摘 要：本文為實現(xiàn)物理學(xué)與工程實踐的融通，進行了項目化學(xué)習(xí)設(shè)計，設(shè)計了確立問題、尋找證據(jù)、提出問題到解決問題的項目化學(xué)習(xí)流程。據(jù)此，本文立足于蘇科版教材“樂音的特性”一節(jié)開發(fā)了探究項目，利用信息化手段尋找證據(jù)進而解決問題，并且最終對學(xué)生證據(jù)進行展示評價。

關(guān)鍵詞：拇指琴；聲音的特性；項目化學(xué)習(xí)；工程教育

2022年4月教育部印發(fā)的《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》），在課程內(nèi)容的“物理學(xué)與工程實踐”中要求“了解物理學(xué)在信息技術(shù)中的應(yīng)用”。^［1］這一標(biāo)準(zhǔn)旨在發(fā)展學(xué)生運用知識跨學(xué)科分析和解決問題的能力，讓學(xué)生愛上動手操作的實踐課程，培養(yǎng)學(xué)生積極認(rèn)真與敢于創(chuàng)新的學(xué)習(xí)態(tài)度。這標(biāo)志著物理學(xué)與工程教育的跨學(xué)科實踐已經(jīng)成為初中物理教學(xué)的一項重要議題。

物理學(xué)與工程教育的跨學(xué)科實踐必須植根于提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)的大背景下，統(tǒng)籌考慮物理學(xué)與工程學(xué)的結(jié)合要素，進而探索二者融合的有效路徑。項目化學(xué)習(xí)（Project based learning）可以作為這兩者之間的聯(lián)系紐帶，國內(nèi)外學(xué)者研究表明項目化學(xué)習(xí)可以從某一個學(xué)科切入，聚焦關(guān)鍵的學(xué)科知識和能力，用驅(qū)動性問題指向這些知識和能力，在解決問題的過程中同時培育學(xué)科素養(yǎng)和跨學(xué)科素養(yǎng)。^［2］本文基于此，圍繞初中聲現(xiàn)象開展了“樂音的特性”的項目化學(xué)習(xí)。

1 基于項目化學(xué)習(xí)的工程教育實踐

項目化學(xué)習(xí)以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，可以使學(xué)生在深入物理學(xué)科學(xué)習(xí)的同時，促進學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)和養(yǎng)成創(chuàng)造性、批判性思維。其目標(biāo)在于兩類，第一類指向物理學(xué)科能力（概念），第二類指向?qū)W生工程素養(yǎng)（見圖1）。^［3］

基于以上目標(biāo)，本文設(shè)計了符合初中物理課堂教

學(xué)的項目化流程，該流程包括確立問題、尋找證據(jù)、提出問題、解決問題和交流評價五個環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系如圖2所示。具體來說，教師首先引導(dǎo)學(xué)生確立問題，隨后學(xué)生利用信息技術(shù)手段來尋找相關(guān)的證據(jù)；在找到初步證據(jù)后，學(xué)生進一步提出問題，并繼續(xù)通過尋找證據(jù)驅(qū)動問題的解決；在整個過程中，學(xué)生之間可以相互交流與評價；最后，在教師和學(xué)生共同參與的評價下，達成教學(xué)目標(biāo)。

2 “拇指琴”的發(fā)聲特點探究教學(xué)過程

本文基于蘇科版八年級上冊第一章第二節(jié)“樂音的特性”的教學(xué)內(nèi)容^［4］，將其劃分為四個主要部分：確立問題、尋找證據(jù)、解決問題、交流評價。這一過程旨在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會利用信息技術(shù)手段解決工程類問題，進而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.1 確立問題

從教材出發(fā)，本節(jié)分為三個物理概念，即“響度”“音調(diào)”“音色”。對于初二學(xué)生來說，物理是一門全新的課程，他們正處在對物理充滿濃厚興趣的階段，然而，他們此時的抽象思維能力相對較弱。教師可以在課堂上先彈奏一曲簡單的拇指琴樂曲，通過這樣生動有趣的情境來激發(fā)學(xué)生的興趣，進而引導(dǎo)學(xué)生從不同角度探究拇指琴的發(fā)聲規(guī)律，比如探究彈奏單個琴鍵時“響度”與哪些因素有關(guān)，了解彈奏多個琴鍵時“音調(diào)”的變化規(guī)律，以及為何能夠迅速區(qū)分拇指琴與吉他的音色差異。phyphox軟件（見圖3）具備將聲信號轉(zhuǎn)化為電信號的功能，并能將實驗結(jié)果以圖表或圖像的形式直觀展示出來，從而使抽象的聲波可視化，將復(fù)雜概念轉(zhuǎn)化為形象圖像，便于學(xué)生定性且定量地探究聲音的響度、音調(diào)、音色等特性的影響因素。在此實驗案例設(shè)計中，教師可將科學(xué)探究貫穿于整個課堂活動，以培養(yǎng)學(xué)生的問題發(fā)現(xiàn)能力、案例拆解能力以及問題確立能力。

2.2 尋找證據(jù)

確立探究問題后，教師將學(xué)生分為三組，分別探究“響度的影響因素”“音調(diào)的影響因素”“音色的影響原因”。在尋找證據(jù)的過程中，學(xué)生在小組內(nèi)進行了充分討論，探討如何利用phyphox軟件的音頻自相關(guān)功能來進行探究，并據(jù)此形成了一定的實驗方案。隨后，教師對學(xué)生的討論結(jié)果進行歸納總結(jié)，并分別分發(fā)實驗記錄表（見表1、表2、表3）。學(xué)生根據(jù)表中列出的內(nèi)容，明確各自小組需要收集的證據(jù)后開始實驗。

2.3 解決問題

2.3.1 “響度影響因素”實驗方案設(shè)計

“響度”是初二學(xué)生學(xué)習(xí)的為數(shù)不多的物理概念之一。此時，學(xué)生還停留在 “響度大”就是“聲音大”的前概念中，對于“響度”表示聲音的強弱認(rèn)知不足。因此，教師應(yīng)該給學(xué)生以直觀的感受，讓學(xué)生認(rèn)識到振幅越大響度越大。教材中雖然通過敲擊鼓面觀察米粒振動幅度的方式，形象地展示了振動與聲音響度之間的關(guān)系，但這種方法僅能提供定性的理解，缺乏具體的定量數(shù)據(jù)作為支撐，因此不利于學(xué)生課后進行深入地拓展學(xué)習(xí)，更無法直觀地比較敲擊前、后聲波圖像的具體差異。而phyphox軟件能夠有效地展示敲擊前、后的聲波圖像，教師可以引導(dǎo)學(xué)生觀察敲擊前、后波峰幅度的變化，并結(jié)合振幅的具體數(shù)據(jù)，讓學(xué)生將實驗前、后的直觀感受與理論知識相聯(lián)系，進而深入理解“振幅”是決定聲音“響度”的關(guān)鍵因素，從而促進學(xué)生知識的內(nèi)化。探究響度影響因素實驗記錄表如表4所示。

2.3.2 “音調(diào)影響因素”實驗方案設(shè)計

“音調(diào)”與“頻率”的關(guān)系是該節(jié)內(nèi)容的一大難點。學(xué)生在學(xué)習(xí)二者關(guān)系時經(jīng)常將“音調(diào)”與“響度”兩個物理概念混淆，所以辨識清楚兩者關(guān)系也是教師教學(xué)的一大要點。教材中利用鋼尺伸出桌面的長短不同，讓學(xué)生直觀地從鋼尺振動的快慢得出頻率的快慢，從而進一步得出“頻率”與“音調(diào)”的關(guān)系。在實際教學(xué)中，由于鋼尺振動的速度較快，學(xué)生難以準(zhǔn)確區(qū)分鋼尺伸出長度不同時振動速度的變化，這導(dǎo)致不少學(xué)生得出了相反的結(jié)論。為了更深入地探究這一關(guān)系，教師可以借助手機軟件來測量“水杯樂器”中不同水量時杯子音調(diào)的波形。這樣做的好處在于，一方面，學(xué)生可以通過聽覺直接感受到杯子音調(diào)的變化；另一方面，通過觀察波形圖中波峰、波谷的密集程度，學(xué)生可以更直觀地理解波形密集程度與頻率之間的關(guān)系，進而認(rèn)識到頻率是如何決定音調(diào)的。探究音調(diào)影響因素實驗記錄表如表5所示。

2.3.3 “音色影響因素”實驗方案設(shè)計

“音色”是學(xué)生學(xué)習(xí)聲音的三要素中最后一個要素。學(xué)生需要理解，當(dāng)演奏不同的樂器時，即使響度和音調(diào)都保持一致，音色仍然會有所不同。探究音色的特點實驗記錄表如表6所示。

教材中雖然展示了音叉、雙簧管、長笛等樂器的波形圖，從中可以明顯看出這些樂器波形特征的差異。然而，如果能夠通過軟件在樂器發(fā)聲時實時呈現(xiàn)這些波形圖像，將會為學(xué)生提供更加直觀、生動的觀察體驗，使他們能夠更清晰地看到不同樂器波形特征的獨特性。從而引導(dǎo)學(xué)生深入思考波形特征差異背后的原因，進而理解這些差異所反映的聲音要素。

2.4 交流評價

盡管在各組收集證據(jù)的過程中，學(xué)生對聲音的某一特性（如響度、音調(diào)或音色）已經(jīng)有了較為深刻的認(rèn)識，但這種認(rèn)識仍然不夠全面。此時交流評價一方面可使學(xué)生全面了解“響度”“音調(diào)”“音色”的影響因素，另一方面可以用表格的形式展示實驗成果。在此過程中，學(xué)生將體會到科學(xué)與技術(shù)在工程實踐中的應(yīng)用，同時在交流互動中逐步培養(yǎng)出嚴(yán)謹(jǐn)求真、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的工程態(tài)度。

3 結(jié)論

基于項目化學(xué)習(xí)的物理學(xué)與工程的融合教育，應(yīng)當(dāng)在《課程標(biāo)準(zhǔn)》的大背景下實現(xiàn)。利用手機軟件這樣的信息化技術(shù)進行“聲音的特性”綜合活動案例設(shè)計，向?qū)W生展示項目化學(xué)習(xí)中確立問題、收集證據(jù)、解決問題的學(xué)習(xí)模式。這種方法不僅直觀地展示了實驗現(xiàn)象，縮短了學(xué)生的思維路徑，還能夠激勵學(xué)生利用軟件上豐富的資源開展更多元化的工程實踐。通過撰寫實驗報告，學(xué)生將有能力探索并發(fā)現(xiàn)生活中有趣的物理現(xiàn)象，進而激發(fā)他們在工程領(lǐng)域的創(chuàng)造力和探索精神。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：35.

［2］羅瑩，謝曉雨，韓思思，等.中學(xué)物理教學(xué)新模式：基于項目的教學(xué)［J］.課程·教材·教法，2021，41（6）：103-109．

［3］夏雪梅.學(xué)科項目化學(xué)習(xí)設(shè)計：融通學(xué)科素養(yǎng)和跨學(xué)科素養(yǎng)［J］.教育研究與評論（中學(xué)教育教學(xué)），2018（9）：96．

［4］劉炳昇，李容.義務(wù)教育教科書 物理 八年級上冊［M］.南京：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2022：12-15．