲？我們?nèi)硕袥]有接收到回聲？人們是否能分辨出回聲與原聲？補(bǔ)充介紹江西弋陽的“四聲谷”：游客高喊一聲后,可以連續(xù)聽到四個回聲，還可以拓展雙耳效應(yīng)和立體聲的知識。

在講到固體傳聲時,可以引導(dǎo)學(xué)生討論：人們在咀嚼堅果時,為什么自己感覺到聲音很大而旁邊的人幾乎聽不到咀嚼聲？從而介紹骨傳導(dǎo)。

在介紹超聲波時,可以引導(dǎo)學(xué)生討論：蝙蝠為何能在黑夜飛行？從而引出回聲定位，還可以進(jìn)一步討論聲吶與雷達(dá)的不同之處。

在傳揚(yáng)我國古代在聲現(xiàn)象研究中的成就時,可以介紹天壇的回音壁和三音石、戰(zhàn)國時期的曾侯乙編鐘、7000多年前的骨哨和骨笛，探討山西永濟(jì)縣境內(nèi)的鶯鶯塔的聲學(xué)現(xiàn)象,游客站在塔前擊打石塊,聲音經(jīng)過多層塔檐反射后,回聲相繼延遲,可以聽到蟾鳴般的回聲,出現(xiàn)“普救蟾聲”的奇妙現(xiàn)象。

據(jù)記載,唐朝在洛陽有一個老和尚,有一天得到一個磬。結(jié)果那個磬常常半夜自鳴,老和尚疑神疑鬼,被嚇得生起大病來。后來經(jīng)有學(xué)問的人指點(diǎn),才知道此磬與前殿大鐘的固有頻率相同,擊彼應(yīng)此,故鐘鳴磬響。

在用發(fā)聲的音叉接觸懸掛著的乒乓球時,學(xué)生會發(fā)現(xiàn)乒乓球會彈開的幅度時大時小,沒有一定的規(guī)律。這里的原因主要是乒乓球被彈開一次后,再與音叉接觸時,每次音叉振動的相位不同,乒乓球的速度也不同,碰撞后乒乓球獲得的能量也不同。

通過這些知識的介紹,學(xué)生可以對一些聲現(xiàn)象的本質(zhì)有更多的了解,保持對探索科學(xué)的興趣與熱情,在認(rèn)識自然的過程中獲得成就感與自豪感。

5.2 科學(xué)態(tài)度

在用鐘罩實(shí)驗研究真空能否傳聲時,不論怎么抽氣,坐在前排的同學(xué)還是能聽到微弱的聲音,這時教師不要回避現(xiàn)象,要和學(xué)生探討其中原因,一是不可能抽成真空,二是底座或者是懸掛的細(xì)線總還會傳聲。引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到在研究物理問題時,可以忽略次要因素,抓住主要因素,在實(shí)驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理推理、得出結(jié)論。

都說聲音是一種波,如何看見這種波呢？可以借用示波器或者示波器軟件,來研究聲音的響度與振幅的關(guān)系、聲音的音調(diào)與聲源頻率的關(guān)系,會看到不同樂器發(fā)聲時的波形不同。

通過了解貝多芬晚年失聰,用牙齒咬著硬棒搭在鋼琴上聽聲譜曲的故事,學(xué)習(xí)他對音樂的熱愛和追求,樹立嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

引導(dǎo)學(xué)生討論：百米賽跑的計時員能否通過聽槍聲計時?利用探究的結(jié)論：敲擊裝有不同深度水的玻璃杯發(fā)出聲音的音調(diào)不同,帶領(lǐng)學(xué)生制作小樂器(比如水杯琴、橡皮筋吉他),養(yǎng)成學(xué)生的實(shí)事求是、尊重自然規(guī)律的科學(xué)態(tài)度。

5.3 社會責(zé)任

學(xué)生通過學(xué)習(xí)了解噪聲的形成、危害、控制以及不可聽聲的利用等,了解倒車?yán)走_(dá)、超聲導(dǎo)盲儀、超聲除草器、超聲波加濕器、超聲探傷儀、超聲波測速儀、“水母耳”次聲預(yù)報儀、語音識別系統(tǒng)等,發(fā)生地震時敲擊暖氣片能把敲擊聲傳遍樓內(nèi)各處,以鮮活、富有時代氣息的事例，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科技對人類生活、自然環(huán)境及社會發(fā)展的影響,養(yǎng)成環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展的意識,有將科學(xué)技術(shù)服務(wù)于人類的意識,養(yǎng)成民族復(fù)興大業(yè)的使命感與擔(dān)當(dāng)意識。