基于核心素养的《声现象》教学内容解构

朱文军

(南京师范大学附属中学树人学校,江苏 南京 210011)

1 引言

《义务教育物理课程标准(2022年版)》指出:核心素养是课程育人价值的集中体现，是学生通过课程学习逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力。物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。为实现物理学科的全面育人功能,在《声现象》备课中可以从核心素养的四个方面展开解构。

2 物理观念

物理观念是指从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，它是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，也是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。物理观念主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素。在《声现象》中涉及物质观、运动和相互作用观、能量观等。

2.1 物质观

苏科版物理八年级上册(以下简称教材)第一章《声现象》首先介绍了声音的产生,通过探究归纳不同物体发声的情况(求同)、对物体发声与不发声进行对比(求异)，得出结论：声音是由物体振动产生的,正在发声的物体叫声源,气体、液体和固体都可以振动发声。“声源”是一个重要的概念,在探究声源振动发声的过程中深刻理解声源的物质性;在声音的传播教学中,通过生活经验和课堂实验发现：声音可以在气体、液体和固体中传播,能传声的物质叫介质。这些内容将为学生形成物质观奠定基础。

2.2 运动和相互作用观

声音是一种波,声音以波的形式在介质中传播,且传播的速度可能会不同。声源的振动就是一种运动,这种运动有自己的特征,比如振幅和频率,不同的声音的波形一般也不同。

把两个频率相同的音叉的共鸣箱间隔一定距离相对放置,敲击一个音叉,与另一个音叉接触的悬挂着的乒乓球会被弹开,这就是一种“共鸣”现象,属于一种相互作用。

2.3 能量观

通过观察放在音响前面的蜡烛火焰跳动、超声波可以碎石、声音可以引起鼓膜振动等实例说明声音具有能量。

3 科学思维

科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的一种认识方式;它既是建构物理模型的抽象概括过程;也是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;还是基于事实证据和科学推理对不同信息、观点和结论提出质疑和批判,予以检验和修正,进而提出创造性见解的品格与能力。科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。

3.1 模型建构

3.1.1 显示音叉的振动

用音叉探究声音是由物体的振动产生的,(1) 将正在发声的音叉叉股轻轻插入盛满水的烧杯中,会看到水花飞溅;(2) 敲击音叉,将用细线悬挂的轻质小球与音叉接触,会观察到小球被弹开;(3) 敲击音叉,在音叉发声的同时把音叉放在脸颊或用手触摸,可感受到音叉的振动。前两种方法是通过观察水花飞溅或小球被弹开这种视觉现象来说明音叉发声时在振动,后两种方法是通过触觉来说明音叉发声时叉股在振动。通过音叉的振动建构物理模型,通过视觉或者触觉来体验音叉的微小振动。

3.1.2 显示鼓面的振动

在用鼓探究声音的产生、声音的响度与振幅关系时,可以在鼓面上撒一些小纸屑、小塑料泡沫粒等质量较小的物体,会观察到这些物体跳起来了，说明鼓面在振动,这也是一种模型的建构。

3.1.3 真空不能传声

在用钟罩实验探究真空能否传声时,把发声的闹铃放在玻璃罩中,用抽气机向外抽气,可以听到铃声在逐渐变小。这里就需要建立一种模型——真空,设想把玻璃罩中空气全部抽出,那就是真空,应该一点声音都听不到。在实验的基础上进行合理外推,可以得出:真空不能传声。

3.2 科学推理

3.3.1 通过推理得出声音是由物体振动产生的结论

在教材“想一想”栏目中，在利用一张纸、一根橡皮筋、一个笔帽、一杯水发声的基础上提出问题：物体发声时与不发声时有什么不同？物体发声时有什么共同特征？运用了探究事物间因果关系时常用到的穆勒五法中的求异法和求同法。求异法在探究两个事物之间是否有因果关系时,要求不同场景中只有一个要素不同,当这个要素存在时会出现现象,没有要素时就不出现现象,那么现象的出现就很有可能与这个要素有关。在利用求同法寻找两个事物之间是否有因果关系时,要求考察的几个场景中只有一个共同的因素出现,都会产生相同的现象(如发声),那么这个现象的出现很可能与这个共同的因素(如振动)有因果关系。

3.2.2 通过类比提出声音是一种波

通过类比推理得出的结论虽然具有或然性,但是研究的现象越多,得出结论的可靠程度也就越高。

教材在介绍声波之前,介绍了水波和摇动绳子时产生的“绳波”,并指出这两种波都是凹凸相间的波。弹簧波则是一种疏密相间的波,接着介绍声音在空气中传播的过程中,会形成一种疏密相间的波,即声波，这是把声波类比于弹簧波。

3.2.3 探究响度与振幅、音调与频率的关系

在用音叉探究声音的响度与振幅关系时,用大小不同的力敲击音叉,让发声的音叉慢慢接触悬挂着的乒乓球,会发现：用力越大,声音的响度就越大,乒乓球被弹开的角度也就越大。乒乓球被弹开的幅度随之增大,说明音叉振动的幅度也在增大。这用到了探究两个事物之间因果关系的穆勒五法中的共变法，使用共变法时,要求在实验的过程中只改变一个物理量,如果现象随着这个物理量的变化而变化,那说明它们之间有因果联系。我们可以得出结论：声源的振幅越大,声音的响度越大。

同理,在探究声音的音调与声源振动频率的关系时,可以将一把钢尺的一端紧压在桌面上,让另一端伸出桌面部分较长,拨动尺子使之振动,听声音的同时注意钢尺振动的快慢。缩短尺子伸出桌面的长度,再次拨动钢尺做几次实验。比较、分析几种不同情况下声音的音调与钢尺振动快慢之间的关系，这个实验用到的控制变量法的背后逻辑因素就是推理时用到了共变法。

图1

3.3 科学论证

如何才能“看到”声音？我们可以利用光现象来反映声现象，如图1所示，把两只纸杯底部用细棉线连起来,做成“土电话”，固定住一只纸杯,在杯口处蒙上橡皮膜,在膜上贴一块小平面镜,拉紧棉线,将激光照射到小平面镜上，对着另一只纸杯说话,你会看到激光被反射出现的光点在晃动,这就是你的“声音”。这种方法是将声信号转化成光信号,并进行放大,从而可以“看见”声音。

3.4 质疑创新

3.4.1 探究固体传声

在研究固体能否传声时,教材中设计的方案如下:利用一张桌子做实验，一位同学轻敲桌子,另一位同学把耳朵贴在桌面上。由实验能得出什么结论？

这种方案的设计没有考虑到这位同学的另一只耳朵还可以听到通过空气传播过来的声音,实验方案存在缺陷。所以,需要这位同学堵住另一只耳朵，或者用“土电话”的活动来说明固体可以传声。

3.4.2 探究液体传声

教材中设计的方案如下:双手拿着石头在水中击打,我们可以听到敲击石头的声音。这种方案的不足之处是:声音可以通过人手、胳膊传播出来,不足以说明声音是通过水传播的。可以改进成用细线系好音乐芯片放在水中,人在旁边可以听到音乐声。也可以改进为用塑料袋装手机后置于水中,用细线系住塑料袋，这两种方案都是抓住了主要矛盾,忽略声音通过细线传播这种途径。当然,最佳方案是让发声物体悬浮在水中,可以通过改变塑料袋的大小,使塑料袋和手机受到的浮力和重力大小相等，从而实现悬浮。

3.4.3 钟罩实验的改进

做钟罩实验时,如果把闹钟直接放在钟罩的底座上,声音可以通过固体传播,实验效果不佳。可以改进如下:把闹钟垫在海绵或泡沫上,起到减震的作用。还可以把闹钟悬挂在玻璃罩的顶部，以忽略次要因素——细线的传声,从而使实验效果得到改善。如果没有现成的钟罩实验装置,可以用集气瓶替代钟罩来完成实验。

3.4.4 显示音叉振动的波形

在探究音叉振动的波形时,除了可以用示波器以外,还可以在音叉上固定一根钢针,把一块用蜡烛熏黑的玻璃板沿着垂直于音叉振动的方向快速划过,可以看到玻璃板上留下的音叉振动的波形。

通过以上问题的讨论和实验改进,可以培养学生养成不迷信权威、勇于创新的意识。

4 科学探究

科学探究是指基于观察和实验提出科学问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取与处理信息、基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等要素。

在《声现象》这一章中涉及的科学探究有：探究声音的产生、声音的传播、响度与声源振动幅度的关系、音调与声源振动频率的关系等实验。下面以探究声音的产生为例，来说明科学探究的几个要素。

4.1 提出问题

声音是大家最熟悉不过的一种现象,那么声音到底是怎么产生的？

4.2 证据

在探究声音的产生时,可以通过物体发声与不发声的不同进行对比,也就是运用求异法,得出声音是由物体振动产生的结论。也可以通过寻找各种发声物体的共同特征进行求同,得出结论。

4.3 解释

用敲击发声的音叉靠近悬挂着的乒乓球,会看到乒乓球被弹开,说明音叉在振动;不敲击音叉时不发声,靠近悬挂着的乒乓球,看不到乒乓球被弹开,从而说明声音是由物体的振动产生的。为了使实验结论更加可靠,还可以选用其他声源进行研究。音叉的振动还可以通过其他一些现象得出,比如将敲击后的音叉插入水中,看到水花飞溅等。

5 科学态度与责任

科学态度与责任是指在认识科学本质和了解科学、技术、社会、环境之间关系的基础上,探索自然的内在动力,严谨认真、实事求是、持之以恒的品质,热爱自然、保护环境、遵守科学伦理的自觉行为,以及推动可持续发展和实现中华民族伟大复兴的使命担当。科学态度与责任主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素。

5.1 科学本质

在介绍实验室常见的音叉、鼓、锣、钢尺发声的基础上,可以和同学一起讨论各种动物的发声,比如蚊子、蟋蟀、蝙蝠、水母、母鸡、海豚等发声原理。

在讲到回声时,可以引导学生讨论：老师在讲课时,教室内是否有回声？我们人耳有没有接收到回声？人们是否能分辨出回声与原声？补充介绍江西弋阳的“四声谷”：游客高喊一声后,可以连续听到四个回声，还可以拓展双耳效应和立体声的知识。

在讲到固体传声时,可以引导学生讨论：人们在咀嚼坚果时,为什么自己感觉到声音很大而旁边的人几乎听不到咀嚼声？从而介绍骨传导。

在介绍超声波时,可以引导学生讨论：蝙蝠为何能在黑夜飞行？从而引出回声定位，还可以进一步讨论声呐与雷达的不同之处。

在传扬我国古代在声现象研究中的成就时,可以介绍天坛的回音壁和三音石、战国时期的曾侯乙编钟、7000多年前的骨哨和骨笛，探讨山西永济县境内的莺莺塔的声学现象,游客站在塔前击打石块,声音经过多层塔檐反射后,回声相继延迟,可以听到蟾鸣般的回声,出现“普救蟾声”的奇妙现象。

据记载,唐朝在洛阳有一个老和尚,有一天得到一个磬。结果那个磬常常半夜自鸣,老和尚疑神疑鬼,被吓得生起大病来。后来经有学问的人指点,才知道此磬与前殿大钟的固有频率相同,击彼应此,故钟鸣磬响。

在用发声的音叉接触悬挂着的乒乓球时,学生会发现乒乓球会弹开的幅度时大时小,没有一定的规律。这里的原因主要是乒乓球被弹开一次后,再与音叉接触时,每次音叉振动的相位不同,乒乓球的速度也不同,碰撞后乒乓球获得的能量也不同。

通过这些知识的介绍,学生可以对一些声现象的本质有更多的了解,保持对探索科学的兴趣与热情,在认识自然的过程中获得成就感与自豪感。

5.2 科学态度

在用钟罩实验研究真空能否传声时,不论怎么抽气,坐在前排的同学还是能听到微弱的声音,这时教师不要回避现象,要和学生探讨其中原因,一是不可能抽成真空,二是底座或者是悬挂的细线总还会传声。引导学生认识到在研究物理问题时,可以忽略次要因素,抓住主要因素,在实验的基础上进行合理推理、得出结论。

都说声音是一种波,如何看见这种波呢？可以借用示波器或者示波器软件,来研究声音的响度与振幅的关系、声音的音调与声源频率的关系,会看到不同乐器发声时的波形不同。

通过了解贝多芬晚年失聪,用牙齿咬着硬棒搭在钢琴上听声谱曲的故事,学习他对音乐的热爱和追求,树立严谨认真的科学态度。

引导学生讨论：百米赛跑的计时员能否通过听枪声计时?利用探究的结论：敲击装有不同深度水的玻璃杯发出声音的音调不同,带领学生制作小乐器(比如水杯琴、橡皮筋吉他),养成学生的实事求是、尊重自然规律的科学态度。

5.3 社会责任

学生通过学习了解噪声的形成、危害、控制以及不可听声的利用等,了解倒车雷达、超声导盲仪、超声除草器、超声波加湿器、超声探伤仪、超声波测速仪、“水母耳”次声预报仪、语音识别系统等,发生地震时敲击暖气片能把敲击声传遍楼内各处,以鲜活、富有时代气息的事例，引导学生关注科技对人类生活、自然环境及社会发展的影响,养成环境保护、可持续发展的意识,有将科学技术服务于人类的意识,养成民族复兴大业的使命感与担当意识。