优秀STEAM案例 | 声音的特性

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）。

教学设计

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。本文以“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。

“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的中国名曲《梁祝》，传播中国艺术文化，如图１。

图１ 小提琴《梁祝》

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》？

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。

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，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。

教师活动：接通电源，用手机软件SoundGener-ator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。

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。

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。

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。

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。

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。

文章来源：中国知网

文章原名：《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》，文章有删减

作者：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

转自：STEAM教师

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原标题：《优秀STEAM案例 | 声音的特性》

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