鐘婧妍 鄭衛(wèi)峰

(福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院,福建 福州 350117)

陳佳洱院士曾說：“只有經(jīng)過科學(xué)文化的充分熏陶,青少年才能成為未來社會(huì)有用的科技人才,未來社會(huì)的管理者才能適應(yīng)科學(xué)文化與人文文化不斷融合的未來社會(huì).”面對(duì)時(shí)代發(fā)展的需要,《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”)的修訂原則提出“將社會(huì)主義先進(jìn)文化、革命文化、中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、國(guó)家安全、生命安全與健康、環(huán)境保護(hù)等重大主題教育有機(jī)融入課程,增強(qiáng)課程思想性”“堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn),反映經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新變化、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步新成果,體現(xiàn)課程時(shí)代性”,[1]即新課標(biāo)的課程內(nèi)容增加了中國(guó)元素的比重,引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)文化自信,樹立科技強(qiáng)國(guó)的遠(yuǎn)大理想.本文將從新課標(biāo)的視域,以“聲現(xiàn)象”主題為例,分析適宜融入初中物理的中國(guó)元素主要類型,展示切合不同課程內(nèi)容的中國(guó)元素挖掘思路,領(lǐng)略“聲音”的不同魅力.

1 分析“新課標(biāo)”的中國(guó)元素

中國(guó)元素,來源于中國(guó)傳統(tǒng)文化,或產(chǎn)生于中國(guó)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展,是多數(shù)中國(guó)人認(rèn)同、凝結(jié)民族精神、體現(xiàn)國(guó)家尊嚴(yán)的物質(zhì)文化元素和非物質(zhì)文化元素,也是隨時(shí)間推移而發(fā)展的動(dòng)態(tài)體系.[2,3]

新課標(biāo)的課程內(nèi)容,引入“雨露霜霧雪”等天文氣象元素,“樓臺(tái)倒影入池塘”“潭清疑水淺”等文學(xué)作品元素,展現(xiàn)自然現(xiàn)象的物理規(guī)律;引入“當(dāng)?shù)毓喔燃夹g(shù)”“當(dāng)?shù)厝剂鲜褂谩钡鹊赜蛱厣?呈現(xiàn)日常生活的物理概念;引入“古建筑”“橋梁建筑”“三峽工程”等建筑工程元素,體現(xiàn)物理規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用;引入“5G技術(shù)”“高速列車”“新能源汽車”“人造太陽”等工業(yè)技術(shù)元素和前沿科學(xué)元素,凸顯物理對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用;引入“青銅器鐵器”“火藥”“司南”“水磨水碓”等歷史文物元素,彰顯物理對(duì)人類文明的作用;引入“中國(guó)天眼”“天問一號(hào)”“奮斗者號(hào)”“北斗衛(wèi)星”等大國(guó)重器元素,詮釋中國(guó)智慧和中國(guó)實(shí)力;引入“航天人的進(jìn)取精神”“趙忠堯、錢學(xué)森、鄧稼先等科學(xué)家的愛國(guó)情懷”等精神象征元素,發(fā)揚(yáng)愛國(guó)主義和民族精神.

分析上述中國(guó)元素發(fā)現(xiàn)：(1) 適宜融入初中物理的中國(guó)元素類型豐富,如圖1“中國(guó)元素類型部分”所示,將中國(guó)元素分為自然元素和文化元素兩大類,文化元素又可分為物質(zhì)文化元素、非物質(zhì)文化元素,圖中也呈現(xiàn)各個(gè)元素進(jìn)一步的細(xì)分.(2) 不同類型的中國(guó)元素服務(wù)于不同的課程內(nèi)容,如圖1“課程內(nèi)容分析部分”所示,將課程內(nèi)容分為“從生活走向物理”和“從物理走向社會(huì)”兩大類.此外,根據(jù)教學(xué)所需的課程內(nèi)容,選擇適合融入的中國(guó)元素類型時(shí),便形成了初中物理中國(guó)元素的挖掘思路.

接下來,將以“聲現(xiàn)象”主題為例,依照中國(guó)元素的挖掘思路,分析適合融入各個(gè)教學(xué)內(nèi)容的“聲現(xiàn)象”相關(guān)中國(guó)元素.

圖1 初中物理中國(guó)元素的挖掘思路圖

2 挖掘“聲現(xiàn)象”的中國(guó)元素

依據(jù)“從生活走向物理”“從物理走向社會(huì)”的課程內(nèi)容分類思路,將“聲現(xiàn)象”主要教學(xué)內(nèi)容分為兩大類.如圖2“課程內(nèi)容分析部分”所示,一類是“探究物理規(guī)律”的“聲音的產(chǎn)生與傳播”和“聲音的特性”課題;另一類是“應(yīng)用物理規(guī)律”的“聲音的應(yīng)用”課題,和關(guān)注“社會(huì)責(zé)任”的“噪聲的防治”課題.

按照中國(guó)元素的挖掘思路,尋找適宜融入上述課題的中國(guó)元素主要類型.如圖2“中國(guó)元素類型部分”所示,“聲音的產(chǎn)生與傳播”課題以“文字資料元素”中“文獻(xiàn)史料元素”為主線;“聲音的特性”課題以“傳統(tǒng)藝術(shù)元素”中“傳統(tǒng)音樂元素”為主線;“聲音的應(yīng)用”課題,可分為“現(xiàn)代科技元素”中“大國(guó)重器元素”,以及“建筑工程元素”中“歷史建筑元素”兩條主線;“噪聲的防治”課題以“制度規(guī)范元素”中“法律法規(guī)元素”為主線.

下文不僅呈現(xiàn)各個(gè)課題中國(guó)元素的“主線”挖掘思路,同時(shí)也展示“輔線”挖掘思路,并詳細(xì)介紹所挖掘的中國(guó)元素資料及其作用.

圖2 “聲現(xiàn)象”主題下中國(guó)元素的挖掘思路圖

2.1 “聲音的產(chǎn)生與傳播”以“文獻(xiàn)史料”為主的中國(guó)元素

主線“文獻(xiàn)史料元素”是重現(xiàn)古籍記述的認(rèn)識(shí)聲音、探究聲音過程,輔線“歷史文物元素”是了解有關(guān)聲音規(guī)律的發(fā)明創(chuàng)造,如圖3所示.

圖3 “聲音的產(chǎn)生傳播”課題中國(guó)元素的挖掘思路圖

素材1：古籍記述各種的聲音現(xiàn)象.西漢《淮南子》記載“清水音小,濁水音大”,即清濁水不同的聲音現(xiàn)象;南朝《南齊書》記載“電光,有頃雷鳴,久而止”,即雷電的聲音現(xiàn)象;宋朝《宋史》記載“星皆若隔絳紗,折裂有聲”,即北極光的聲音現(xiàn)象.[4]由古人對(duì)聲音自然現(xiàn)象的觀察引入,了解古人對(duì)認(rèn)識(shí)自然的渴望,激發(fā)學(xué)生探尋聲音現(xiàn)象的本質(zhì).

素材2：古籍記述物體發(fā)聲時(shí)的特點(diǎn).春秋《考工記》記載“薄厚之所振動(dòng),清濁之所由出”,[4]即敲鐘時(shí)撫摸鐘壁感受振動(dòng),觀察到不同音調(diào)、不同鐘壁厚度的振動(dòng)現(xiàn)象不同.引導(dǎo)學(xué)生沿著古人認(rèn)識(shí)聲音的道路,通過觀察、探究物體發(fā)聲情況,歸納聲音的產(chǎn)生條件.

素材3：古籍記述弦的微小振動(dòng)演示實(shí)驗(yàn).北宋沈括的《夢(mèng)溪筆談》記載“剪紙人加弦上,鼓其應(yīng)弦,則紙人躍”,[4]將紙人放在弦上,弦共振時(shí)紙人會(huì)跳動(dòng),即用紙人放大弦的微小振動(dòng)(圖4).此方法與學(xué)生用乒乓球、紙屑檢測(cè)物體的振動(dòng)一樣,讓學(xué)生跨越時(shí)空體會(huì)“以輕小之物放大微小振動(dòng)”的巧思,感受古人“以世界本身來解釋世界”的智慧.

素材4：古籍以水波比喻聲音的波動(dòng).明朝宋應(yīng)星的《論氣》記載“以石投水,其文浪以次展開,至縱橫尋丈而猶未歇,其蕩氣也亦猶是焉”,[4]將石頭投入水中,產(chǎn)生的水波不斷向外擴(kuò)散,聲音也是這樣傳播的,即用水波解釋聲波在空氣中的傳播.根據(jù)古人對(duì)聲音傳播的思考,通過觀察水波了解看不見的聲波,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力.

素材5：古代運(yùn)用聲音傳播規(guī)律的軍事生產(chǎn)工具.古人在軍事中利用固體傳聲,將陶甕埋在地下作為“地聽器”,監(jiān)聽地面?zhèn)鞑サ穆曇?圖5);古人在生產(chǎn)中利用液體傳聲,將結(jié)在船舷上的長(zhǎng)木棒稱為“榔”,用榔敲擊船舷的聲響驅(qū)魚入網(wǎng).通過古人運(yùn)用聲音在不同介質(zhì)的傳播,讓學(xué)生體會(huì)物理對(duì)生產(chǎn)生活、社會(huì)發(fā)展的影響.

圖4 用紙人放大弦線微小振動(dòng)的示意圖

圖5 地聽器的示意圖

2.2 “聲音的特性”以“傳統(tǒng)音樂”為主的中國(guó)元素

主線“傳統(tǒng)音樂元素”是欣賞極富中國(guó)特色的傳統(tǒng)民族樂曲,輔線“歷史文物元素”是展示敦煌莫高窟樂舞圖中的傳統(tǒng)民族樂器,如圖6所示.

圖6 “聲音的特性”課題中國(guó)元素的挖掘思路圖

素材1：古代對(duì)“聲音”二字的定義.宋朝《樂書》記載“凡物動(dòng)而有聲,聲變而有音”,[4]即物體振動(dòng)所產(chǎn)生的為聲,聲聲之間滿足數(shù)理關(guān)系為音.由古代聲音定義引入,了解古人關(guān)于律學(xué)的大量數(shù)理研究,為聲音到音樂的角度轉(zhuǎn)變做鋪墊.

素材2：具有獨(dú)特韻味的中國(guó)民族管弦樂曲.通過中央民族樂團(tuán)的演奏視頻,以音樂為載體,傳承和發(fā)揚(yáng)中華文化.其中,用于課堂的樂曲不僅滿足耳熟能詳、主旋律突出、旋律不復(fù)雜、有交響樂版本的條件,還滿足“同旋律由弱漸強(qiáng)演奏”比較“響度”、“同旋律高八度演奏”比較“音調(diào)”、“同旋律不同樂器呼應(yīng)式演奏”比較“音色”,如《梅花三弄》《金蛇狂舞》《瑤族舞曲》《彩云追月》等.通過旋律的對(duì)比,使學(xué)生了解聲音的特性,通過民樂與交響樂版本的對(duì)比,讓學(xué)生感受中華獨(dú)有的千年樂律之美.

素材3：呈現(xiàn)多種中國(guó)民族樂器的古代壁畫.結(jié)合敦煌莫高窟唐代壁畫樂舞圖(圖7),查閱資料簡(jiǎn)易制作古代樂器,再現(xiàn)大唐的音樂盛世,如磐、缶、阮、箜篌、排簫、古琴(圖8).通過觀察探究所制樂器響度、音調(diào)的影響因素,體會(huì)古代工匠的非凡智慧與精湛技藝,領(lǐng)悟音樂文化對(duì)中華文明的影響.

圖7 敦煌莫高窟唐代樂舞圖

圖8 民族樂器制作成品圖

2.3 “聲音的應(yīng)用”以“大國(guó)重器”為主的中國(guó)元素

主線“大國(guó)重器元素”是介紹國(guó)家探索深海、捍衛(wèi)海洋權(quán)益的水下聲音系統(tǒng),輔線“動(dòng)物植物元素”“歷史文物元素”“工業(yè)技術(shù)元素”是呈現(xiàn)人類受自然啟發(fā)的科技成果,如圖9所示.

圖9 “聲音的應(yīng)用”課題中國(guó)元素的挖掘思路

素材1：有關(guān)聲音現(xiàn)象的動(dòng)物生存技能.海豚、蝙蝠通過超聲波進(jìn)行回聲定位,槍蝦的氣泡通過振動(dòng)產(chǎn)生巨大響聲與空化現(xiàn)象,水母通過特別的器官感受次聲波.通過了解自然動(dòng)物運(yùn)用聲音的生存技能,使學(xué)生感嘆大自然的神奇,為人類模仿動(dòng)物的發(fā)明做鋪墊.

素材2：利用聲音現(xiàn)象的古代生活工具.古人將去節(jié)竹筒插入地下,探聽遠(yuǎn)方人馬聲;將去節(jié)竹筒插入水中,利用魚群本身的聲音探聽魚群方位與數(shù)量,成為現(xiàn)代聲吶的始祖.通過古人運(yùn)用聲音現(xiàn)象的工具,從古今科技發(fā)展的角度,為現(xiàn)代發(fā)明做鋪墊.

素材3：應(yīng)用聲音現(xiàn)象的現(xiàn)代仿生技術(shù).人類模仿蝙蝠、海豚,運(yùn)用超聲波發(fā)明聲吶、超聲雷達(dá)、B超、金屬檢測(cè)等;人類模仿槍蝦,運(yùn)用超聲波產(chǎn)生空化氣泡的沖擊力清洗、霧化、消毒、混合水油、處理種子、結(jié)石手術(shù)等;人類模仿水母,設(shè)計(jì)“水母耳”監(jiān)測(cè)次聲波,預(yù)報(bào)自然災(zāi)害.通過運(yùn)用自然、造福人類的發(fā)明創(chuàng)造,使學(xué)生了解利用聲音傳遞信息、能量的魅力,感受科技發(fā)展對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用.

素材4：大國(guó)重器中自主研發(fā)的聲音系統(tǒng).在深海的開發(fā)探索中,從2012年“蛟龍?zhí)枴薄?017年“深海勇士號(hào)”到2020年“奮斗號(hào)”載人潛水器的聲學(xué)系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)了完全的國(guó)產(chǎn)化,“海斗”“海燕”“海翼”號(hào)無人潛水器也逐次刷新紀(jì)錄;在海洋權(quán)益的維護(hù)中,2018年中國(guó)“海眼”水聲遠(yuǎn)程探測(cè)系統(tǒng)從有到無,成為第3個(gè)擁有海洋水聲監(jiān)視雙體船國(guó)家.通過我國(guó)先進(jìn)的水下聲學(xué)系統(tǒng),了解深海中導(dǎo)航、定位和通信對(duì)于國(guó)家安全的重要性,感受我國(guó)科技突破的艱辛,見證我國(guó)科技從追趕、并跑到領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變.

2.4 “聲音的應(yīng)用”以“歷史建筑”為主的中國(guó)元素

主線“歷史建筑元素”是了解中國(guó)四大回聲建筑、傳統(tǒng)戲臺(tái)琴室建筑的聲音反射與共鳴,輔線“山谷水域元素”是感受大自然山谷傳聲的有趣現(xiàn)象,如圖10所示.

圖10 “聲音的應(yīng)用”課題中國(guó)元素的挖掘思路

素材1：大自然的山谷回聲,如江西弋陽的圭峰、福建福鼎的太姥山等.其中,太姥山有兩處回聲景點(diǎn),一處在回音廊,朝著九鯉朝天石喊,可聽三聲應(yīng)答;另一處在摩霄峰,朝著對(duì)面喊,可聽七聲應(yīng)答.讓學(xué)生體驗(yàn)聲速與聲音反射所帶來的奇妙經(jīng)歷,感受祖國(guó)的大好河山,感嘆自然的鬼斧神工.

素材2：中國(guó)四大回聲建筑,為北京天壇回音壁、山西鶯鶯塔、河南寶輪寺塔、重慶石磴琴聲.在天壇的回音壁、圜丘、三音石,具有奇特的聲音反射現(xiàn)象(圖11);在鶯鶯塔和寶輪寺塔,游人立于塔四周特定距離處擊石、拍掌,會(huì)聽到類似蛙鳴的聲音(圖12);在石磴琴聲,游人沿著洞口石階緩步而登,第4級(jí)至第19級(jí)石階,會(huì)發(fā)出音色頗像古琴的聲音.由山谷回聲到回聲建筑的遞進(jìn),使學(xué)生領(lǐng)略到古代匠人技藝的巧奪天工.

素材3：傳統(tǒng)戲臺(tái)琴室建筑,如登封中岳廟北宋露臺(tái)、寧海追遠(yuǎn)堂、鳴玉樓戲臺(tái)、五臺(tái)山鐘樓、北京鐘樓等.其中,傳統(tǒng)戲臺(tái)的建筑結(jié)構(gòu)(圖13)可以利用直達(dá)聲、反射聲,戲臺(tái)旁砌有陶甕也可以提供共振聲,增大混響.通過傳統(tǒng)戲臺(tái)與現(xiàn)代建筑的比較,讓學(xué)生尋找異曲同工之處,體會(huì)物理與建筑工程的密切關(guān)系.

圖11 天壇回聲原理簡(jiǎn)易圖

圖12 塔身回聲原理簡(jiǎn)易圖

圖13 戲臺(tái)聲音原理簡(jiǎn)易圖

2.5 “噪聲的防治”以“法律法規(guī)”為主的中國(guó)元素

主線“法律法規(guī)元素”是認(rèn)識(shí)新噪聲法頒布和實(shí)施的必要性,輔線“地域特色元素”“哲學(xué)思想元素”是感受日常生活的噪聲污染和領(lǐng)會(huì)聲音文化的哲學(xué)思想,如圖14所示.

圖14 “噪聲的防治”課題中國(guó)元素的挖掘思路圖

素材1：當(dāng)?shù)卦肼曃廴镜膶?shí)地調(diào)查.學(xué)生運(yùn)用分貝儀記錄當(dāng)?shù)刂苓叺脑肼曃廴厩闆r,根據(jù)新噪聲法,以及人對(duì)不同聲音等級(jí)的感受,判斷日常生活中噪聲污染的來源與嚴(yán)重程度,了解噪聲的強(qiáng)弱和危害,培養(yǎng)減少噪聲產(chǎn)生的良好習(xí)慣.

素材2：新噪聲法的頒布與實(shí)施.新噪聲法重新定義噪聲污染的內(nèi)涵,即“超標(biāo)”“擾民”“未依法采取防控措施”視為噪聲污染,并且將噪聲污染分為“工業(yè)”“社會(huì)生活”“交通運(yùn)輸”“建筑施工”噪聲污染4大類.通過分類防控噪聲污染,得以對(duì)癥下藥精準(zhǔn)施策.通過噪聲污染的分類,使學(xué)生了解噪聲的界定與來源.

素材3：過去噪聲污染的糾紛案例.其中,包括廣場(chǎng)舞噪聲擾民、機(jī)動(dòng)車轟鳴聲擾民、商業(yè)場(chǎng)所噪聲擾民、交通干線噪聲擾民等,因此新噪聲法聚焦新型的噪聲擾民,擴(kuò)大噪聲標(biāo)準(zhǔn)制定的主體,明確環(huán)境振動(dòng)控制的標(biāo)準(zhǔn),讓學(xué)生感受到新噪聲法實(shí)施的必要性.

素材4：具有民族特色的傳統(tǒng)聲音文化.了解中國(guó)傳統(tǒng)聲音文化中“大音希聲”“聲與政通”“聲無哀樂”的哲學(xué)思想,從文化、科技等多維角度暢談對(duì)城市聲音景觀進(jìn)行設(shè)計(jì)、改造.通過建筑設(shè)計(jì)、現(xiàn)代科技對(duì)噪聲的防治,讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)城市規(guī)劃、法律頒布與科技發(fā)展并行的重要性.

3 結(jié)語

中華民族千年的悠久歷史,提供了大量有關(guān)生產(chǎn)生活、科技進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展的中國(guó)元素資料.對(duì)于教師來說,在中國(guó)元素的挖掘、整理、應(yīng)用過程中,不僅能夠提高自身的學(xué)科素養(yǎng),更重要的是提高人文素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)、信息素養(yǎng).對(duì)于中學(xué)生來說,在正確價(jià)值觀、必備品格、關(guān)鍵能力形成的義務(wù)教育階段,通過中國(guó)元素的物理情境,能夠增強(qiáng)文化自信,激發(fā)社會(huì)責(zé)任感、民族自豪感.目前我國(guó)正深入貫徹科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略,力圖通過物理課程的學(xué)習(xí)及核心素養(yǎng)的培養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生能夠以物理學(xué)視角去認(rèn)識(shí)、改變、創(chuàng)造世界,因此更應(yīng)宣揚(yáng)物理學(xué)與中華文明乃至世界文明的重要關(guān)系.