本文基於A-STEM，對“聲音的特性”進行教學設計。以小提琴協奏曲《梁祝》（藝術）為情境提出問題，應用手機軟體Phyphox（技術），設計兩則實驗：看見聲音、定量研究聲音（工程和數學），探究聲音的３個特性（科學）。
教學設計
筆者學習小提琴８年有餘，深知藝術欣賞人文精神對學生的理科學習有著極大的促進作用。本文以“聲音的特性”為例，給課堂帶來藝術的美感、藝術的思考。教學設計中包括設定情境、工程設計、科學探究、數學分析和合作交流幾個核心要素。
“聲”臨其境，設定問題
播放2016年９月杭州G20峰會的文藝匯演上，小提琴大師呂思清演奏的中國名曲《梁祝》，傳播中國藝術文化，如圖１。
圖１ 小提琴《梁祝》
之後教師用自己的小提琴演奏出一個八度中的所有音，並向學生提出問題：如何用物理知識去分析《梁祝》？
設計意圖：以藝術情境設定問題，講述中國已逐漸走進世界舞臺中心的真實事例，根植學生民族情懷，築牢民族自信心。教師的小提 琴走進教室，利用教師特長感染學生。
工程設計，看見聲音
（１）實驗原理介紹。
利用放大法把揚聲器鼓膜的振動放大，利用轉換法透過六稜鏡轉動將振動轉換成鐳射運動軌跡。
（２）裝置介紹。
整個實驗儀器手工製作，實驗設計思路參考了文獻，在其基礎上把發音體音叉換成手機模擬聲音，由喇叭進行放大，好處在於頻率可調。揚聲器是從廢舊擴音器中拆除的，用帶有USB供電口的音響線給揚聲器供電，如圖２。
圖２ USB供電線
喇叭口用氣球膜緊緊包裹並在表面貼上圓形小鏡子。用PVC板固定住鐳射筆並調整好角度。六稜柱是用整塊PVC板裁剪成六塊長15cm，寬10cm，厚5mm的長方形板而制，如圖３。
將整塊鏡子用金剛刀裁剪出六塊長13cm，寬8cm的小長方形玻璃，貼在剛才的長方形板上製成六稜鏡，放在轉檯上面。
教師活動：接通電源，用手機軟體SoundGener-ator模擬出69Hz（考慮到喇叭的頻率上限和共振，實驗得出69Hz效果最明顯）的單音，開啟鐳射筆照射在喇叭的圓形小鏡子上，再反射到六稜柱的長方形鏡子上（這一步不要轉動六稜柱），先讓學生看見原地振動的光點。接著勻速轉動六稜柱，就會出現一道光波，讓學生切實看到聲音是一道波，如圖４。
圖４ 轉動六稜柱後的光波
設計意圖：透過闡述工程製作的流程及遇到的問題，使學生體會到創作的樂趣，激發學生自己動手的慾望。透過用鐳射顯示聲音的方法，增加課堂的視聽效果，使學生體會到物理的神奇，初步學習物理的學生對這門學科產生極大的興趣。
科學探究，數學分析
教師活動：用手機軟體Phyphox分別模擬出200Hz、400Hz的單音，先讓學生聽並區分音調高低，再用另外一部手機的Phyphox測出兩個單音，並將結果投影到大螢幕，如圖５，第１幅是200Hz的波形，第２幅是400Hz。向學生介紹週期的概念，引導學生分別找出兩個波形的週期：5ms、2。5ms，從而得到振動越快、音調越高的結論。
圖５ 200Hz、400Hz單音的波形圖
設計意圖：藉助資訊科技手段，引導學生從定性認識振動過渡到定量認識，更好地用資料理解頻率。引導學生從觀察現象、蒐集資料到最後的得出結論，提高學生的分析總結能力，培養學生科學思維和科學探究能力。
合作交流，拓展工程
在控制變數法思想的指引下，學生經過討論得出，此儀器可以繼續探究響度和音色。具體操作是：控制音調不變改變音量大小探究響度與振幅關係，如圖６；用不同樂器產生相同單音探究音色與聲音的關係，如圖７。
設計意圖：學生自主思考試驗方案，實現知識遷移，形成科學思維及嚴謹的物理態度。同時一器多用，實現儀器的價值最大化。
物理解釋藝術，文理深度融合
介紹《梁祝》是上海音樂學院為建國10週年的獻禮作品。《梁祝》以越劇唱腔為素材，描述了梁山伯與祝英臺悽美的愛情故事。
播放呂思清版本《梁祝》，１′１７″時小提琴開始獨奏代表祝英臺的聲音，２′時低音部奏出同樣的旋律代表梁山伯的聲音。所有音相同但頻率降為一半，一個八度，證明頻率低，音調低。
１６′２０″英臺哭墳章節，祝英臺得知梁山伯鬱鬱而終，悲痛欲絕，哭聲震天動地。此時整個樂團和小提琴獨奏的響度巨大，應用 Audacity軟體分析，在１６′振幅最大。說明了振幅越大，響度越大。
１４′１５″樓臺會章節，梁山伯來到亭臺與祝英臺約定來世再見，同樣悲傷、無奈的旋律卻由小提琴和大提琴一唱一和地獨奏出來。證明發聲體自身的材料和結構決定著音色。
文章來源：中國知網
文章原名：《A-STEM視域下學生核心素養的培養——以“聲音的特性”教學設計為例》，文章有刪減
作者：李政 丁益民 楊翔宇 方心如 郭修星 湖北大學物理與電子科學學院
轉自：STEAM教師
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原標題：《優秀STEAM案例 | 聲音的特性》