新课标下传统科技与初中物理教学的结合

丛小涵 肖莹莹 罗宇芳 陈森森 叶晴莹

摘   要：在新课标的指导下，将物理学科知识与中国传统科技在初中物理教学中结合，以“回音建筑”为例进行说明，与新课标中新增的活动建议相适应，有效促进学生物理核心素养的养成和发展。

关键词：新课标；传统文化；物理教学；回音建筑

2022年4月，教育部印发《义务教育物理课程标准（2022年版）》（下简称“新课标”）。在课程目标上，新课标强调物理课程独特的育人价值，重视学生核心素养的发展。在课程内容上，新课标将社会主义先进文化、中国优秀传统文化等重大主题教育有机融入课程，添加多项与中国传统科技相关的课程内容和活动建议。在教学基本要求上，新课标明确指出教师在物理教学中应“将培养学生的核心素养贯穿教学的全过程”，灵活运用情境化教学、问题教学等多种教学方式。

中国传统科技文化作为中国优秀传统文化的重要组成部分集中体现了古代先贤格物致知、善用物理规律的科学智慧，以及求真务实、经世致用的人文精神。将中国传统科技作为物理教学中的素材既可以潜移默化地进行知识的传授，提高学生的学习兴趣[ 1 ]，又符合新课标对教学内容的要求，有利于进一步增强课程内容和育人目标之间的联系。

以“回音建筑”为例，说明在初中物理教学中融入传统科技文化的具体方式。回音建筑是一种有独特声学现象的我国古建筑，我国现存四大回音建筑，分别为天坛回音壁、宝轮寺塔、普救寺塔和四川石琴。新课标在声学部分的课程内容中新增了“查阅资料，了解我国古建筑应用声学知识的案例”的活动建议，以充满中国智慧的回音建筑作为该活动的素材可以使学生在学习相关知识的同时了解我国古代的物理学和建筑学成就，发展物理核心素养，增强民族自信。

1  创设情境，激发兴趣

天坛是我国“四大回音建筑”之首，其中的几个著名的声学现象更是声学史上的奇迹[ 2 ]。“回音壁”即为天坛著名的声学现象之一，如图1所示，回音壁即天坛皇穹宇周围的圆形围垣，其直径六十余米，与标准400 m田径跑道内侧的弯道直径相当，但两人分别站在东西侧配殿之下，面朝北侧墙壁轻声说话，仍可以清晰地听到对方的说话声音。

为了激发学生的学习兴趣，教师可以在课前建议学生利用课间时间，两人一组分别站在跑道弯道的两侧（距离约60～70 m），背向对方轻声拍手或轻声说话，学生会发现很难听到对方的声音，在开始上课后，教师播放体现回音壁传声现象的视频。学生观看视频后发现回音壁两侧的人距离很远，却可以清晰地听到对方轻声说话的声音，这与之前在跑道两侧进行实验时的现象明显不同，因此产生认知冲突，从而对学习相关知识，探究回音壁传声现象的原理产生强烈的兴趣。教师可以在此时对天坛进行进一步的介绍，促进学生了解相关的文化情境，强化其学习动机：天坛始建于十六世纪，是古代皇帝举行祭祀，祈求五谷丰登的场所，其恢弘大气的建筑风格与以回音壁为代表的奇特声学现象相得益彰，使天坛成为我国古代建筑史和科技史上的瑰宝。

2  探究原理，深入剖析

对于刚刚接触物理的初二学生而言，在不借助相关资料的情况下独立分析回音壁传声原理的难度较大。教师可以引导学生利用信息技术自主搜集相关资料，在过程中加深对于回音壁传声现象及其文化内涵的理解。学生通过不同途径进行搜索，会搜集到多种可能的解释，其中的一些解释（比如回音壁传声现象的原理是声音在墙体中传播）是缺乏证据支持甚至错误的，此时教师应指导学生对互联网上纷繁复杂的观点进行鉴别，培养其独立思考，质疑创新的意识，比如询问学生：一间教室的长度大概是十米，如果我站在和我们教室相隔六间教室的地方面向墙壁轻声讲话，大家站在我们教室外，可以听到声音么？通过教师的提问，学生会对互联网上的已有观点产生怀疑，并在亲身尝试后逐渐认识到回音壁传声现象不仅是或不是因为声音在墙体中传播，一定与回音壁的特殊结构存在关联。此时，教师引导学生在查询到的各种解释的基础上对回音壁的传声原理作出相关假设，一般来讲学生所作出的假设主要有以下两种：

a.声音受到建筑结构的束缚，只能沿回音壁向前推进，很难向其他方向扩散，最终声音全都聚在一起传入听话人的耳朵，所以虽然距离远也可以清晰地听到声音。

b.声音在传播过程中多次被墙体反射，因而传播得比较远。

在此基础上，教师与学生一同设计实验方案，验证所作出的假设。一些学生联想到声纳等利用声速测距的仪器，提出能否基于类似的原理设计实验。教师可以对提出该构想的学生进行表扬鼓励，随后与学生一同完善实验方案：先测量发出声音与听到声音之间的时间间隔，再根据声速公式计算声音的传播距离，结合回音壁的实际尺寸确定声音的传播路径。

受到实际条件的限制，开展实地实验的可能性较低，因此教师可以提供图2中其他学者通过实验所收集的数据[ 3 ]作为替代，指导学生通过分析相关数据检验猜想。图2是在回音壁西配殿附近处以掌声作为声源，在东配殿附近处放置声级计和磁带机记录声波，再用谱分析仪绘制的声波波形时域图，该图中的横坐标表示时间，纵坐标表示振幅，代表了声音的响度大小。

通过提取图2中的相关信息可以计算出横轴的上一个小格对应74.6 ms，因此利用声速公式可以计算出图2中1、2两处声音所对应的传播距离分别约为42 m和157 m，在此基础上结合实际传声情景和回音壁的结构参数构建相应的物理模型，可以确定1处的声音为图3中A点发出的声音经直线直接传播至B点，2处声音的传播距离略小于从A到B的优弧弧长，因而回音壁传声现象的真正原因是声音在墙壁表面按照图3所示的路径被多次反射后传到听者耳中，同时由于墙壁限制了声音在水平方向上的衰减，经反射的声音2强度强于直线传播的声音1，听者能够听到响亮清晰的声音[ 4 ]，也即先前的假设a和假设b都有其合理性，但又都不完善。

3  实践扩展，加深理解

在探明回音壁的传声原理后，学生对古代能工巧匠的智慧赞不绝口，同时也惊喜地发现看似神秘的传声现象居然可以用如此简洁的物理原理进行解释。此时，教师可以鼓励学生利用身边的材料制作一个简易的回音壁模型来展现回音壁的传声原理。市面上有各种类型的天坛模型，但这些模型都无法体现回音壁的传声现象，这是因为人耳无法分辨近距离处的原声和回声。因此，教师可以提示学生光和声一样有反射现象，并提供激光笔和锡箔纸、镜面贴纸等反光材料以及剪刀、双面胶等工具，组织学生用光代替声音，展现回音壁的传声原理。学生在多次尝试并将自己的作品与他人相对比后会发现：当用于反光的弧面平整时能够较清晰地观察到光被多次反射的现象（如图4所示），而弧面凹凸不平时则很难观察到明显的现象（如图5所示）。此时，教师可以鼓励学生在课后继续查阅相关资料，思考声音的反射效果是否也会受到表面平整程度的影响，并在此基础上总结思考保护回音建筑的要點。

相关资料显示，回音壁最初是使用“磨砖对缝”的工艺制成，其表面非常平整光滑，而目前由于一些游客乱写乱刻的不文明行为，回音壁的表面变得凹凸不平，其传声性能也受到了影响。在查阅资料了解到这些信息后，学生会认识到声音的反射效果同样受到表面平整程度的影响，因此回音建筑的特殊声学现象依赖于其整体结构的完好及其表面的平整，游客自觉文明游览并保护回音建筑的表面对于保护回音建筑的声学性能非常关键。同时，通过动手实践以及扩展思考，学生也认识到物理知识不但能用于解题，更是在文物保护及其他生产生活领域中发挥着重要作用，从而能够进一步增强科学责任感，逐步养成学好科学知识，利用科学知识为国家发展做出贡献的使命感。

参考文献：

［1］ 林馨郁，符宇萌，王汐柠，等.STEAM教育与传统文化在物理教学中的结合——以“走马灯”为例[J].中学理科园地，2022，18（1）：3-6.

［2］ 田时秀.中国古代声学的发展[J].物理，1976（6）：347-350.

［3］ 周克超，俞文光，贾陇生，等.天坛声学现象的首次测试与综合分析[J].自然科学史研究，1996（1）：72-79.

［4］ 汤定元.天壇中几个建筑物的声学问题[J].物理，1953（2）：53-59.