A-STEM视域下学生核心素养的培养——以“声音的特性”教学设计为例

李 政 丁益民 杨翔宇 方心如 郭修星

（湖北大学物理与电子科学学院，湖北 武汉 430062）

1 问题的提出

《普通高中物理课程标准（2017年版）》凝练出了物理学科核心素养，主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个方面，通过培养学生物理核心素养促进学生逐步形成个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力.［1］STEM教育起源于上世纪70年代美国为提升国家综合实力而进行的教育革新，是融合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）4门学科的跨学科教育理念，其本质就是要培养学生解决复杂问题时综合运用各学科知识的能力，可以说STEM与核心素养的理念不谋而合，因此基于核心素养的STEM教学成为了教师们探索的新模式.但STEM教育过于偏重理科学习，一味追求科学技术的发展和理工科人才的培养，忽视了教育对社会问题的关注和人文艺术领域的发展，并不能有效培养学生的“科学态度与责任”，达到“人文底蕴”与“科学精神”协同发展培养全面发展的人的精神理念.［2］如何在传授物理知识的同时提升学生的人文底蕴培养学生的科学态度与责任呢？

STEAM应运而生，即将艺术（Arts）融入到STEM教育中，强化学生的艺术熏陶和人文底蕴.STEAM教育实现了艺术与科学的深度融合，一方面大大提高了学生学习科学的兴趣及参与程度，进而提升了学生的学习效果，另一方面极大促进了科学与艺术的统一，实现了理性与感性的对话.［3］A-STEM教育在STEAM的基础上，突出艺术（Arts）教育的作用，更加强调了教学的人文价值和内涵，是由中国STEM教育协作联盟创始发起人邹晓东博士首次提出.

本文基于A-STEM，对“声音的特性”进行教学设计.以小提琴协奏曲“梁祝”（艺术）为情境提出问题，应用手机软件Phyphox（技术），设计两则实验：看见声音；定量研究声音（工程和数学），探究声音的3个特性（科学）.

2 “声音的特性”设计案例

笔者学习小提琴8年有余，深知艺术欣赏人文精神对学生的理科学习有着极大的促进作用.以“声音的特性”为例，给课堂带来艺术的美感、艺 术的思考.教学设计中包括设置情境、工程设计、科学探究、数学分析和合作交流几个核心要素.［4］

2.1 “声”临其境，设置问题

播放2016年9月杭州G20峰会的文艺汇演上，小提琴大师吕思清演奏中国名曲《梁祝》，传播中国艺术文化如图1.之后教师用自己的小提琴演奏出一个八度中的所有音，并向学生提出问题：如何用物理知识去分析《梁祝》？

图1 小提琴《梁祝》

设计意图：以艺术情境设置问题，讲述中国已逐渐走进世界舞台中心的真实事例，根植学生民族情怀，筑牢民族自信心.教师的小提琴走进教室，利用教师特长感染学生.

2.2 工程设计，看见声音

（1）实验原理介绍.

利用放大法把扬声器鼓膜的振动放大，利用转换法通过六棱镜转动将振动转换成激光运动轨迹.

（2）装置介绍.

整个实验仪器手工制作，实验设计思路参考了文献，［5］在其基础上把发音体音叉换成手机模拟声音，由喇叭进行放大，好处在于频率可调.扬声器是从废旧扩音器中拆除的，用带有USB供电口的音响线给扬声器供电，如图2.

图2 USB供电线

喇叭口用气球膜紧紧包裹并在表面贴上圆形小镜子.用PVC板固定住激光笔并调整好角度.六棱柱是用整块PVC板裁剪成六块长15cm，宽10cm，厚5mm的长方形板而制，如图3.将整块镜子用金刚刀裁剪出六块长13cm，宽8cm的小长方形玻璃，贴在刚才的长方形板上制成六棱镜，放在转台上面.

图3 六棱镜和装置俯视图

教师活动：接通电源，用手机软件Sound Generator模拟出69Hz（考虑到喇叭的频率上限和共振，实验得出69Hz效果最明显）的单音，打开激光笔照射在喇叭的圆形小镜子上，再反射到六棱柱的长方形镜子上（这一步不要转动六棱柱），先让学生看见原地振动的光点.接着匀速转动六棱柱，就会出现一道光波，让学生切实看到声音是一道波，如图4.

图4 转动六棱柱后的光波

设计意图：通过阐述工程制作的流程及遇到的问题，使学生体会到创作的乐趣，激发学生自己动手的欲望.通过用激光显示声音的方法，增加课堂的视听效果，使学生体会到物理的神奇，初步学习物理的学生对这门学科产生极大的兴趣.

2.3 科学探究，数学分析

教师活动：用手机软件Phyphox分别模拟出200Hz、400Hz的单音，先让学生听并区分音调高低，再用另外一部手机的Phyphox测出两个单音，并将结果投影到大屏幕，如图5，第1幅是200Hz的波形，第2幅是400Hz.向学生介绍周期的概念，引导学生分别找出两个波形的周期：5ms、2.5ms，从而得到振动越快，音调越高的结论.

图5 200Hz、400Hz单音的波形图

设计意图：借助信息技术手段，引导学生从定性认识振动过渡到定量认识，更好地用数据理解频率.引导学生从观察现象、搜集数据到最后的得出结论，提高学生的分析总结能力，培养学生科学思维和科学探究能力.

2.4 合作交流，拓展工程

在控制变量法思想的指引下，学生经过讨论得出，此仪器可以继续探究响度和音色.具体操作是：控制音调不变改变音量大小探究响度与振幅关系，如图6；用不同乐器产生相同单音探究音色与声音的关系，如图7.

图6 相同频率下不同振幅的光点

图7 手机、小提琴、笛子的单音Do波形图

设计意图：学生自主思考试验方案，实现知识迁移，形成科学思维及严谨的物理态度.同时一器多用，实现仪器的价值最大化.

2.5 物理解释艺术，文理深度融合

介绍《梁祝》是上海音乐学院为建国10周年的献礼作品.《梁祝》以越剧唱腔为素材，描述了梁山伯与祝英台凄美的爱情故事.

播放吕思清版本《梁祝》，1′17″时小提琴开始独奏代表祝英台的声音，2′时低音部奏出同样的旋律代表梁山伯的声音.所有音相同但频率降为一半，一个八度，证明频率低，音调低.

16′20″英台哭坟章节，祝英台得知梁山伯郁郁而终，悲痛欲绝，哭声震天动地.此时整个乐团和小提琴独奏的响度巨大，应用Audacity软件分析，在16′振幅最大.说明了振幅越大，响度越大.

图8 Audacity软件分析振幅

14′15″楼台会章节，梁山伯来到亭台与祝英台约定来世再见，同样悲伤、无奈的旋律却由小提琴和大提琴一唱一和地独奏出来.证明发声体自身的材料和结构决定着音色.

3 结束语

以乐曲赏析为情境，以工程设计为载体，通过技术定量分析，进行科学探究，培养学生科学思维.介绍中国名曲《梁祝》，激发学生的民族自信心和自豪感，促进学生形成物理核心素养.此教学设计融入A-STEM教学情况如表1.

表1 A-STEM中的核心素养要素

基于A-STAM的教学设计，突出传统文化的基础上，整合了各学科知识进行物理教学，学生在学习其他学科知识的同时，在团队协作中又能发挥自己的特长，提升学生课堂参与感，提高课堂效率.知识的整合又能为学生面对复杂问题，从不同角度分析、解决问题提供能力保障，学生在此过程中学到的不仅仅是知识，更是终身发展的核心素养.［6－7］