新醫(yī)科背景下的醫(yī)學(xué)物理STEM項目案例
——基于物理建模和頻譜分析的音準(zhǔn)測試

付旭洋,胡東升,吳怡鋒,符維娟,曾文姣

(1.復(fù)旦大學(xué) a.醫(yī)學(xué)院;b.物理系 上海 200433; 2.復(fù)旦大學(xué)附屬中學(xué),上海 200433)

STEM教育理念自20世紀(jì)80年代被提出后,在全世界范圍內(nèi)都受到廣泛關(guān)注. 近年來,各國均出臺了STEM高等教育政策和改革STEM課程的結(jié)構(gòu)化以及培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科意識和能力[1]. 2017年,我國教育部也將STEM教育列入義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn),倡導(dǎo)跨學(xué)科的STEM學(xué)習(xí)方式,將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)有機(jī)融合,以項目學(xué)習(xí)、問題解決為導(dǎo)向,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力. 與基礎(chǔ)教育階段的STEM教育蓬勃發(fā)展相比,國內(nèi)本科生的STEM教育在認(rèn)知、活動、成效等方面亟需快速發(fā)展[2]. 2019年,我國全面啟動新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè),推動了卓越醫(yī)學(xué)人才教育模式逐漸從“以生物醫(yī)學(xué)科學(xué)為主要支撐”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙葬t(yī)文、醫(yī)工、醫(yī)理、醫(yī)X交叉學(xué)科為支撐”[3]. STEM教育的目標(biāo)正是在學(xué)科交互融合的基礎(chǔ)上提升學(xué)生解決實際問題的綜合能力、創(chuàng)新能力與實踐能力,而物理又是STEM教育的基礎(chǔ),因此在醫(yī)學(xué)本科生的物理課程教學(xué)中落實STEM理念,對 “醫(yī)學(xué)+X”復(fù)合型創(chuàng)新拔尖人才的培養(yǎng)具有重要意義.

復(fù)旦大學(xué)物理實驗教學(xué)中心針對醫(yī)學(xué)院本科生開設(shè)的醫(yī)學(xué)物理實驗課程已有十余年歷史,自主建設(shè)了如壓力傳感器特性研究及數(shù)字血壓計的組裝、人造骨楊氏模量的測量、A 型超聲原理及應(yīng)用等的“三有”(有物理基礎(chǔ)、有物理與醫(yī)學(xué)的結(jié)合、有醫(yī)學(xué)應(yīng)用)醫(yī)學(xué)物理實驗,涵蓋了生理物理量測量、醫(yī)學(xué)影像原理、生物材料物理參量測量等醫(yī)學(xué)物理分支領(lǐng)域[4]. 課程還有設(shè)計性醫(yī)學(xué)應(yīng)用實驗?zāi)K,鼓勵學(xué)生自主設(shè)計融合物理、醫(yī)學(xué)、工程等多學(xué)科知識的實驗進(jìn)行探究. 綜上,醫(yī)學(xué)物理實驗課程已成為實踐STEM教育理念的平臺.

疫情期間醫(yī)學(xué)物理實驗課程開設(shè)了居家實驗“語音聲譜和科學(xué)發(fā)聲”,引導(dǎo)學(xué)生用頻譜分析方法解讀發(fā)聲的物理過程. 選課的學(xué)生曾經(jīng)在合唱團(tuán)選拔過程中發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生并不能意識到自己的音不準(zhǔn),于是在完成實驗后萌生了想法:運(yùn)用學(xué)到的發(fā)聲物理模型和頻譜分析方法,將主觀感覺的音準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成客觀可視的數(shù)據(jù),從而能夠更方便地評價音準(zhǔn). 由此,學(xué)生在設(shè)計性醫(yī)學(xué)應(yīng)用實驗中,以STEM項目形式綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識探索了音準(zhǔn)測試方法[5-6]. 本文以“基于物理建模和頻譜分析的音準(zhǔn)測試”為案例,呈現(xiàn)了醫(yī)學(xué)物理STEM項目的實踐過程.

1 音準(zhǔn)測試STEM項目的設(shè)計思路

音準(zhǔn)為歌唱中所發(fā)的音高,能與一定律制的音高相符. 常用鋼琴判斷人的音準(zhǔn):彈出1個音,要求被試者能夠模仿出這個音高的音. 音準(zhǔn)的學(xué)生不僅能正確模仿,也能聽出其他學(xué)生是否音準(zhǔn). 音不準(zhǔn)的原因,可能是聲帶控制能力較弱,也可能是辨音能力較差. 用發(fā)聲物理模型和頻譜分析方法設(shè)計音準(zhǔn)測試項目的過程,體現(xiàn)了STEM教育的宗旨:以設(shè)計和探索為手段,運(yùn)用科學(xué)與數(shù)學(xué)的思想,通過應(yīng)用技術(shù)解決實際問題,并從中學(xué)習(xí)知識.

ADDIE模型被廣泛應(yīng)用于教學(xué)設(shè)計,包括分析、設(shè)計、開發(fā)、執(zhí)行和評估5個階段. 完成教學(xué)的3個核心問題:學(xué)什么,如何學(xué),學(xué)的怎樣. ADDIE 模型不僅僅是教學(xué)設(shè)計過程模式,更為要解決的問題的提供了思路[7],可作為STEM項目設(shè)計的依據(jù). 如圖1所示,ADDIE模式下的音準(zhǔn)測試STEM項目流程中,將要解決的問題(音準(zhǔn)測試)作為項目內(nèi)容并對其分析,在建構(gòu)音準(zhǔn)測試物理模型的過程中設(shè)計如何去完成項目,利用頻譜軟件、問卷、數(shù)據(jù)分析等和統(tǒng)計手段開發(fā)和執(zhí)行音準(zhǔn)測試方案. 項目流程的各個環(huán)節(jié)之間互相協(xié)同、形成閉環(huán),每個環(huán)節(jié)都可以評價和修改,促使項目流程不斷優(yōu)化.

圖1 ADDIE模型下的音準(zhǔn)測試STEM項目流程

最初的項目執(zhí)行對象主要為選修2022年春季課程的醫(yī)學(xué)生,項目任務(wù)為設(shè)計客觀、有效的音準(zhǔn)測試并和被測者的自我認(rèn)知進(jìn)行對照. 選修2022年秋季課程的物理系學(xué)生加入了項目團(tuán)隊,進(jìn)一步完善了音準(zhǔn)的物理模型,項目執(zhí)行中恰逢初新冠病毒爆發(fā),咽喉疼痛、聲音嘶啞等癥狀嚴(yán)重影響了音準(zhǔn)測試,因此增加了用音準(zhǔn)來判斷聲帶健康狀況的項目任務(wù).

2 音準(zhǔn)測試的物理基礎(chǔ)

2.1 發(fā)音器官的生理結(jié)構(gòu)

人的發(fā)音器官可以分為3大區(qū)域:動力區(qū)、聲源區(qū)、調(diào)音區(qū). 如圖2所示,動力區(qū)由肺、氣管和橫膈膜構(gòu)成,主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生氣流,是語音的原動力. 聲源區(qū)由聲帶和喉頭組成,聲帶是2片富有彈性的帶狀薄膜,2片聲帶之間的間隙叫聲門. 從肺部呼出的氣流通過關(guān)閉著的聲門時會引起聲帶的振動,氣流被轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗械拿}沖信號(聲門波),形成的聲音也稱為喉原音. 調(diào)音區(qū)是由口腔、鼻腔、咽腔等組成的彎曲通道(聲道),將微弱的喉原音加工成具有意義的語音,有擴(kuò)大音量和豐富音色的作用[8].

圖2 人體發(fā)音器官的生理結(jié)構(gòu)

2.2 發(fā)音過程的濾波器模型

如圖3(a)和圖3(b)所示,聲門波在時域上是聲脈沖,聲門閉合和開啟的快慢程度決定了聲門波脈沖的形態(tài)[8]. 圖3(c)為聲門波的頻譜,由一系列倍頻組成,其中最低的頻率f0稱為基頻,每個倍頻的幅值逐級遞減.

圖3 聲門波的波形和頻譜

在聲門波經(jīng)過聲道的傳播過程中,頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,如圖4所示,部分特定的頻率被加強(qiáng)形成頻譜包絡(luò)線的峰(稱為共振峰),共振峰是識別語音的重要特征參量. 發(fā)“a”“i”“u”音時,聲道形態(tài)不同,共振峰的位置和強(qiáng)度也不同,因此聲道可以看作是具有特定調(diào)制性能的濾波器.

圖4 發(fā)音過程的濾波器模型

2.3 人聲音準(zhǔn)的物理建模

聲門波中的基頻決定了音高,因此對音準(zhǔn)的物理建模也就是探究聲帶的振動過程. 聲帶由聲韌帶、聲帶肌和甲杓肌等組成的對稱結(jié)構(gòu),如圖5所示,內(nèi)側(cè)白色為聲韌帶,中間綠色為聲帶肌,外側(cè)為甲杓肌,肌肉能控制聲帶的緊張程度.

圖5 聲帶的生理結(jié)構(gòu)示意圖

采用聲帶的雙壓振子模型[9],如圖6(a)所示,一側(cè)聲帶看作是2個相同的矩形薄板壓電晶片黏結(jié)組成的雙壓振子,壓電片的長度為L,寬度為W,厚度為H,黏接側(cè)的極性相反. 將雙壓振子接入圖6(b)所示電路來模擬圖5中的右側(cè)聲帶,壓電片中的電場方向如圖6(c)所示. 根據(jù)逆壓電效應(yīng),左側(cè)壓電片極性方向和外電場方向相同,在x軸方向上拉伸,厚度H增大,由于壓電片總體積不變,因此面積減小,即長度L和寬度W均減小.右側(cè)壓電片極性方向和外電場方向相反,在x軸方向上壓縮,厚度H減小,面積增大,即長度L和寬度W均增大.黏結(jié)層的面積不變,左側(cè)面積減小,右側(cè)面積增大,因此雙壓片向x軸正向彎曲[圖6(d)]. 再用同樣的雙壓振子模擬左側(cè)聲帶,上下兩端連接,接入電路呈現(xiàn)對稱彎曲[圖6(e)]. 當(dāng)撤去外電場后,壓電片會沿x軸做彎曲振動,這與聲帶振動類似.

(a) (b) (c) (d) (e)圖6 聲帶的雙壓振子模型

由彈性力學(xué)知識,雙壓振子矩形截面的彎曲振動方程為

(1)

其中,η為振動位移,ρ為振子的密度,r為回旋半徑,E為振子的楊氏模量.

求解式(1),可得壓電振子矩形截面的彎曲振動本征頻率為

(2)

其中,γ為材料的泊松系數(shù),i和j為振動階次,

(3)

當(dāng)i=j=1時,可得基頻為

(4)

式(4)中,E/ρ是材料的比模量,反映了材料的承載能力,比模量越大,材料的剛性越大.由式(4)可知,決定聲帶基頻的主要因素是聲帶尺寸(長度L和寬度W)及性能參量(比模量E/ρ).對于不同的人來說聲帶尺寸也不盡相同,例如女高音聲帶長度為11～19 mm,女中音聲帶長度為18～21 mm,男高音聲帶長度為14～22 mm,男中音聲帶長度為22～24 mm,男低音聲帶長度為24～25 mm. 不難看出男性比女性的聲帶更長,基頻更低.聲帶的比模量由聲帶肌肉和韌帶的緊張程度決定,緊張狀態(tài)下的比模量更大,聲帶的基頻更高.受過聲樂訓(xùn)練的人可以在更大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)聲帶的比模量,從而有更寬的基頻范圍,也就能在更寬的音域范圍內(nèi)達(dá)到音準(zhǔn).

2.4 鋼琴音準(zhǔn)的物理模型

鋼琴是擊弦樂器,按下琴鍵時琴槌敲擊琴弦(若干長短、粗細(xì)不同的金屬弦線),如圖7所示.琴弦的—端固定,另一端緊繞在弦軸上,轉(zhuǎn)動弦軸可調(diào)節(jié)琴弦的張力.

圖7 鋼琴的琴弦結(jié)構(gòu)(三角鋼琴)

琴弦受擊時產(chǎn)生的振動主要為橫振動,根據(jù)弦振動的駐波條件,其本征頻率為[10]

(5)

其中,n為諧波次數(shù),n=1,2,3…,l為有效弦長,T為弦的張力,σ為弦的線密度.琴鍵對應(yīng)的音高,即為相應(yīng)琴弦的基頻

(6)

鋼琴調(diào)音時,通過轉(zhuǎn)動弦軸來提高或降低琴弦的張力,改變琴弦振動的基頻,從而達(dá)到音高準(zhǔn)確.

3 音準(zhǔn)測試方案

3.1 聲音信號的采集和處理工具

采用Adobe Audition軟件進(jìn)行音頻采集和頻譜分析,持續(xù)發(fā)音“a”, 其測量界面如圖8所示.測量界面中右側(cè)為頻譜圖,橫軸為對數(shù)頻率,縱軸為相對強(qiáng)度,圖中第1個尖峰對應(yīng)基頻f0≈251 Hz,之后的尖峰依次對應(yīng)各次倍頻.頻譜包絡(luò)線的峰為共振峰,第一個共振峰在1 kHz附近,和圖4中“a”音的共振峰基本一致.

圖8 Adobe Audition軟件測量界面

3.2 音準(zhǔn)測試方案

由人聲和鋼琴的音準(zhǔn)物理模型可知,基頻由相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參量(如聲帶的長度、寬度、厚度,琴弦的有效長度等)和狀態(tài)參量(聲帶的比模量、弦線的張力和線密度)決定. 人耳在辨音時會將基頻作為音高,不同的發(fā)音并不會影響人耳對于音高的識別. 于是,以合唱團(tuán)的主觀音準(zhǔn)測試為參考,開發(fā)基于頻譜分析的音準(zhǔn)測試方案,具體流程如圖9所示.

圖9 音準(zhǔn)測試流程

首先通過電腦模擬琴音和人聲,測試并分析音準(zhǔn),確定測量方法的可行性和測量系統(tǒng)的可靠性. 設(shè)計包含音準(zhǔn)自我認(rèn)知和嗓子健康狀態(tài)的調(diào)查問卷,收集足夠的樣本進(jìn)行統(tǒng)計分析,探究音準(zhǔn)自我認(rèn)知、聲帶的結(jié)構(gòu)參量和狀態(tài)參量等因素對音準(zhǔn)測試結(jié)果的影響,并檢驗雙壓振子物理模型的合理性.

4 音準(zhǔn)測試和結(jié)果分析

4.1 不同音高下琴音和人聲的音準(zhǔn)測試

利用鋼琴模擬器依次彈出4個音C#,F#,c#和f#,受過多年樂器訓(xùn)練、音準(zhǔn)好的被測者模仿聽到的琴音發(fā)聲,用Audition軟件分別錄制琴音和人聲,并做頻譜分析. 測得4個音高下琴音和人聲的頻率(以下所有測量頻率均指頻譜中的基頻),并和標(biāo)準(zhǔn)頻率比較,結(jié)果如表1所示.

表1 不同音高下琴音和人聲的頻率

在1 kHz內(nèi),人耳的頻率分辨率約為3 Hz,軟件的測量不確定度約為1 Hz,總允許誤差約為4 Hz,4個音高的琴音、人聲測量頻率及標(biāo)準(zhǔn)頻率在誤差范圍內(nèi)可看作一致.

4.2 不同發(fā)音的人聲頻率測試

被測者(音準(zhǔn)好)在同一音高下依次發(fā)“a”“o”“i”“u”4個音,用Audition軟件錄制并做頻譜分析,頻率測量結(jié)果如表2所示.

表2 同一音高下不同發(fā)音的頻率

表2的實驗結(jié)果顯示相同音高下,不同發(fā)音的頻率基本一致. 大腦發(fā)出的音高指令調(diào)節(jié)了聲帶的緊張程度,而聲門波的基頻由聲帶決定,不同形態(tài)的聲道對聲門波頻譜進(jìn)行調(diào)制,改變了頻譜的包絡(luò)形態(tài),但并不改變基頻大小.

以上測試結(jié)果表明:音高由基頻決定,音準(zhǔn)好的被測者能在不同音高下都達(dá)到音準(zhǔn),由此音準(zhǔn)測量方法的可行性和測量系統(tǒng)的可靠性得到檢驗.

4.3 新冠疫情下的音準(zhǔn)測試

近年來與新冠病毒感染癥狀相關(guān)的“刀片嗓”“寶娟嗓”等熱詞刷屏網(wǎng)絡(luò),那么這對音準(zhǔn)會產(chǎn)生什么影響?是否能通過音準(zhǔn)測試來判斷病毒感染后的聲帶狀況?為此設(shè)計了音準(zhǔn)測試問卷,在2022秋季大學(xué)物理課程班級進(jìn)行發(fā)放,并用Audition軟件進(jìn)行頻譜分析.

4.3.1 音準(zhǔn)測試問卷和音高頻率數(shù)據(jù)

音準(zhǔn)測試問卷中,要求被測者模仿聽到的4個不同音高的琴音,同時還采集了性別、樂理水平、嗓子是否存在不適以及音準(zhǔn)自我認(rèn)知等信息. 問卷發(fā)放后收到36份有效問卷.

問卷如下:

1.您的性別:

○a.男;○b女。

2.您的生源地:

________________

3.您是否接受過聲樂訓(xùn)練?

○a.是;○b.否

4.您是否掌握1門及以上的樂器?

○a.是;○b.否

5.您的喉嚨是否存在不適?

○a.是,且影響發(fā)聲;

○b.是,但不影響發(fā)聲;

○c.否,但前段時間存在;

○d.否,且前段時間也不存在.

6.您認(rèn)為自己的音準(zhǔn)是否準(zhǔn)確?(測量中所發(fā)的音高,與標(biāo)準(zhǔn)的音高相符,稱為標(biāo)準(zhǔn))

○a.是;○b.否

7.您的錄音請上傳于此

________________

用Audition軟件對問卷中的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,獲得被測者的4個音高頻率(基頻),如表3所示,表中不同被測者以序號指代.

表3 新冠疫情下的音準(zhǔn)測試頻率

4.3.2 不同性別的音準(zhǔn)分析

對表3中的C#(138 Hz)和f#(370 Hz)頻率數(shù)據(jù)做散點圖,如圖10所示.

由圖10可見,低音和高音的結(jié)果都表明在相同音高指令下,女生發(fā)聲的頻率總體高于男生. 成年男子聲帶長而寬,女子聲帶短而狹,女生的音高相對男生更高,符合2.3節(jié)中所述雙壓振子的音準(zhǔn)物理模型. 圖10還顯示女生在高音區(qū)比男生更容易音準(zhǔn),男生在低音區(qū)比女生更容易音準(zhǔn).

(a)低音C#

(b)高音f#圖10 低音C#和高音f#的頻率分布圖

4.3.3 嗓子正常狀態(tài)下的音準(zhǔn)自我認(rèn)知比較

選取嗓子狀態(tài)正常的音準(zhǔn)測試問卷,根據(jù)音準(zhǔn)自我認(rèn)知分為音準(zhǔn)和音不準(zhǔn)2組,分別做音準(zhǔn)曲線(頻率-音高曲線),不同序號(被測者)的音準(zhǔn)曲線以不同顏色顯示,結(jié)果如圖11所示. 考慮到辨音的靈敏度和軟件的測量誤差,標(biāo)準(zhǔn)對照曲線有一定的寬度,被測者的音準(zhǔn)曲線落在對照曲線內(nèi),即視為音準(zhǔn).

(a)音準(zhǔn)組

(b)音不準(zhǔn)組圖11 嗓子正常狀態(tài)下的音準(zhǔn)曲線對比

圖11(a)的音準(zhǔn)組測試結(jié)果表明,絕大多數(shù)被測者的音準(zhǔn)曲線落在對照曲線內(nèi),和自我認(rèn)知相符. 少部分學(xué)生開始的2個音存在一定程度的不準(zhǔn),可能是尚未“開嗓”,聲帶的緊張度不能很好地跟隨意識,到第三、四個音聲帶恢復(fù)了應(yīng)有的調(diào)節(jié)能力,表現(xiàn)為音準(zhǔn). 圖11(b)為音不準(zhǔn)組的測試結(jié)果,被測者的音準(zhǔn)曲線在偏離對照曲線較大的范圍內(nèi)分布,但整體呈上升趨勢,表明音不準(zhǔn)的學(xué)生能辨識音高,也能調(diào)整聲帶緊張程度,但沒有準(zhǔn)確控制聲帶的能力,從而不能正確模仿音高.

通過比較不同音準(zhǔn)自我認(rèn)知的音準(zhǔn)曲線,可以看出音準(zhǔn)曲線不僅能衡量聲帶的緊張程度(狀態(tài)參量)是否能和其結(jié)構(gòu)參量共同形成某個音高頻率[式(4)],還能判斷聲帶緊張程度的調(diào)節(jié)能力,因此音準(zhǔn)曲線提供了客觀的音準(zhǔn)測試方法.

4.3.4 嗓子不適狀態(tài)下的音準(zhǔn)自我認(rèn)知比較

觀察表3中19號被測者,自我認(rèn)知音準(zhǔn),但4個音高的頻率數(shù)值為129,178,201,210 Hz,越高的音越失準(zhǔn),問卷顯示他嗓子不適. 由此,篩選嗓子處于不適狀態(tài)的被測者,再根據(jù)自我認(rèn)知分為音準(zhǔn)和音不準(zhǔn)2組,分別做音準(zhǔn)曲線(頻率-音高曲線),結(jié)果如圖12所示.

圖12(a)中,大部分音準(zhǔn)好但嗓子不適的被測者,表現(xiàn)為和19號類似的失準(zhǔn),音準(zhǔn)曲線主要分布在標(biāo)準(zhǔn)曲線下方,且失去了應(yīng)有的上升趨勢,越高的音偏離標(biāo)準(zhǔn)曲線越大,仿佛聲帶的緊張程度(比模量)很快就達(dá)到極限. 圖12(b)中,嗓子不適音不準(zhǔn)的被測者,音準(zhǔn)曲線也主要分布在標(biāo)準(zhǔn)曲線下方,但總體更加平緩,聲帶幾乎失去了調(diào)節(jié)緊張程度(比模量)的能力.

(a)音準(zhǔn)組

(b)音不準(zhǔn)組圖12 嗓子不適狀態(tài)下的音準(zhǔn)曲線對比

新冠病毒感染臨床表現(xiàn)為咽干、咽痛、咳嗽、發(fā)熱等[11],聲門和聲帶周圍的黏膜也會充血水腫. 聲帶的液體含量增多、喪失彈性,而液體的楊氏模量為零,使得聲帶的比模量降低,大腦不能控制處于水腫狀態(tài)的聲帶肌肉使其比模量增大到應(yīng)有數(shù)值,無法達(dá)到應(yīng)有的音高. 這就是圖12中大多數(shù)被測者音準(zhǔn)曲線處于標(biāo)準(zhǔn)曲線下方且失去上升趨勢的原因. 網(wǎng)絡(luò)上普遍反映“寶娟嗓”患者中,輕者表現(xiàn)為聲音稍變粗/音調(diào)變低,這是聲帶水腫比模量降低的結(jié)果;重者表現(xiàn)為聲音嘶啞,這是聲帶嚴(yán)重水腫已經(jīng)無法振動的結(jié)果.

通過嗓子不適狀態(tài)和嗓子正常狀態(tài)的音準(zhǔn)曲線比較,可以看出由音準(zhǔn)曲線的上升趨勢能客觀評判嗓子狀態(tài). 比如8號和21號被測者,第一個音高頻率顯著小于標(biāo)準(zhǔn)參照,但是該學(xué)生自我認(rèn)知音不準(zhǔn),因此僅從該音高偏差無法斷定嗓子狀態(tài). 進(jìn)一步觀察2位被測者的音準(zhǔn)曲線,幾乎沒有上升趨勢,聲帶的緊張狀態(tài)(比模量)不能跟隨大腦指令而改變,由此可推測聲帶處于水腫等病理狀態(tài),失去了應(yīng)有的彈性.

5 項目評價與反思

基于物理建模和頻譜分析的音準(zhǔn)測試項目是我校醫(yī)學(xué)物理實驗課程的設(shè)計性醫(yī)學(xué)應(yīng)用實驗案例,將STEM理念融入到醫(yī)學(xué)物理交叉學(xué)科探究實踐中,能夠體現(xiàn)以下幾方面的教學(xué)成效:

1)培育學(xué)生的跨學(xué)科思維,為新醫(yī)科復(fù)合型人才培養(yǎng)打好基礎(chǔ). 項目充分體現(xiàn)了STEM理念,綜合運(yùn)用了物理建模、解剖和生理、信號采集、頻譜分析、樂理及問卷調(diào)研等理、工、醫(yī)、文多學(xué)科知識. 項目的核心內(nèi)容是建立基于音準(zhǔn)曲線的音準(zhǔn)測試標(biāo)準(zhǔn),并拓展為非侵入的聲帶健康物理診斷方法,在多學(xué)科知識的“學(xué)以致用”中激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和熱情.

2)在ADDIE模式下學(xué)生始終處于觀察、思考和決策中,提升了解決問題的能力. 項目評價“音準(zhǔn)測試結(jié)果是否符合自我認(rèn)知、是否反映嗓子狀態(tài)”,作用于項目流程其他所有環(huán)節(jié),提示學(xué)生在項目的每個環(huán)節(jié)根據(jù)評價結(jié)果進(jìn)行反思和修正. 如,設(shè)計環(huán)節(jié)建構(gòu)音準(zhǔn)的物理基礎(chǔ)時,嘗試多種聲帶振動模型,最終選擇能夠?qū)σ魷?zhǔn)定量表達(dá)的雙壓振子模型;執(zhí)行環(huán)節(jié)通過對比分析,確定以音準(zhǔn)曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線的偏離程度以及上升趨勢,來直觀顯示被測者的音準(zhǔn)情況和嗓子狀態(tài).

3)跨專業(yè)的團(tuán)隊合作,鍛煉了學(xué)生的協(xié)作和溝通能力. 醫(yī)學(xué)院和物理系專業(yè)學(xué)生的思想碰撞和融合,通過網(wǎng)絡(luò)問卷方式獲取實驗數(shù)據(jù),從而發(fā)現(xiàn)音準(zhǔn)曲線可以表征聲帶的健康狀況.

項目中也存在不足之處,如設(shè)計問卷時僅選取了4個音高,且忽略了音高之間的固定關(guān)系. 對問卷獲取的實驗數(shù)據(jù)分析時發(fā)現(xiàn),更加合理地選取音高可使標(biāo)準(zhǔn)對照曲線呈現(xiàn)線性,被測者的音準(zhǔn)曲線則可以用定量的物理參量來描述.

6 結(jié)束語

STEM理念始終貫穿音準(zhǔn)測試項目的全流程,要解決的音準(zhǔn)測試問題源自生活,思考如何完成項目時需要綜合運(yùn)用物理、數(shù)學(xué)及生理學(xué)等多學(xué)科知識,開發(fā)音準(zhǔn)測試方案時需要統(tǒng)計學(xué)、樂理等知識,執(zhí)行音準(zhǔn)測試方案時需要信號采集和頻譜分析等技術(shù). 學(xué)生在課程結(jié)束后仍可以繼續(xù)參與項目,每學(xué)期也會有新的成員加入,形成了醫(yī)學(xué)院和物理系跨專業(yè)、跨年級的項目團(tuán)隊. ADDIE模式下音準(zhǔn)測試項目得到了持續(xù)的發(fā)展和優(yōu)化,成長為醫(yī)學(xué)物理實驗課程的特色設(shè)計性醫(yī)學(xué)應(yīng)用實驗. 學(xué)生在完成該項目的常規(guī)實驗后已經(jīng)具有一定的學(xué)科交叉意識和技能[12],因此有濃厚的興趣來挑戰(zhàn)和解決實際問題. 通過音準(zhǔn)測試STEM項目的設(shè)計性醫(yī)學(xué)應(yīng)用實驗,學(xué)科交叉和解決實際問題的能力得到了充分的鍛煉. 也希望以該項目為案例,激發(fā)更多的學(xué)生參與設(shè)計性醫(yī)學(xué)應(yīng)用實驗,設(shè)計出更多更有特色的醫(yī)學(xué)物理STEM實踐項目,為“醫(yī)學(xué)+X”能力筑好根基. 該案例項目來源于生活,聲音和個人密切相關(guān),也適合轉(zhuǎn)化為中小學(xué)基礎(chǔ)教育階段的STEM探究項目.