A-STEM視域下學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)
——以“聲音的特性”教學設(shè)計為例

李 政 丁益民 楊翔宇 方心如 郭修星

（湖北大學物理與電子科學學院，湖北 武漢 430062）

1 問題的提出

《普通高中物理課程標準（2017年版）》凝練出了物理學科核心素養(yǎng)，主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任4個方面，通過培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)促進學生逐步形成個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力.［1］STEM教育起源于上世紀70年代美國為提升國家綜合實力而進行的教育革新，是融合科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（Mathematics）4門學科的跨學科教育理念，其本質(zhì)就是要培養(yǎng)學生解決復(fù)雜問題時綜合運用各學科知識的能力，可以說STEM與核心素養(yǎng)的理念不謀而合，因此基于核心素養(yǎng)的STEM教學成為了教師們探索的新模式.但STEM教育過于偏重理科學習，一味追求科學技術(shù)的發(fā)展和理工科人才的培養(yǎng)，忽視了教育對社會問題的關(guān)注和人文藝術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，并不能有效培養(yǎng)學生的“科學態(tài)度與責任”，達到“人文底蘊”與“科學精神”協(xié)同發(fā)展培養(yǎng)全面發(fā)展的人的精神理念.［2］如何在傳授物理知識的同時提升學生的人文底蘊培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任呢？

STEAM應(yīng)運而生，即將藝術(shù)（Arts）融入到STEM教育中，強化學生的藝術(shù)熏陶和人文底蘊.STEAM教育實現(xiàn)了藝術(shù)與科學的深度融合，一方面大大提高了學生學習科學的興趣及參與程度，進而提升了學生的學習效果，另一方面極大促進了科學與藝術(shù)的統(tǒng)一，實現(xiàn)了理性與感性的對話.［3］A-STEM教育在STEAM的基礎(chǔ)上，突出藝術(shù)（Arts）教育的作用，更加強調(diào)了教學的人文價值和內(nèi)涵，是由中國STEM教育協(xié)作聯(lián)盟創(chuàng)始發(fā)起人鄒曉東博士首次提出.

本文基于A-STEM，對“聲音的特性”進行教學設(shè)計.以小提琴協(xié)奏曲“梁?！保ㄋ囆g(shù)）為情境提出問題，應(yīng)用手機軟件Phyphox（技術(shù)），設(shè)計兩則實驗：看見聲音；定量研究聲音（工程和數(shù)學），探究聲音的3個特性（科學）.

2 “聲音的特性”設(shè)計案例

筆者學習小提琴8年有余，深知藝術(shù)欣賞人文精神對學生的理科學習有著極大的促進作用.以“聲音的特性”為例，給課堂帶來藝術(shù)的美感、藝 術(shù)的思考.教學設(shè)計中包括設(shè)置情境、工程設(shè)計、科學探究、數(shù)學分析和合作交流幾個核心要素.［4］

2.1 “聲”臨其境，設(shè)置問題

播放2016年9月杭州G20峰會的文藝匯演上，小提琴大師呂思清演奏中國名曲《梁?！?，傳播中國藝術(shù)文化如圖1.之后教師用自己的小提琴演奏出一個八度中的所有音，并向?qū)W生提出問題：如何用物理知識去分析《梁?！?？

圖1 小提琴《梁?！?/p>

設(shè)計意圖：以藝術(shù)情境設(shè)置問題，講述中國已逐漸走進世界舞臺中心的真實事例，根植學生民族情懷，筑牢民族自信心.教師的小提琴走進教室，利用教師特長感染學生.

2.2 工程設(shè)計，看見聲音

（1）實驗原理介紹.

利用放大法把揚聲器鼓膜的振動放大，利用轉(zhuǎn)換法通過六棱鏡轉(zhuǎn)動將振動轉(zhuǎn)換成激光運動軌跡.

（2）裝置介紹.

整個實驗儀器手工制作，實驗設(shè)計思路參考了文獻，［5］在其基礎(chǔ)上把發(fā)音體音叉換成手機模擬聲音，由喇叭進行放大，好處在于頻率可調(diào).揚聲器是從廢舊擴音器中拆除的，用帶有USB供電口的音響線給揚聲器供電，如圖2.

圖2 USB供電線

喇叭口用氣球膜緊緊包裹并在表面貼上圓形小鏡子.用PVC板固定住激光筆并調(diào)整好角度.六棱柱是用整塊PVC板裁剪成六塊長15cm，寬10cm，厚5mm的長方形板而制，如圖3.將整塊鏡子用金剛刀裁剪出六塊長13cm，寬8cm的小長方形玻璃，貼在剛才的長方形板上制成六棱鏡，放在轉(zhuǎn)臺上面.

圖3 六棱鏡和裝置俯視圖

教師活動：接通電源，用手機軟件Sound Generator模擬出69Hz（考慮到喇叭的頻率上限和共振，實驗得出69Hz效果最明顯）的單音，打開激光筆照射在喇叭的圓形小鏡子上，再反射到六棱柱的長方形鏡子上（這一步不要轉(zhuǎn)動六棱柱），先讓學生看見原地振動的光點.接著勻速轉(zhuǎn)動六棱柱，就會出現(xiàn)一道光波，讓學生切實看到聲音是一道波，如圖4.

圖4 轉(zhuǎn)動六棱柱后的光波

設(shè)計意圖：通過闡述工程制作的流程及遇到的問題，使學生體會到創(chuàng)作的樂趣，激發(fā)學生自己動手的欲望.通過用激光顯示聲音的方法，增加課堂的視聽效果，使學生體會到物理的神奇，初步學習物理的學生對這門學科產(chǎn)生極大的興趣.

2.3 科學探究，數(shù)學分析

教師活動：用手機軟件Phyphox分別模擬出200Hz、400Hz的單音，先讓學生聽并區(qū)分音調(diào)高低，再用另外一部手機的Phyphox測出兩個單音，并將結(jié)果投影到大屏幕，如圖5，第1幅是200Hz的波形，第2幅是400Hz.向?qū)W生介紹周期的概念，引導(dǎo)學生分別找出兩個波形的周期：5ms、2.5ms，從而得到振動越快，音調(diào)越高的結(jié)論.

圖5 200Hz、400Hz單音的波形圖

設(shè)計意圖：借助信息技術(shù)手段，引導(dǎo)學生從定性認識振動過渡到定量認識，更好地用數(shù)據(jù)理解頻率.引導(dǎo)學生從觀察現(xiàn)象、搜集數(shù)據(jù)到最后的得出結(jié)論，提高學生的分析總結(jié)能力，培養(yǎng)學生科學思維和科學探究能力.

2.4 合作交流，拓展工程

在控制變量法思想的指引下，學生經(jīng)過討論得出，此儀器可以繼續(xù)探究響度和音色.具體操作是：控制音調(diào)不變改變音量大小探究響度與振幅關(guān)系，如圖6；用不同樂器產(chǎn)生相同單音探究音色與聲音的關(guān)系，如圖7.

圖6 相同頻率下不同振幅的光點

圖7 手機、小提琴、笛子的單音Do波形圖

設(shè)計意圖：學生自主思考試驗方案，實現(xiàn)知識遷移，形成科學思維及嚴謹?shù)奈锢響B(tài)度.同時一器多用，實現(xiàn)儀器的價值最大化.

2.5 物理解釋藝術(shù)，文理深度融合

介紹《梁祝》是上海音樂學院為建國10周年的獻禮作品.《梁?！芬栽絼〕粸樗夭?，描述了梁山伯與祝英臺凄美的愛情故事.

播放呂思清版本《梁?！?，1′17″時小提琴開始獨奏代表祝英臺的聲音，2′時低音部奏出同樣的旋律代表梁山伯的聲音.所有音相同但頻率降為一半，一個八度，證明頻率低，音調(diào)低.

16′20″英臺哭墳章節(jié)，祝英臺得知梁山伯郁郁而終，悲痛欲絕，哭聲震天動地.此時整個樂團和小提琴獨奏的響度巨大，應(yīng)用Audacity軟件分析，在16′振幅最大.說明了振幅越大，響度越大.

圖8 Audacity軟件分析振幅

14′15″樓臺會章節(jié)，梁山伯來到亭臺與祝英臺約定來世再見，同樣悲傷、無奈的旋律卻由小提琴和大提琴一唱一和地獨奏出來.證明發(fā)聲體自身的材料和結(jié)構(gòu)決定著音色.

3 結(jié)束語

以樂曲賞析為情境，以工程設(shè)計為載體，通過技術(shù)定量分析，進行科學探究，培養(yǎng)學生科學思維.介紹中國名曲《梁?！?，激發(fā)學生的民族自信心和自豪感，促進學生形成物理核心素養(yǎng).此教學設(shè)計融入A-STEM教學情況如表1.

表1 A-STEM中的核心素養(yǎng)要素

基于A-STAM的教學設(shè)計，突出傳統(tǒng)文化的基礎(chǔ)上，整合了各學科知識進行物理教學，學生在學習其他學科知識的同時，在團隊協(xié)作中又能發(fā)揮自己的特長，提升學生課堂參與感，提高課堂效率.知識的整合又能為學生面對復(fù)雜問題，從不同角度分析、解決問題提供能力保障，學生在此過程中學到的不僅僅是知識，更是終身發(fā)展的核心素養(yǎng).［6－7］