A-STEM視域下學生核心素養的培養
——以“聲音的特性”教學設計為例

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，主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個方面，通過培養學生物理核心素養促進學生逐步形成個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力.［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（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）4門學科的跨學科教育理念，其本質就是要培養學生解決復雜問題時綜合運用各學科知識的能力，可以說STEM與核心素養的理念不謀而合，因此基于核心素養的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，一味追求科學技術的發展和理工科人才的培養，忽視了教育對社會問題的關注和人文藝術領域的發展，并不能有效培養學生的“科學態度與責任”，達到“人文底蘊”與“科學精神”協同發展培養全面發展的人的精神理念.［2］如何在傳授物理知識的同時提升學生的人文底蘊培養學生的科學態度與責任呢？

STEAM應運而生，即將藝術（Arts）融入到STEM教育中，強化學生的藝術熏陶和人文底蘊.STEAM教育實現了藝術與科學的深度融合，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的統一，實現了理性與感性的對話.［3］A-STEM教育在STEAM的基礎上，突出藝術（Arts）教育的作用，更加強調了教學的人文價值和內涵，是由中國STEM教育協作聯盟創始發起人鄒曉東博士首次提出.

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

2 “聲音的特性”設計案例

筆者學習小提琴8年有余，深知藝術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，給課堂帶來藝術的美感、藝 術的思考.教學設計中包括設置情境、工程設計、科學探究、數學分析和合作交流幾個核心要素.［4］

2.1 “聲”臨其境，設置問題

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，并向學生提出問題：如何用物理知識去分析《梁祝》？

圖1 小提琴《梁?！?/p>

設計意圖：以藝術情境設置問題，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，利用轉換法通過六棱鏡轉動將振動轉換成激光運動軌跡.

（2）裝置介紹.

整個實驗儀器手工制作，實驗設計思路參考了文獻，［5］在其基礎上把發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.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（這一步不要轉動六棱柱），先讓學生看見原地振動的光點.接著勻速轉動六棱柱，就會出現一道光波，讓學生切實看到聲音是一道波，如圖4.

圖4 轉動六棱柱后的光波

設計意圖：通過闡述工程制作的流程及遇到的問題，使學生體會到創作的樂趣，激發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生極大的興趣.

2.3 科學探究，數學分析

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

圖5 200Hz、400Hz單音的波形圖

設計意圖：借助信息技術手段，引導學生從定性認識振動過渡到定量認識，更好地用數據理解頻率.引導學生從觀察現象、搜集數據到最后的得出結論，提高學生的分析總結能力，培養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，學生經過討論得出，此儀器可以繼續探究響度和音色.具體操作是：控制音調不變改變音量大小探究響度與振幅關系，如圖6；用不同樂器產生相同單音探究音色與聲音的關系，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

設計意圖：學生自主思考試驗方案，實現知識遷移，形成科學思維及嚴謹的物理態度.同時一器多用，實現儀器的價值最大化.

2.5 物理解釋藝術，文理深度融合

介紹《梁?！肥巧虾Ｒ魳穼W院為建國10周年的獻禮作品.《梁?！芬栽絼〕粸樗夭模枋隽肆荷讲c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，音調低.

16′20″英臺哭墳章節，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，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.證明發聲體自身的材料和結構決定著音色.

3 結束語

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

表1 A-STEM中的核心素養要素

基于A-STAM的教學設計，突出傳統文化的基礎上，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，在團隊協作中又能發揮自己的特長，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，更是終身發展的核心素養.［6－7］