基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的工程教育初探

摘 要：本文為實(shí)現(xiàn)物理學(xué)與工程實(shí)踐的融通，進(jìn)行了項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了確立問(wèn)題、尋找證據(jù)、提出問(wèn)題到解決問(wèn)題的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)流程。據(jù)此，本文立足于蘇科版教材“樂(lè)音的特性”一節(jié)開(kāi)發(fā)了探究項(xiàng)目，利用信息化手段尋找證據(jù)進(jìn)而解決問(wèn)題，并且最終對(duì)學(xué)生證據(jù)進(jìn)行展示評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：拇指琴；聲音的特性；項(xiàng)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(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》），在課程內(nèi)容的“物理學(xué)與工程實(shí)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(yùn)用知識(shí)跨學(xué)科分析和解決問(wèn)題的能力，讓學(xué)生愛(ài)上動(dòng)手操作的實(shí)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(shí)踐已經(jīng)成為初中物理教學(xué)的一項(xiàng)重要議題。

物理學(xué)與工程教育的跨學(xué)科實(shí)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(jìn)而探索二者融合的有效路徑。項(xiàng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明項(xiàng)目化學(xué)習(xí)可以從某一個(gè)學(xué)科切入，聚焦關(guān)鍵的學(xué)科知識(shí)和能力，用驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題指向這些知識(shí)和能力，在解決問(wèn)題的過(guò)程中同時(shí)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(kāi)展了“樂(lè)音的特性”的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)。

1 基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的工程教育實(shí)踐

項(xiàng)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(shí)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)會(huì)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(jiàn)圖1）。^［3］

基于以上目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了符合初中物理課堂教

學(xué)的項(xiàng)目化流程，該流程包括確立問(wèn)題、尋找證據(jù)、提出問(wèn)題、解決問(wèn)題和交流評(píng)價(jià)五個(gè)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系如圖2所示。具體來(lái)說(shuō)，教師首先引導(dǎo)學(xué)生確立問(wèn)題，隨后學(xué)生利用信息技術(shù)手段來(lái)尋找相關(guān)的證據(jù)；在找到初步證據(jù)后，學(xué)生進(jìn)一步提出問(wèn)題，并繼續(xù)通過(guò)尋找證據(jù)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的解決；在整個(gè)過(guò)程中，學(xué)生之間可以相互交流與評(píng)價(jià)；最后，在教師和學(xué)生共同參與的評(píng)價(jià)下，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

2 “拇指琴”的發(fā)聲特點(diǎn)探究教學(xué)過(guò)程

本文基于蘇科版八年級(jí)上冊(cè)第一章第二節(jié)“樂(lè)音的特性”的教學(xué)內(nèi)容^［4］，將其劃分為四個(gè)主要部分：確立問(wèn)題、尋找證據(jù)、解決問(wèn)題、交流評(píng)價(jià)。這一過(guò)程旨在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)利用信息技術(shù)手段解決工程類問(wèn)題，進(jìn)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(wèn)題

從教材出發(fā)，本節(jié)分為三個(gè)物理概念，即“響度”“音調(diào)”“音色”。對(duì)于初二學(xué)生來(lái)說(shuō)，物理是一門(mén)全新的課程，他們正處在對(duì)物理充滿濃厚興趣的階段，然而，他們此時(shí)的抽象思維能力相對(duì)較弱。教師可以在課堂上先彈奏一曲簡(jiǎn)單的拇指琴樂(lè)曲，通過(guò)這樣生動(dòng)有趣的情境來(lái)激發(fā)學(xué)生的興趣，進(jìn)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(gè)琴鍵時(shí)“響度”與哪些因素有關(guān)，了解彈奏多個(gè)琴鍵時(shí)“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(jiàn)圖3）具備將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的功能，并能將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖表或圖像的形式直觀展示出來(lái)，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(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)中，教師可將科學(xué)探究貫穿于整個(gè)課堂活動(dòng)，以培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題發(fā)現(xiàn)能力、案例拆解能力以及問(wèn)題確立能力。

2.2 尋找證據(jù)

確立探究問(wèn)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(guò)程中，學(xué)生在小組內(nèi)進(jìn)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(lái)進(jìn)行探究，并據(jù)此形成了一定的實(shí)驗(yàn)方案。隨后，教師對(duì)學(xué)生的討論結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，并分別分發(fā)實(shí)驗(yàn)記錄表（見(jiàn)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(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

2.3 解決問(wèn)題

2.3.1 “響度影響因素”實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

“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(shí)，學(xué)生還停留在 “響度大”就是“聲音大”的前概念中，對(duì)于“響度”表示聲音的強(qiáng)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(shí)到振幅越大響度越大。教材中雖然通過(guò)敲擊鼓面觀察米粒振動(dòng)幅度的方式，形象地展示了振動(dòng)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(jìn)行深入地拓展學(xué)習(xí)，更無(wú)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(shí)驗(yàn)前、后的直觀感受與理論知識(shí)相聯(lián)系，進(jìn)而深入理解“振幅”是決定聲音“響度”的關(guān)鍵因素，從而促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的內(nèi)化。探究響度影響因素實(shí)驗(yàn)記錄表如表4所示。

2.3.2 “音調(diào)影響因素”實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

“音調(diào)”與“頻率”的關(guān)系是該節(jié)內(nèi)容的一大難點(diǎn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)二者關(guān)系時(shí)經(jīng)常將“音調(diào)”與“響度”兩個(gè)物理概念混淆，所以辨識(shí)清楚兩者關(guān)系也是教師教學(xué)的一大要點(diǎn)。教材中利用鋼尺伸出桌面的長(zhǎng)短不同，讓學(xué)生直觀地從鋼尺振動(dòng)的快慢得出頻率的快慢，從而進(jìn)一步得出“頻率”與“音調(diào)”的關(guān)系。在實(shí)際教學(xué)中，由于鋼尺振動(dòng)的速度較快，學(xué)生難以準(zhǔn)確區(qū)分鋼尺伸出長(zhǎng)度不同時(shí)振動(dòng)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(jī)軟件來(lái)測(cè)量“水杯樂(lè)器”中不同水量時(shí)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(guò)聽(tīng)覺(jué)直接感受到杯子音調(diào)的變化；另一方面，通過(guò)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(jìn)而認(rèn)識(shí)到頻率是如何決定音調(diào)的。探究音調(diào)影響因素實(shí)驗(yàn)記錄表如表5所示。

2.3.3 “音色影響因素”實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

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

教材中雖然展示了音叉、雙簧管、長(zhǎng)笛等樂(lè)器的波形圖，從中可以明顯看出這些樂(lè)器波形特征的差異。然而，如果能夠通過(guò)軟件在樂(lè)器發(fā)聲時(shí)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)這些波形圖像，將會(huì)為學(xué)生提供更加直觀、生動(dòng)的觀察體驗(yàn)，使他們能夠更清晰地看到不同樂(lè)器波形特征的獨(dú)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(jìn)而理解這些差異所反映的聲音要素。

2.4 交流評(píng)價(jià)

盡管在各組收集證據(jù)的過(guò)程中，學(xué)生對(duì)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(shí)，但這種認(rèn)識(shí)仍然不夠全面。此時(shí)交流評(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)成果。在此過(guò)程中，學(xué)生將體會(huì)到科學(xué)與技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，同時(shí)在交流互動(dòng)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)。利用手機(jī)軟件這樣的信息化技術(shù)進(jìn)行“聲音的特性”綜合活動(dòng)案例設(shè)計(jì)，向?qū)W生展示項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中確立問(wèn)題、收集證據(jù)、解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)模式。這種方法不僅直觀地展示了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，縮短了學(xué)生的思維路徑，還能夠激勵(lì)學(xué)生利用軟件上豐富的資源開(kāi)展更多元化的工程實(shí)踐。通過(guò)撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)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(jìn)而激發(fā)他們?cè)诠こ填I(lǐng)域的創(chuàng)造力和探索精神。

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