滲透物理學(xué)史的初中物理教學(xué)設(shè)計(jì)*
——引入中國古人對(duì)聲音現(xiàn)象的研究

李子婧 劉喜斌 陳灝

(湖南理工學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖南 岳陽 414006)

1 引言

物理學(xué)史不僅是研究物理學(xué)發(fā)生、發(fā)展的歷史，更是展示人類智慧的歷史， 展現(xiàn)人類認(rèn)識(shí)自然、認(rèn)識(shí)世界的歷史[1].如果學(xué)生從自己熟悉的中國歷史開始學(xué)習(xí)新的物理概念，這將改變學(xué)生對(duì)物理的抵觸感，在提高學(xué)生物理素養(yǎng)的同時(shí)增加人文素養(yǎng).本教學(xué)設(shè)計(jì)將滲透中國詩詞中的物理現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理的思維，以實(shí)驗(yàn)探究為主體，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，形成積極地學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)能力.

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

中國古人對(duì)聲音現(xiàn)象進(jìn)行了長期的探索，“聲音的產(chǎn)生與傳播”是與日常生活息息相關(guān)的物理現(xiàn)象.通過中國古人對(duì)聲音的描述，幫助學(xué)生掌握聲音產(chǎn)生和傳播的規(guī)律，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ).

2.1 了解文化——新課引入

教師講解:五代十國時(shí)期，道士譚峭認(rèn)為：“啟動(dòng)則聲發(fā)，聲發(fā)則氣振，氣振則風(fēng)行.”[2]

撥動(dòng)吉他弦，吉他弦可以發(fā)聲；將手指輕輕壓在琴弦上，神奇的一幕發(fā)生了，聲音立即停止.

利用古人論述和學(xué)生熟悉的現(xiàn)象，引入新課內(nèi)容.

設(shè)計(jì)意圖：增加學(xué)生熟悉感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，感受物理現(xiàn)象的歷史，培養(yǎng)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)身邊物理現(xiàn)象的能力.

2.2 實(shí)驗(yàn)探究——聲音的產(chǎn)生

學(xué)生活動(dòng)1:學(xué)生抬頭發(fā)出“啊”的音，同時(shí)用手指觸摸自己的喉嚨，感受自己喉嚨發(fā)聲時(shí)的狀態(tài).

學(xué)生活動(dòng)2:每兩位同學(xué)為一組，使用一根橡皮筋，一位同學(xué)將皮筋拉伸，另一位同學(xué)用手撥動(dòng)皮筋.觀察皮筋的振動(dòng)以及發(fā)出的聲音，用手觸碰皮筋，皮筋振動(dòng)停止，聲音也隨即停止.

學(xué)生活動(dòng)3:將鋼尺一端放在桌子邊緣，另一端伸出桌外，輕撥伸出桌外的鋼尺.觀察鋼尺的振動(dòng)以及發(fā)聲，鋼尺振動(dòng)停止聲音也隨即消失.

設(shè)計(jì)意圖：通過3種方式讓學(xué)生直觀地體驗(yàn)聲音的來源，知道生活處處有物理，認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)物理的重要性.

教師演示1:敲擊音叉，音叉隨即發(fā)聲，用手握住音叉，聲音隨即消失.(學(xué)生很難看到音叉的振動(dòng))

教師演示2:教師敲擊鼓面，鼓面發(fā)出聲音.(學(xué)生看不到鼓面的振動(dòng))

學(xué)生思考:有什么辦法可以看到音叉和鼓面的振動(dòng)？

設(shè)計(jì)意圖：通過不同的例子讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到雖然這些物體都能發(fā)出聲音，但由于他們的振幅不同，所以有的振動(dòng)可以看到，有些很難看到.通過教師演示吸引學(xué)生注意力，引導(dǎo)學(xué)生利用轉(zhuǎn)化法或放大法來解決看不見振動(dòng)的問題.通過這種方式讓學(xué)生涉及研究方法的學(xué)習(xí).

學(xué)生活動(dòng)4:方法一,緊貼音叉用細(xì)線懸掛一個(gè)乒乓球，敲擊音叉，音叉振動(dòng)乒乓球彈起.方法二,將音叉上部分接觸水面，敲擊音叉，音叉振動(dòng)，水面濺起水花.

學(xué)生活動(dòng)5:方法一,在鼓面上放置碎紙片，敲擊鼓面后，可以發(fā)現(xiàn)碎紙片仍然在振動(dòng).方法二,在鼓面上撒一些水，敲擊鼓面可以看到濺起水花.

設(shè)計(jì)意圖：通過問題的形式為學(xué)生創(chuàng)建談?wù)搶W(xué)習(xí)的環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力.通過兩個(gè)實(shí)際案例引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)放大法和轉(zhuǎn)換法這兩種有效的研究方法.

歸納總結(jié)：教師帶領(lǐng)學(xué)生根據(jù)所做的實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)關(guān)于聲音產(chǎn)生的原因，聲音是由物體的振動(dòng)產(chǎn)生的，振動(dòng)停止，則聲音停止.正在發(fā)聲的物體叫聲源.

教師講解:其實(shí)在宋代就已經(jīng)有了“聲學(xué)”一詞，在東漢時(shí)期，王充就對(duì)人說話發(fā)音的道理進(jìn)行了探究：“人所以言語呼吸者，氣括口舌之中，動(dòng)搖其舌，張歙其口，故能成言.譬猶吹笙簫，笙簫折破，氣越不括手無所弄，則不成音.”[3]王充認(rèn)為，人能發(fā)聲是由于口中有氣體，舌頭在空氣中擺動(dòng)即產(chǎn)生聲音.他還以笙簫之管發(fā)聲與人發(fā)聲進(jìn)行類比.

設(shè)計(jì)意圖：利用王充的論述，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)中國古人對(duì)聲音的認(rèn)識(shí)，在提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的同時(shí)，增強(qiáng)人文素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展.學(xué)生在中國物理學(xué)史和實(shí)驗(yàn)探究的雙重學(xué)習(xí)下，能夠加深對(duì)物理知識(shí)的認(rèn)識(shí)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.

2.3 深入探究——聲音的傳播

教師演示:課前準(zhǔn)備玻璃罩一個(gè)，可以持續(xù)響鈴的鬧鐘一個(gè).將響鈴的鬧鐘放到真空罩中，慢慢的將真空罩中的空氣抽出.

思考討論:從真空罩中慢慢地抽出空氣的這個(gè)過程中，鬧鈴鈴聲會(huì)有什么樣的變化？這種變化代表著什么？

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引出問題，激發(fā)學(xué)生的思考能力，培養(yǎng)學(xué)生物理觀念，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維和語言交流的能力.

學(xué)生交流:真空罩中鬧鈴的聲音隨著空氣慢慢抽出聲音逐漸減小，當(dāng)真空罩中沒有空氣時(shí)，我們聽不到聲音.這說明只有在空氣中我們才能聽到聲音.

教師總結(jié):歸納學(xué)生討論的結(jié)果總結(jié)得出，聲音可以在空氣中傳播，在真空中不能傳聲.我們可以聽到剛才的吉他、鼓的聲音，都是由于空氣幫我們傳遞了聲音.

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述，歸納，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)物理規(guī)律.增強(qiáng)學(xué)生的物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力.

教師提問:那大家想一想，除了氣體可以傳播聲音，還有什么可以傳播聲音？

學(xué)生交流:除了氣體之外，還有水、固體可以傳播聲音.

教師演示:證明水可以傳聲.在塑料打包盒中放入持續(xù)響鈴的鬧鐘并密封好，將其放入裝滿水的水桶之中.問題一,請(qǐng)描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；問題二,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證明了什么？

學(xué)生討論:將密封的鬧鐘放進(jìn)水桶后，依然可以聽見鬧鐘的鈴聲.這說明水可以傳播聲音.

學(xué)生體驗(yàn):兩位同學(xué)為一組，一位同學(xué)將一只耳朵緊貼桌面，用手覆蓋住另一只耳朵.另外一位同學(xué)在桌子上寫字.兩人交換位置進(jìn)行體驗(yàn).問題一,請(qǐng)描述聽到的現(xiàn)象；問題二,這個(gè)現(xiàn)象說明了什么？

學(xué)生討論:貼在桌面上的耳朵可以明顯地聽到同伴在桌子上寫字的聲音.這說明桌子可以傳聲.

教師總結(jié):引導(dǎo)學(xué)生歸納自己的觀點(diǎn).除了氣體之外，液體和固體也能傳播聲音.在物理學(xué)上，把這樣的物質(zhì)叫做介質(zhì).聲音依靠介質(zhì)得以傳播.

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)層層遞進(jìn)的問題和體驗(yàn)，讓學(xué)生自主地認(rèn)識(shí)出聲音傳播的條件.培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并提出合理猜想的科學(xué)探究意識(shí).

2.4 深入探究——聲音傳播的形式

教師提問:既然我們知道了聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生，通過介質(zhì)傳播到人耳中.那么，聲音究竟是以什么形式傳給人耳的呢？(學(xué)生進(jìn)行討論)

分析詩詞:“氣與水，同一易動(dòng)之物.以石投水，水面迎石之位，一拳而止，而其文浪依次展開，至縱橫尋丈而猶未歇.”[4]宋運(yùn)星把物體對(duì)空氣的作用現(xiàn)象與投石激水產(chǎn)生的水波現(xiàn)象相類比.

學(xué)生總結(jié):教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)詩詞闡述的現(xiàn)象.物體在空氣中產(chǎn)生的振動(dòng)與水波相類似的現(xiàn)象.我們把空氣中傳播聲音的這種波稱為聲波.

設(shè)計(jì)意圖：利用詩詞中與水波的比較，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)聲音在空氣中的傳播形式是聲波，并傳授類比法這種研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度.

2.5 自學(xué)課本——聲音的傳播速度

教師提問:(1)既然我們認(rèn)識(shí)到了聲音在空氣中通過聲波的形式傳播，那我們?nèi)硕罱K如何聽到聲音？

(2)在不同的介質(zhì)中聲音的傳播速度是否一樣？還有哪些因素影響聲音的傳播速度？

學(xué)生自學(xué)課本回答問題:(1)聲音引起鼓膜振動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)過聽小骨以及其他組織傳到聽覺神經(jīng)，最終傳入大腦，人耳就聽到聲音.

(2)聲音在介質(zhì)中的傳播速度稱為聲速.聲速的大小除了與介質(zhì)的種類有關(guān)外還與介質(zhì)的溫度有關(guān).3種介質(zhì)中的聲速由大到小依次是：固體、液體、氣體.

設(shè)計(jì)意圖：鍛煉學(xué)生帶著問題思考的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

2.6 利用知識(shí)——解決問題

教師提問:古代許多文人墨客在游歷山水時(shí)寫下了流芳百世的詞句文章.這些文章在我們今天看來就是許多生活中的物理現(xiàn)象，但在當(dāng)時(shí)古人無法回答為什么會(huì)產(chǎn)生這些現(xiàn)象.同學(xué)們能用自己學(xué)習(xí)的知識(shí)解決這些問題嗎？

學(xué)生討論1:“氣有所震而成聲.前有墻一曲，聲為勒轉(zhuǎn)必相應(yīng).若墻外有圈洞，則愈甚.”[5]這句古文涉及的物理知識(shí)是聲音的傳播依靠振動(dòng).

學(xué)生討論2:“若深山邃谷，林障重疊，如此之處，發(fā)一小聲，響還極大.若小屋小器，如此之處，發(fā)一大聲，響還猶小.”[6]這句古文描述的是回聲的原理,在深山幽谷中，發(fā)出的聲波在四周后反射回來形成疊加，回聲變大，這是“發(fā)一小聲，響還極大”的原因；在小房子里發(fā)聲，聲波反射效果不明顯，這是“發(fā)一大聲，響還猶小”的原因.

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生解釋古詩詞中蘊(yùn)藏的物理知識(shí)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.

2.7 歸納總結(jié)——掌握知識(shí)

師生互動(dòng):通過回顧課堂中的古詩詞和實(shí)驗(yàn)，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本節(jié)課的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)歸納.學(xué)生分小組進(jìn)行匯總并將結(jié)果進(jìn)行板書.

3 教學(xué)體會(huì)與反思

本節(jié)課在傳統(tǒng)的以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的教學(xué)設(shè)計(jì)上滲透了中國古人對(duì)聲音描述的物理學(xué)史，學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的規(guī)律，并將其規(guī)律用于解釋中國古人的詩詞，極大地提高了學(xué)生分析問題解決問題的能力.在教學(xué)中滲透物理學(xué)史，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，同時(shí)還讓物理課堂有了人文氣息，使學(xué)生的綜合素質(zhì)得到全面發(fā)展.