基于核心素養的《聲現象》教學內容解構

朱文軍

(南京師范大學附屬中學樹人學校,江蘇 南京 210011)

1 引言

《義務教育物理課程標準(2022年版)》指出:核心素養是課程育人價值的集中體現，是學生通過課程學習逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。物理學科核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面。為實現物理學科的全面育人功能,在《聲現象》備課中可以從核心素養的四個方面展開解構。

2 物理觀念

物理觀念是指從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識，它是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華，也是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。物理觀念主要包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等要素。在《聲現象》中涉及物質觀、運動和相互作用觀、能量觀等。

2.1 物質觀

蘇科版物理八年級上冊(以下簡稱教材)第一章《聲現象》首先介紹了聲音的產生,通過探究歸納不同物體發聲的情況(求同)、對物體發聲與不發聲進行對比(求異)，得出結論：聲音是由物體振動產生的,正在發聲的物體叫聲源,氣體、液體和固體都可以振動發聲。“聲源”是一個重要的概念,在探究聲源振動發聲的過程中深刻理解聲源的物質性;在聲音的傳播教學中,通過生活經驗和課堂實驗發現：聲音可以在氣體、液體和固體中傳播,能傳聲的物質叫介質。這些內容將為學生形成物質觀奠定基礎。

2.2 運動和相互作用觀

聲音是一種波,聲音以波的形式在介質中傳播,且傳播的速度可能會不同。聲源的振動就是一種運動,這種運動有自己的特征,比如振幅和頻率,不同的聲音的波形一般也不同。

把兩個頻率相同的音叉的共鳴箱間隔一定距離相對放置,敲擊一個音叉,與另一個音叉接觸的懸掛著的乒乓球會被彈開,這就是一種“共鳴”現象,屬于一種相互作用。

2.3 能量觀

通過觀察放在音響前面的蠟燭火焰跳動、超聲波可以碎石、聲音可以引起鼓膜振動等實例說明聲音具有能量。

3 科學思維

科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的一種認識方式;它既是建構物理模型的抽象概括過程;也是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用;還是基于事實證據和科學推理對不同信息、觀點和結論提出質疑和批判,予以檢驗和修正,進而提出創造性見解的品格與能力。科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。

3.1 模型建構

3.1.1 顯示音叉的振動

用音叉探究聲音是由物體的振動產生的,(1) 將正在發聲的音叉叉股輕輕插入盛滿水的燒杯中,會看到水花飛濺;(2) 敲擊音叉,將用細線懸掛的輕質小球與音叉接觸,會觀察到小球被彈開;(3) 敲擊音叉,在音叉發聲的同時把音叉放在臉頰或用手觸摸,可感受到音叉的振動。前兩種方法是通過觀察水花飛濺或小球被彈開這種視覺現象來說明音叉發聲時在振動,后兩種方法是通過觸覺來說明音叉發聲時叉股在振動。通過音叉的振動建構物理模型,通過視覺或者觸覺來體驗音叉的微小振動。

3.1.2 顯示鼓面的振動

在用鼓探究聲音的產生、聲音的響度與振幅關系時,可以在鼓面上撒一些小紙屑、小塑料泡沫粒等質量較小的物體,會觀察到這些物體跳起來了，說明鼓面在振動,這也是一種模型的建構。

3.1.3 真空不能傳聲

在用鐘罩實驗探究真空能否傳聲時,把發聲的鬧鈴放在玻璃罩中,用抽氣機向外抽氣,可以聽到鈴聲在逐漸變小。這里就需要建立一種模型——真空,設想把玻璃罩中空氣全部抽出,那就是真空,應該一點聲音都聽不到。在實驗的基礎上進行合理外推,可以得出:真空不能傳聲。

3.2 科學推理

3.3.1 通過推理得出聲音是由物體振動產生的結論

在教材“想一想”欄目中，在利用一張紙、一根橡皮筋、一個筆帽、一杯水發聲的基礎上提出問題：物體發聲時與不發聲時有什么不同？物體發聲時有什么共同特征？運用了探究事物間因果關系時常用到的穆勒五法中的求異法和求同法。求異法在探究兩個事物之間是否有因果關系時,要求不同場景中只有一個要素不同,當這個要素存在時會出現現象,沒有要素時就不出現現象,那么現象的出現就很有可能與這個要素有關。在利用求同法尋找兩個事物之間是否有因果關系時,要求考察的幾個場景中只有一個共同的因素出現,都會產生相同的現象(如發聲),那么這個現象的出現很可能與這個共同的因素(如振動)有因果關系。

3.2.2 通過類比提出聲音是一種波

通過類比推理得出的結論雖然具有或然性,但是研究的現象越多,得出結論的可靠程度也就越高。

教材在介紹聲波之前,介紹了水波和搖動繩子時產生的“繩波”,并指出這兩種波都是凹凸相間的波。彈簧波則是一種疏密相間的波,接著介紹聲音在空氣中傳播的過程中,會形成一種疏密相間的波,即聲波，這是把聲波類比于彈簧波。

3.2.3 探究響度與振幅、音調與頻率的關系

在用音叉探究聲音的響度與振幅關系時,用大小不同的力敲擊音叉,讓發聲的音叉慢慢接觸懸掛著的乒乓球,會發現：用力越大,聲音的響度就越大,乒乓球被彈開的角度也就越大。乒乓球被彈開的幅度隨之增大,說明音叉振動的幅度也在增大。這用到了探究兩個事物之間因果關系的穆勒五法中的共變法，使用共變法時,要求在實驗的過程中只改變一個物理量,如果現象隨著這個物理量的變化而變化,那說明它們之間有因果聯系。我們可以得出結論：聲源的振幅越大,聲音的響度越大。

同理,在探究聲音的音調與聲源振動頻率的關系時,可以將一把鋼尺的一端緊壓在桌面上,讓另一端伸出桌面部分較長,撥動尺子使之振動,聽聲音的同時注意鋼尺振動的快慢。縮短尺子伸出桌面的長度,再次撥動鋼尺做幾次實驗。比較、分析幾種不同情況下聲音的音調與鋼尺振動快慢之間的關系，這個實驗用到的控制變量法的背后邏輯因素就是推理時用到了共變法。

圖1

3.3 科學論證

如何才能“看到”聲音？我們可以利用光現象來反映聲現象，如圖1所示，把兩只紙杯底部用細棉線連起來,做成“土電話”，固定住一只紙杯,在杯口處蒙上橡皮膜,在膜上貼一塊小平面鏡,拉緊棉線,將激光照射到小平面鏡上，對著另一只紙杯說話,你會看到激光被反射出現的光點在晃動,這就是你的“聲音”。這種方法是將聲信號轉化成光信號,并進行放大,從而可以“看見”聲音。

3.4 質疑創新

3.4.1 探究固體傳聲

在研究固體能否傳聲時,教材中設計的方案如下:利用一張桌子做實驗，一位同學輕敲桌子,另一位同學把耳朵貼在桌面上。由實驗能得出什么結論？

這種方案的設計沒有考慮到這位同學的另一只耳朵還可以聽到通過空氣傳播過來的聲音,實驗方案存在缺陷。所以,需要這位同學堵住另一只耳朵，或者用“土電話”的活動來說明固體可以傳聲。

3.4.2 探究液體傳聲

教材中設計的方案如下:雙手拿著石頭在水中擊打,我們可以聽到敲擊石頭的聲音。這種方案的不足之處是:聲音可以通過人手、胳膊傳播出來,不足以說明聲音是通過水傳播的。可以改進成用細線系好音樂芯片放在水中,人在旁邊可以聽到音樂聲。也可以改進為用塑料袋裝手機后置于水中,用細線系住塑料袋，這兩種方案都是抓住了主要矛盾,忽略聲音通過細線傳播這種途徑。當然,最佳方案是讓發聲物體懸浮在水中,可以通過改變塑料袋的大小,使塑料袋和手機受到的浮力和重力大小相等，從而實現懸浮。

3.4.3 鐘罩實驗的改進

做鐘罩實驗時,如果把鬧鐘直接放在鐘罩的底座上,聲音可以通過固體傳播,實驗效果不佳。可以改進如下:把鬧鐘墊在海綿或泡沫上,起到減震的作用。還可以把鬧鐘懸掛在玻璃罩的頂部，以忽略次要因素——細線的傳聲,從而使實驗效果得到改善。如果沒有現成的鐘罩實驗裝置,可以用集氣瓶替代鐘罩來完成實驗。

3.4.4 顯示音叉振動的波形

在探究音叉振動的波形時,除了可以用示波器以外,還可以在音叉上固定一根鋼針,把一塊用蠟燭熏黑的玻璃板沿著垂直于音叉振動的方向快速劃過,可以看到玻璃板上留下的音叉振動的波形。

通過以上問題的討論和實驗改進,可以培養學生養成不迷信權威、勇于創新的意識。

4 科學探究

科學探究是指基于觀察和實驗提出科學問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取與處理信息、基于證據得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流等要素。

在《聲現象》這一章中涉及的科學探究有：探究聲音的產生、聲音的傳播、響度與聲源振動幅度的關系、音調與聲源振動頻率的關系等實驗。下面以探究聲音的產生為例，來說明科學探究的幾個要素。

4.1 提出問題

聲音是大家最熟悉不過的一種現象,那么聲音到底是怎么產生的？

4.2 證據

在探究聲音的產生時,可以通過物體發聲與不發聲的不同進行對比,也就是運用求異法,得出聲音是由物體振動產生的結論。也可以通過尋找各種發聲物體的共同特征進行求同,得出結論。

4.3 解釋

用敲擊發聲的音叉靠近懸掛著的乒乓球,會看到乒乓球被彈開,說明音叉在振動;不敲擊音叉時不發聲,靠近懸掛著的乒乓球,看不到乒乓球被彈開,從而說明聲音是由物體的振動產生的。為了使實驗結論更加可靠,還可以選用其他聲源進行研究。音叉的振動還可以通過其他一些現象得出,比如將敲擊后的音叉插入水中,看到水花飛濺等。

5 科學態度與責任

科學態度與責任是指在認識科學本質和了解科學、技術、社會、環境之間關系的基礎上,探索自然的內在動力,嚴謹認真、實事求是、持之以恒的品質,熱愛自然、保護環境、遵守科學倫理的自覺行為,以及推動可持續發展和實現中華民族偉大復興的使命擔當。科學態度與責任主要包括科學本質、科學態度、社會責任等要素。

5.1 科學本質

在介紹實驗室常見的音叉、鼓、鑼、鋼尺發聲的基礎上,可以和同學一起討論各種動物的發聲,比如蚊子、蟋蟀、蝙蝠、水母、母雞、海豚等發聲原理。

在講到回聲時,可以引導學生討論：老師在講課時,教室內是否有回聲？我們人耳有沒有接收到回聲？人們是否能分辨出回聲與原聲？補充介紹江西弋陽的“四聲谷”：游客高喊一聲后,可以連續聽到四個回聲，還可以拓展雙耳效應和立體聲的知識。

在講到固體傳聲時,可以引導學生討論：人們在咀嚼堅果時,為什么自己感覺到聲音很大而旁邊的人幾乎聽不到咀嚼聲？從而介紹骨傳導。

在介紹超聲波時,可以引導學生討論：蝙蝠為何能在黑夜飛行？從而引出回聲定位，還可以進一步討論聲吶與雷達的不同之處。

在傳揚我國古代在聲現象研究中的成就時,可以介紹天壇的回音壁和三音石、戰國時期的曾侯乙編鐘、7000多年前的骨哨和骨笛，探討山西永濟縣境內的鶯鶯塔的聲學現象,游客站在塔前擊打石塊,聲音經過多層塔檐反射后,回聲相繼延遲,可以聽到蟾鳴般的回聲,出現“普救蟾聲”的奇妙現象。

據記載,唐朝在洛陽有一個老和尚,有一天得到一個磬。結果那個磬常常半夜自鳴,老和尚疑神疑鬼,被嚇得生起大病來。后來經有學問的人指點,才知道此磬與前殿大鐘的固有頻率相同,擊彼應此,故鐘鳴磬響。

在用發聲的音叉接觸懸掛著的乒乓球時,學生會發現乒乓球會彈開的幅度時大時小,沒有一定的規律。這里的原因主要是乒乓球被彈開一次后,再與音叉接觸時,每次音叉振動的相位不同,乒乓球的速度也不同,碰撞后乒乓球獲得的能量也不同。

通過這些知識的介紹,學生可以對一些聲現象的本質有更多的了解,保持對探索科學的興趣與熱情,在認識自然的過程中獲得成就感與自豪感。

5.2 科學態度

在用鐘罩實驗研究真空能否傳聲時,不論怎么抽氣,坐在前排的同學還是能聽到微弱的聲音,這時教師不要回避現象,要和學生探討其中原因,一是不可能抽成真空,二是底座或者是懸掛的細線總還會傳聲。引導學生認識到在研究物理問題時,可以忽略次要因素,抓住主要因素,在實驗的基礎上進行合理推理、得出結論。

都說聲音是一種波,如何看見這種波呢？可以借用示波器或者示波器軟件,來研究聲音的響度與振幅的關系、聲音的音調與聲源頻率的關系,會看到不同樂器發聲時的波形不同。

通過了解貝多芬晚年失聰,用牙齒咬著硬棒搭在鋼琴上聽聲譜曲的故事,學習他對音樂的熱愛和追求,樹立嚴謹認真的科學態度。

引導學生討論：百米賽跑的計時員能否通過聽槍聲計時?利用探究的結論：敲擊裝有不同深度水的玻璃杯發出聲音的音調不同,帶領學生制作小樂器(比如水杯琴、橡皮筋吉他),養成學生的實事求是、尊重自然規律的科學態度。

5.3 社會責任

學生通過學習了解噪聲的形成、危害、控制以及不可聽聲的利用等,了解倒車雷達、超聲導盲儀、超聲除草器、超聲波加濕器、超聲探傷儀、超聲波測速儀、“水母耳”次聲預報儀、語音識別系統等,發生地震時敲擊暖氣片能把敲擊聲傳遍樓內各處,以鮮活、富有時代氣息的事例，引導學生關注科技對人類生活、自然環境及社會發展的影響,養成環境保護、可持續發展的意識,有將科學技術服務于人類的意識,養成民族復興大業的使命感與擔當意識。