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        新課標(biāo)下傳統(tǒng)科技與初中物理教學(xué)的結(jié)合

        2023-05-30 10:48:04叢小涵肖瑩瑩羅宇芳陳森森葉晴瑩
        中學(xué)理科園地 2023年1期
        關(guān)鍵詞:物理教學(xué)傳統(tǒng)文化新課標(biāo)

        叢小涵 肖瑩瑩 羅宇芳 陳森森 葉晴瑩

        摘 ? 要:在新課標(biāo)的指導(dǎo)下,將物理學(xué)科知識與中國傳統(tǒng)科技在初中物理教學(xué)中結(jié)合,以“回音建筑”為例進(jìn)行說明,與新課標(biāo)中新增的活動建議相適應(yīng),有效促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展。

        關(guān)鍵詞:新課標(biāo);傳統(tǒng)文化;物理教學(xué);回音建筑

        2022年4月,教育部印發(fā)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(下簡稱“新課標(biāo)”)。在課程目標(biāo)上,新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)物理課程獨(dú)特的育人價值,重視學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。在課程內(nèi)容上,新課標(biāo)將社會主義先進(jìn)文化、中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化等重大主題教育有機(jī)融入課程,添加多項與中國傳統(tǒng)科技相關(guān)的課程內(nèi)容和活動建議。在教學(xué)基本要求上,新課標(biāo)明確指出教師在物理教學(xué)中應(yīng)“將培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)貫穿教學(xué)的全過程”,靈活運(yùn)用情境化教學(xué)、問題教學(xué)等多種教學(xué)方式。

        中國傳統(tǒng)科技文化作為中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的重要組成部分集中體現(xiàn)了古代先賢格物致知、善用物理規(guī)律的科學(xué)智慧,以及求真務(wù)實、經(jīng)世致用的人文精神。將中國傳統(tǒng)科技作為物理教學(xué)中的素材既可以潛移默化地進(jìn)行知識的傳授,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[ 1 ],又符合新課標(biāo)對教學(xué)內(nèi)容的要求,有利于進(jìn)一步增強(qiáng)課程內(nèi)容和育人目標(biāo)之間的聯(lián)系。

        以“回音建筑”為例,說明在初中物理教學(xué)中融入傳統(tǒng)科技文化的具體方式。回音建筑是一種有獨(dú)特聲學(xué)現(xiàn)象的我國古建筑,我國現(xiàn)存四大回音建筑,分別為天壇回音壁、寶輪寺塔、普救寺塔和四川石琴。新課標(biāo)在聲學(xué)部分的課程內(nèi)容中新增了“查閱資料,了解我國古建筑應(yīng)用聲學(xué)知識的案例”的活動建議,以充滿中國智慧的回音建筑作為該活動的素材可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識的同時了解我國古代的物理學(xué)和建筑學(xué)成就,發(fā)展物理核心素養(yǎng),增強(qiáng)民族自信。

        1 ?創(chuàng)設(shè)情境,激發(fā)興趣

        天壇是我國“四大回音建筑”之首,其中的幾個著名的聲學(xué)現(xiàn)象更是聲學(xué)史上的奇跡[ 2 ]?!盎匾舯凇奔礊樘靿穆晫W(xué)現(xiàn)象之一,如圖1所示,回音壁即天壇皇穹宇周圍的圓形圍垣,其直徑六十余米,與標(biāo)準(zhǔn)400 m田徑跑道內(nèi)側(cè)的彎道直徑相當(dāng),但兩人分別站在東西側(cè)配殿之下,面朝北側(cè)墻壁輕聲說話,仍可以清晰地聽到對方的說話聲音。

        為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,教師可以在課前建議學(xué)生利用課間時間,兩人一組分別站在跑道彎道的兩側(cè)(距離約60~70 m),背向?qū)Ψ捷p聲拍手或輕聲說話,學(xué)生會發(fā)現(xiàn)很難聽到對方的聲音,在開始上課后,教師播放體現(xiàn)回音壁傳聲現(xiàn)象的視頻。學(xué)生觀看視頻后發(fā)現(xiàn)回音壁兩側(cè)的人距離很遠(yuǎn),卻可以清晰地聽到對方輕聲說話的聲音,這與之前在跑道兩側(cè)進(jìn)行實驗時的現(xiàn)象明顯不同,因此產(chǎn)生認(rèn)知沖突,從而對學(xué)習(xí)相關(guān)知識,探究回音壁傳聲現(xiàn)象的原理產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣。教師可以在此時對天壇進(jìn)行進(jìn)一步的介紹,促進(jìn)學(xué)生了解相關(guān)的文化情境,強(qiáng)化其學(xué)習(xí)動機(jī):天壇始建于十六世紀(jì),是古代皇帝舉行祭祀,祈求五谷豐登的場所,其恢弘大氣的建筑風(fēng)格與以回音壁為代表的奇特聲學(xué)現(xiàn)象相得益彰,使天壇成為我國古代建筑史和科技史上的瑰寶。

        2 ?探究原理,深入剖析

        對于剛剛接觸物理的初二學(xué)生而言,在不借助相關(guān)資料的情況下獨(dú)立分析回音壁傳聲原理的難度較大。教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用信息技術(shù)自主搜集相關(guān)資料,在過程中加深對于回音壁傳聲現(xiàn)象及其文化內(nèi)涵的理解。學(xué)生通過不同途徑進(jìn)行搜索,會搜集到多種可能的解釋,其中的一些解釋(比如回音壁傳聲現(xiàn)象的原理是聲音在墻體中傳播)是缺乏證據(jù)支持甚至錯誤的,此時教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生對互聯(lián)網(wǎng)上紛繁復(fù)雜的觀點進(jìn)行鑒別,培養(yǎng)其獨(dú)立思考,質(zhì)疑創(chuàng)新的意識,比如詢問學(xué)生:一間教室的長度大概是十米,如果我站在和我們教室相隔六間教室的地方面向墻壁輕聲講話,大家站在我們教室外,可以聽到聲音么?通過教師的提問,學(xué)生會對互聯(lián)網(wǎng)上的已有觀點產(chǎn)生懷疑,并在親身嘗試后逐漸認(rèn)識到回音壁傳聲現(xiàn)象不僅是或不是因為聲音在墻體中傳播,一定與回音壁的特殊結(jié)構(gòu)存在關(guān)聯(lián)。此時,教師引導(dǎo)學(xué)生在查詢到的各種解釋的基礎(chǔ)上對回音壁的傳聲原理作出相關(guān)假設(shè),一般來講學(xué)生所作出的假設(shè)主要有以下兩種:

        a.聲音受到建筑結(jié)構(gòu)的束縛,只能沿回音壁向前推進(jìn),很難向其他方向擴(kuò)散,最終聲音全都聚在一起傳入聽話人的耳朵,所以雖然距離遠(yuǎn)也可以清晰地聽到聲音。

        b.聲音在傳播過程中多次被墻體反射,因而傳播得比較遠(yuǎn)。

        在此基礎(chǔ)上,教師與學(xué)生一同設(shè)計實驗方案,驗證所作出的假設(shè)。一些學(xué)生聯(lián)想到聲納等利用聲速測距的儀器,提出能否基于類似的原理設(shè)計實驗。教師可以對提出該構(gòu)想的學(xué)生進(jìn)行表揚(yáng)鼓勵,隨后與學(xué)生一同完善實驗方案:先測量發(fā)出聲音與聽到聲音之間的時間間隔,再根據(jù)聲速公式計算聲音的傳播距離,結(jié)合回音壁的實際尺寸確定聲音的傳播路徑。

        受到實際條件的限制,開展實地實驗的可能性較低,因此教師可以提供圖2中其他學(xué)者通過實驗所收集的數(shù)據(jù)[ 3 ]作為替代,指導(dǎo)學(xué)生通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)檢驗猜想。圖2是在回音壁西配殿附近處以掌聲作為聲源,在東配殿附近處放置聲級計和磁帶機(jī)記錄聲波,再用譜分析儀繪制的聲波波形時域圖,該圖中的橫坐標(biāo)表示時間,縱坐標(biāo)表示振幅,代表了聲音的響度大小。

        通過提取圖2中的相關(guān)信息可以計算出橫軸的上一個小格對應(yīng)74.6 ms,因此利用聲速公式可以計算出圖2中1、2兩處聲音所對應(yīng)的傳播距離分別約為42 m和157 m,在此基礎(chǔ)上結(jié)合實際傳聲情景和回音壁的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建相應(yīng)的物理模型,可以確定1處的聲音為圖3中A點發(fā)出的聲音經(jīng)直線直接傳播至B點,2處聲音的傳播距離略小于從A到B的優(yōu)弧弧長,因而回音壁傳聲現(xiàn)象的真正原因是聲音在墻壁表面按照圖3所示的路徑被多次反射后傳到聽者耳中,同時由于墻壁限制了聲音在水平方向上的衰減,經(jīng)反射的聲音2強(qiáng)度強(qiáng)于直線傳播的聲音1,聽者能夠聽到響亮清晰的聲音[ 4 ],也即先前的假設(shè)a和假設(shè)b都有其合理性,但又都不完善。

        3 ?實踐擴(kuò)展,加深理解

        在探明回音壁的傳聲原理后,學(xué)生對古代能工巧匠的智慧贊不絕口,同時也驚喜地發(fā)現(xiàn)看似神秘的傳聲現(xiàn)象居然可以用如此簡潔的物理原理進(jìn)行解釋。此時,教師可以鼓勵學(xué)生利用身邊的材料制作一個簡易的回音壁模型來展現(xiàn)回音壁的傳聲原理。市面上有各種類型的天壇模型,但這些模型都無法體現(xiàn)回音壁的傳聲現(xiàn)象,這是因為人耳無法分辨近距離處的原聲和回聲。因此,教師可以提示學(xué)生光和聲一樣有反射現(xiàn)象,并提供激光筆和錫箔紙、鏡面貼紙等反光材料以及剪刀、雙面膠等工具,組織學(xué)生用光代替聲音,展現(xiàn)回音壁的傳聲原理。學(xué)生在多次嘗試并將自己的作品與他人相對比后會發(fā)現(xiàn):當(dāng)用于反光的弧面平整時能夠較清晰地觀察到光被多次反射的現(xiàn)象(如圖4所示),而弧面凹凸不平時則很難觀察到明顯的現(xiàn)象(如圖5所示)。此時,教師可以鼓勵學(xué)生在課后繼續(xù)查閱相關(guān)資料,思考聲音的反射效果是否也會受到表面平整程度的影響,并在此基礎(chǔ)上總結(jié)思考保護(hù)回音建筑的要點。

        相關(guān)資料顯示,回音壁最初是使用“磨磚對縫”的工藝制成,其表面非常平整光滑,而目前由于一些游客亂寫亂刻的不文明行為,回音壁的表面變得凹凸不平,其傳聲性能也受到了影響。在查閱資料了解到這些信息后,學(xué)生會認(rèn)識到聲音的反射效果同樣受到表面平整程度的影響,因此回音建筑的特殊聲學(xué)現(xiàn)象依賴于其整體結(jié)構(gòu)的完好及其表面的平整,游客自覺文明游覽并保護(hù)回音建筑的表面對于保護(hù)回音建筑的聲學(xué)性能非常關(guān)鍵。同時,通過動手實踐以及擴(kuò)展思考,學(xué)生也認(rèn)識到物理知識不但能用于解題,更是在文物保護(hù)及其他生產(chǎn)生活領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用,從而能夠進(jìn)一步增強(qiáng)科學(xué)責(zé)任感,逐步養(yǎng)成學(xué)好科學(xué)知識,利用科學(xué)知識為國家發(fā)展做出貢獻(xiàn)的使命感。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 林馨郁,符宇萌,王汐檸,等.STEAM教育與傳統(tǒng)文化在物理教學(xué)中的結(jié)合——以“走馬燈”為例[J].中學(xué)理科園地,2022,18(1):3-6.

        [2] 田時秀.中國古代聲學(xué)的發(fā)展[J].物理,1976(6):347-350.

        [3] 周克超,俞文光,賈隴生,等.天壇聲學(xué)現(xiàn)象的首次測試與綜合分析[J].自然科學(xué)史研究,1996(1):72-79.

        [4] 湯定元.天壇中幾個建筑物的聲學(xué)問題[J].物理,1953(2):53-59.

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