新課標(biāo)下傳統(tǒng)科技與初中物理教學(xué)的結(jié)合

叢小涵 肖瑩瑩 羅宇芳 陳森森 葉晴瑩

摘 ? 要：在新課標(biāo)的指導(dǎo)下，將物理學(xué)科知識(shí)與中國(guó)傳統(tǒng)科技在初中物理教學(xué)中結(jié)合，以“回音建筑”為例進(jìn)行說(shuō)明，與新課標(biāo)中新增的活動(dòng)建議相適應(yīng)，有效促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新課標(biāo)；傳統(tǒng)文化；物理教學(xué)；回音建筑

2022年4月，教育部印發(fā)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（下簡(jiǎn)稱(chēng)“新課標(biāo)”）。在課程目標(biāo)上，新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)物理課程獨(dú)特的育人價(jià)值，重視學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。在課程內(nèi)容上，新課標(biāo)將社會(huì)主義先進(jìn)文化、中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化等重大主題教育有機(jī)融入課程，添加多項(xiàng)與中國(guó)傳統(tǒng)科技相關(guān)的課程內(nèi)容和活動(dòng)建議。在教學(xué)基本要求上，新課標(biāo)明確指出教師在物理教學(xué)中應(yīng)“將培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)貫穿教學(xué)的全過(guò)程”，靈活運(yùn)用情境化教學(xué)、問(wèn)題教學(xué)等多種教學(xué)方式。

中國(guó)傳統(tǒng)科技文化作為中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的重要組成部分集中體現(xiàn)了古代先賢格物致知、善用物理規(guī)律的科學(xué)智慧，以及求真務(wù)實(shí)、經(jīng)世致用的人文精神。將中國(guó)傳統(tǒng)科技作為物理教學(xué)中的素材既可以潛移默化地進(jìn)行知識(shí)的傳授，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[ 1 ]，又符合新課標(biāo)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的要求，有利于進(jìn)一步增強(qiáng)課程內(nèi)容和育人目標(biāo)之間的聯(lián)系。

以“回音建筑”為例，說(shuō)明在初中物理教學(xué)中融入傳統(tǒng)科技文化的具體方式。回音建筑是一種有獨(dú)特聲學(xué)現(xiàn)象的我國(guó)古建筑，我國(guó)現(xiàn)存四大回音建筑，分別為天壇回音壁、寶輪寺塔、普救寺塔和四川石琴。新課標(biāo)在聲學(xué)部分的課程內(nèi)容中新增了“查閱資料，了解我國(guó)古建筑應(yīng)用聲學(xué)知識(shí)的案例”的活動(dòng)建議，以充滿(mǎn)中國(guó)智慧的回音建筑作為該活動(dòng)的素材可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的同時(shí)了解我國(guó)古代的物理學(xué)和建筑學(xué)成就，發(fā)展物理核心素養(yǎng)，增強(qiáng)民族自信。

1 ?創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣

天壇是我國(guó)“四大回音建筑”之首，其中的幾個(gè)著名的聲學(xué)現(xiàn)象更是聲學(xué)史上的奇跡[ 2 ]。“回音壁”即為天壇著名的聲學(xué)現(xiàn)象之一，如圖1所示，回音壁即天壇皇穹宇周?chē)膱A形圍垣，其直徑六十余米，與標(biāo)準(zhǔn)400 m田徑跑道內(nèi)側(cè)的彎道直徑相當(dāng)，但兩人分別站在東西側(cè)配殿之下，面朝北側(cè)墻壁輕聲說(shuō)話(huà)，仍可以清晰地聽(tīng)到對(duì)方的說(shuō)話(huà)聲音。

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教師可以在課前建議學(xué)生利用課間時(shí)間，兩人一組分別站在跑道彎道的兩側(cè)（距離約60～70 m），背向?qū)Ψ捷p聲拍手或輕聲說(shuō)話(huà)，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)很難聽(tīng)到對(duì)方的聲音，在開(kāi)始上課后，教師播放體現(xiàn)回音壁傳聲現(xiàn)象的視頻。學(xué)生觀(guān)看視頻后發(fā)現(xiàn)回音壁兩側(cè)的人距離很遠(yuǎn)，卻可以清晰地聽(tīng)到對(duì)方輕聲說(shuō)話(huà)的聲音，這與之前在跑道兩側(cè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的現(xiàn)象明顯不同，因此產(chǎn)生認(rèn)知沖突，從而對(duì)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，探究回音壁傳聲現(xiàn)象的原理產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣。教師可以在此時(shí)對(duì)天壇進(jìn)行進(jìn)一步的介紹，促進(jìn)學(xué)生了解相關(guān)的文化情境，強(qiáng)化其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)：天壇始建于十六世紀(jì)，是古代皇帝舉行祭祀，祈求五谷豐登的場(chǎng)所，其恢弘大氣的建筑風(fēng)格與以回音壁為代表的奇特聲學(xué)現(xiàn)象相得益彰，使天壇成為我國(guó)古代建筑史和科技史上的瑰寶。

2 ?探究原理，深入剖析

對(duì)于剛剛接觸物理的初二學(xué)生而言，在不借助相關(guān)資料的情況下獨(dú)立分析回音壁傳聲原理的難度較大。教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用信息技術(shù)自主搜集相關(guān)資料，在過(guò)程中加深對(duì)于回音壁傳聲現(xiàn)象及其文化內(nèi)涵的理解。學(xué)生通過(guò)不同途徑進(jìn)行搜索，會(huì)搜集到多種可能的解釋?zhuān)渲械囊恍┙忉專(zhuān)ū热缁匾舯趥髀暚F(xiàn)象的原理是聲音在墻體中傳播）是缺乏證據(jù)支持甚至錯(cuò)誤的，此時(shí)教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生對(duì)互聯(lián)網(wǎng)上紛繁復(fù)雜的觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行鑒別，培養(yǎng)其獨(dú)立思考，質(zhì)疑創(chuàng)新的意識(shí)，比如詢(xún)問(wèn)學(xué)生：一間教室的長(zhǎng)度大概是十米，如果我站在和我們教室相隔六間教室的地方面向墻壁輕聲講話(huà)，大家站在我們教室外，可以聽(tīng)到聲音么？通過(guò)教師的提問(wèn)，學(xué)生會(huì)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)上的已有觀(guān)點(diǎn)產(chǎn)生懷疑，并在親身嘗試后逐漸認(rèn)識(shí)到回音壁傳聲現(xiàn)象不僅是或不是因?yàn)槁曇粼趬w中傳播，一定與回音壁的特殊結(jié)構(gòu)存在關(guān)聯(lián)。此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生在查詢(xún)到的各種解釋的基礎(chǔ)上對(duì)回音壁的傳聲原理作出相關(guān)假設(shè)，一般來(lái)講學(xué)生所作出的假設(shè)主要有以下兩種：

a.聲音受到建筑結(jié)構(gòu)的束縛，只能沿回音壁向前推進(jìn)，很難向其他方向擴(kuò)散，最終聲音全都聚在一起傳入聽(tīng)話(huà)人的耳朵，所以雖然距離遠(yuǎn)也可以清晰地聽(tīng)到聲音。

b.聲音在傳播過(guò)程中多次被墻體反射，因而傳播得比較遠(yuǎn)。

在此基礎(chǔ)上，教師與學(xué)生一同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證所作出的假設(shè)。一些學(xué)生聯(lián)想到聲納等利用聲速測(cè)距的儀器，提出能否基于類(lèi)似的原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。教師可以對(duì)提出該構(gòu)想的學(xué)生進(jìn)行表?yè)P(yáng)鼓勵(lì)，隨后與學(xué)生一同完善實(shí)驗(yàn)方案：先測(cè)量發(fā)出聲音與聽(tīng)到聲音之間的時(shí)間間隔，再根據(jù)聲速公式計(jì)算聲音的傳播距離，結(jié)合回音壁的實(shí)際尺寸確定聲音的傳播路徑。

受到實(shí)際條件的限制，開(kāi)展實(shí)地實(shí)驗(yàn)的可能性較低，因此教師可以提供圖2中其他學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)所收集的數(shù)據(jù)[ 3 ]作為替代，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分析相關(guān)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)猜想。圖2是在回音壁西配殿附近處以掌聲作為聲源，在東配殿附近處放置聲級(jí)計(jì)和磁帶機(jī)記錄聲波，再用譜分析儀繪制的聲波波形時(shí)域圖，該圖中的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示振幅，代表了聲音的響度大小。

通過(guò)提取圖2中的相關(guān)信息可以計(jì)算出橫軸的上一個(gè)小格對(duì)應(yīng)74.6 ms，因此利用聲速公式可以計(jì)算出圖2中1、2兩處聲音所對(duì)應(yīng)的傳播距離分別約為42 m和157 m，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際傳聲情景和回音壁的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，可以確定1處的聲音為圖3中A點(diǎn)發(fā)出的聲音經(jīng)直線(xiàn)直接傳播至B點(diǎn)，2處聲音的傳播距離略小于從A到B的優(yōu)弧弧長(zhǎng)，因而回音壁傳聲現(xiàn)象的真正原因是聲音在墻壁表面按照?qǐng)D3所示的路徑被多次反射后傳到聽(tīng)者耳中，同時(shí)由于墻壁限制了聲音在水平方向上的衰減，經(jīng)反射的聲音2強(qiáng)度強(qiáng)于直線(xiàn)傳播的聲音1，聽(tīng)者能夠聽(tīng)到響亮清晰的聲音[ 4 ]，也即先前的假設(shè)a和假設(shè)b都有其合理性，但又都不完善。

3 ?實(shí)踐擴(kuò)展，加深理解

在探明回音壁的傳聲原理后，學(xué)生對(duì)古代能工巧匠的智慧贊不絕口，同時(shí)也驚喜地發(fā)現(xiàn)看似神秘的傳聲現(xiàn)象居然可以用如此簡(jiǎn)潔的物理原理進(jìn)行解釋。此時(shí)，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生利用身邊的材料制作一個(gè)簡(jiǎn)易的回音壁模型來(lái)展現(xiàn)回音壁的傳聲原理。市面上有各種類(lèi)型的天壇模型，但這些模型都無(wú)法體現(xiàn)回音壁的傳聲現(xiàn)象，這是因?yàn)槿硕鸁o(wú)法分辨近距離處的原聲和回聲。因此，教師可以提示學(xué)生光和聲一樣有反射現(xiàn)象，并提供激光筆和錫箔紙、鏡面貼紙等反光材料以及剪刀、雙面膠等工具，組織學(xué)生用光代替聲音，展現(xiàn)回音壁的傳聲原理。學(xué)生在多次嘗試并將自己的作品與他人相對(duì)比后會(huì)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)用于反光的弧面平整時(shí)能夠較清晰地觀(guān)察到光被多次反射的現(xiàn)象（如圖4所示），而弧面凹凸不平時(shí)則很難觀(guān)察到明顯的現(xiàn)象（如圖5所示）。此時(shí)，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生在課后繼續(xù)查閱相關(guān)資料，思考聲音的反射效果是否也會(huì)受到表面平整程度的影響，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)思考保護(hù)回音建筑的要點(diǎn)。

相關(guān)資料顯示，回音壁最初是使用“磨磚對(duì)縫”的工藝制成，其表面非常平整光滑，而目前由于一些游客亂寫(xiě)亂刻的不文明行為，回音壁的表面變得凹凸不平，其傳聲性能也受到了影響。在查閱資料了解到這些信息后，學(xué)生會(huì)認(rèn)識(shí)到聲音的反射效果同樣受到表面平整程度的影響，因此回音建筑的特殊聲學(xué)現(xiàn)象依賴(lài)于其整體結(jié)構(gòu)的完好及其表面的平整，游客自覺(jué)文明游覽并保護(hù)回音建筑的表面對(duì)于保護(hù)回音建筑的聲學(xué)性能非常關(guān)鍵。同時(shí)，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐以及擴(kuò)展思考，學(xué)生也認(rèn)識(shí)到物理知識(shí)不但能用于解題，更是在文物保護(hù)及其他生產(chǎn)生活領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，從而能夠進(jìn)一步增強(qiáng)科學(xué)責(zé)任感，逐步養(yǎng)成學(xué)好科學(xué)知識(shí)，利用科學(xué)知識(shí)為國(guó)家發(fā)展做出貢獻(xiàn)的使命感。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 林馨郁，符宇萌，王汐檸，等.STEAM教育與傳統(tǒng)文化在物理教學(xué)中的結(jié)合——以“走馬燈”為例[J].中學(xué)理科園地，2022，18（1）：3-6.

［2］ 田時(shí)秀.中國(guó)古代聲學(xué)的發(fā)展[J].物理，1976（6）：347-350.

［3］ 周克超，俞文光，賈隴生，等.天壇聲學(xué)現(xiàn)象的首次測(cè)試與綜合分析[J].自然科學(xué)史研究，1996（1）：72-79.

［4］ 湯定元.天壇中幾個(gè)建筑物的聲學(xué)問(wèn)題[J].物理，1953（2）：53-59.