新课标视域下中国元素的挖掘——以“声现象”主题为例

钟婧妍 郑卫峰

(福建师范大学物理与能源学院,福建 福州 350117)

陈佳洱院士曾说：“只有经过科学文化的充分熏陶,青少年才能成为未来社会有用的科技人才,未来社会的管理者才能适应科学文化与人文文化不断融合的未来社会.”面对时代发展的需要,《义务教育物理课程标准(2022年版)》(以下简称“新课标”)的修订原则提出“将社会主义先进文化、革命文化、中华优秀传统文化、国家安全、生命安全与健康、环境保护等重大主题教育有机融入课程,增强课程思想性”“坚持与时俱进,反映经济社会发展新变化、科学技术进步新成果,体现课程时代性”,[1]即新课标的课程内容增加了中国元素的比重,引导学生增强文化自信,树立科技强国的远大理想.本文将从新课标的视域,以“声现象”主题为例,分析适宜融入初中物理的中国元素主要类型,展示切合不同课程内容的中国元素挖掘思路,领略“声音”的不同魅力.

1 分析“新课标”的中国元素

中国元素,来源于中国传统文化,或产生于中国现代社会发展,是多数中国人认同、凝结民族精神、体现国家尊严的物质文化元素和非物质文化元素,也是随时间推移而发展的动态体系.[2,3]

新课标的课程内容,引入“雨露霜雾雪”等天文气象元素,“楼台倒影入池塘”“潭清疑水浅”等文学作品元素,展现自然现象的物理规律;引入“当地灌溉技术”“当地燃料使用”等地域特色元素,呈现日常生活的物理概念;引入“古建筑”“桥梁建筑”“三峡工程”等建筑工程元素,体现物理规律的实际应用;引入“5G技术”“高速列车”“新能源汽车”“人造太阳”等工业技术元素和前沿科学元素,凸显物理对社会发展的作用;引入“青铜器铁器”“火药”“司南”“水磨水碓”等历史文物元素,彰显物理对人类文明的作用;引入“中国天眼”“天问一号”“奋斗者号”“北斗卫星”等大国重器元素,诠释中国智慧和中国实力;引入“航天人的进取精神”“赵忠尧、钱学森、邓稼先等科学家的爱国情怀”等精神象征元素,发扬爱国主义和民族精神.

分析上述中国元素发现：(1) 适宜融入初中物理的中国元素类型丰富,如图1“中国元素类型部分”所示,将中国元素分为自然元素和文化元素两大类,文化元素又可分为物质文化元素、非物质文化元素,图中也呈现各个元素进一步的细分.(2) 不同类型的中国元素服务于不同的课程内容,如图1“课程内容分析部分”所示,将课程内容分为“从生活走向物理”和“从物理走向社会”两大类.此外,根据教学所需的课程内容,选择适合融入的中国元素类型时,便形成了初中物理中国元素的挖掘思路.

接下来,将以“声现象”主题为例,依照中国元素的挖掘思路,分析适合融入各个教学内容的“声现象”相关中国元素.

图1 初中物理中国元素的挖掘思路图

2 挖掘“声现象”的中国元素

依据“从生活走向物理”“从物理走向社会”的课程内容分类思路,将“声现象”主要教学内容分为两大类.如图2“课程内容分析部分”所示,一类是“探究物理规律”的“声音的产生与传播”和“声音的特性”课题;另一类是“应用物理规律”的“声音的应用”课题,和关注“社会责任”的“噪声的防治”课题.

按照中国元素的挖掘思路,寻找适宜融入上述课题的中国元素主要类型.如图2“中国元素类型部分”所示,“声音的产生与传播”课题以“文字资料元素”中“文献史料元素”为主线;“声音的特性”课题以“传统艺术元素”中“传统音乐元素”为主线;“声音的应用”课题,可分为“现代科技元素”中“大国重器元素”,以及“建筑工程元素”中“历史建筑元素”两条主线;“噪声的防治”课题以“制度规范元素”中“法律法规元素”为主线.

下文不仅呈现各个课题中国元素的“主线”挖掘思路,同时也展示“辅线”挖掘思路,并详细介绍所挖掘的中国元素资料及其作用.

图2 “声现象”主题下中国元素的挖掘思路图

2.1 “声音的产生与传播”以“文献史料”为主的中国元素

主线“文献史料元素”是重现古籍记述的认识声音、探究声音过程,辅线“历史文物元素”是了解有关声音规律的发明创造,如图3所示.

图3 “声音的产生传播”课题中国元素的挖掘思路图

素材1：古籍记述各种的声音现象.西汉《淮南子》记载“清水音小,浊水音大”,即清浊水不同的声音现象;南朝《南齐书》记载“电光,有顷雷鸣,久而止”,即雷电的声音现象;宋朝《宋史》记载“星皆若隔绛纱,折裂有声”,即北极光的声音现象.[4]由古人对声音自然现象的观察引入,了解古人对认识自然的渴望,激发学生探寻声音现象的本质.

素材2：古籍记述物体发声时的特点.春秋《考工记》记载“薄厚之所振动,清浊之所由出”,[4]即敲钟时抚摸钟壁感受振动,观察到不同音调、不同钟壁厚度的振动现象不同.引导学生沿着古人认识声音的道路,通过观察、探究物体发声情况,归纳声音的产生条件.

素材3：古籍记述弦的微小振动演示实验.北宋沈括的《梦溪笔谈》记载“剪纸人加弦上,鼓其应弦,则纸人跃”,[4]将纸人放在弦上,弦共振时纸人会跳动,即用纸人放大弦的微小振动(图4).此方法与学生用乒乓球、纸屑检测物体的振动一样,让学生跨越时空体会“以轻小之物放大微小振动”的巧思,感受古人“以世界本身来解释世界”的智慧.

素材4：古籍以水波比喻声音的波动.明朝宋应星的《论气》记载“以石投水,其文浪以次展开,至纵横寻丈而犹未歇,其荡气也亦犹是焉”,[4]将石头投入水中,产生的水波不断向外扩散,声音也是这样传播的,即用水波解释声波在空气中的传播.根据古人对声音传播的思考,通过观察水波了解看不见的声波,培养学生的科学推理能力.

素材5：古代运用声音传播规律的军事生产工具.古人在军事中利用固体传声,将陶瓮埋在地下作为“地听器”,监听地面传播的声音(图5);古人在生产中利用液体传声,将结在船舷上的长木棒称为“榔”,用榔敲击船舷的声响驱鱼入网.通过古人运用声音在不同介质的传播,让学生体会物理对生产生活、社会发展的影响.

图4 用纸人放大弦线微小振动的示意图

图5 地听器的示意图

2.2 “声音的特性”以“传统音乐”为主的中国元素

主线“传统音乐元素”是欣赏极富中国特色的传统民族乐曲,辅线“历史文物元素”是展示敦煌莫高窟乐舞图中的传统民族乐器,如图6所示.

图6 “声音的特性”课题中国元素的挖掘思路图

素材1：古代对“声音”二字的定义.宋朝《乐书》记载“凡物动而有声,声变而有音”,[4]即物体振动所产生的为声,声声之间满足数理关系为音.由古代声音定义引入,了解古人关于律学的大量数理研究,为声音到音乐的角度转变做铺垫.

素材2：具有独特韵味的中国民族管弦乐曲.通过中央民族乐团的演奏视频,以音乐为载体,传承和发扬中华文化.其中,用于课堂的乐曲不仅满足耳熟能详、主旋律突出、旋律不复杂、有交响乐版本的条件,还满足“同旋律由弱渐强演奏”比较“响度”、“同旋律高八度演奏”比较“音调”、“同旋律不同乐器呼应式演奏”比较“音色”,如《梅花三弄》《金蛇狂舞》《瑶族舞曲》《彩云追月》等.通过旋律的对比,使学生了解声音的特性,通过民乐与交响乐版本的对比,让学生感受中华独有的千年乐律之美.

素材3：呈现多种中国民族乐器的古代壁画.结合敦煌莫高窟唐代壁画乐舞图(图7),查阅资料简易制作古代乐器,再现大唐的音乐盛世,如磐、缶、阮、箜篌、排箫、古琴(图8).通过观察探究所制乐器响度、音调的影响因素,体会古代工匠的非凡智慧与精湛技艺,领悟音乐文化对中华文明的影响.

图7 敦煌莫高窟唐代乐舞图

图8 民族乐器制作成品图

2.3 “声音的应用”以“大国重器”为主的中国元素

主线“大国重器元素”是介绍国家探索深海、捍卫海洋权益的水下声音系统,辅线“动物植物元素”“历史文物元素”“工业技术元素”是呈现人类受自然启发的科技成果,如图9所示.

图9 “声音的应用”课题中国元素的挖掘思路

素材1：有关声音现象的动物生存技能.海豚、蝙蝠通过超声波进行回声定位,枪虾的气泡通过振动产生巨大响声与空化现象,水母通过特别的器官感受次声波.通过了解自然动物运用声音的生存技能,使学生感叹大自然的神奇,为人类模仿动物的发明做铺垫.

素材2：利用声音现象的古代生活工具.古人将去节竹筒插入地下,探听远方人马声;将去节竹筒插入水中,利用鱼群本身的声音探听鱼群方位与数量,成为现代声呐的始祖.通过古人运用声音现象的工具,从古今科技发展的角度,为现代发明做铺垫.

素材3：应用声音现象的现代仿生技术.人类模仿蝙蝠、海豚,运用超声波发明声呐、超声雷达、B超、金属检测等;人类模仿枪虾,运用超声波产生空化气泡的冲击力清洗、雾化、消毒、混合水油、处理种子、结石手术等;人类模仿水母,设计“水母耳”监测次声波,预报自然灾害.通过运用自然、造福人类的发明创造,使学生了解利用声音传递信息、能量的魅力,感受科技发展对社会发展的作用.

素材4：大国重器中自主研发的声音系统.在深海的开发探索中,从2012年“蛟龙号”、2017年“深海勇士号”到2020年“奋斗号”载人潜水器的声学系统逐步实现了完全的国产化,“海斗”“海燕”“海翼”号无人潜水器也逐次刷新纪录;在海洋权益的维护中,2018年中国“海眼”水声远程探测系统从有到无,成为第3个拥有海洋水声监视双体船国家.通过我国先进的水下声学系统,了解深海中导航、定位和通信对于国家安全的重要性,感受我国科技突破的艰辛,见证我国科技从追赶、并跑到领跑的转变.

2.4 “声音的应用”以“历史建筑”为主的中国元素

主线“历史建筑元素”是了解中国四大回声建筑、传统戏台琴室建筑的声音反射与共鸣,辅线“山谷水域元素”是感受大自然山谷传声的有趣现象,如图10所示.

图10 “声音的应用”课题中国元素的挖掘思路

素材1：大自然的山谷回声,如江西弋阳的圭峰、福建福鼎的太姥山等.其中,太姥山有两处回声景点,一处在回音廊,朝着九鲤朝天石喊,可听三声应答;另一处在摩霄峰,朝着对面喊,可听七声应答.让学生体验声速与声音反射所带来的奇妙经历,感受祖国的大好河山,感叹自然的鬼斧神工.

素材2：中国四大回声建筑,为北京天坛回音壁、山西莺莺塔、河南宝轮寺塔、重庆石磴琴声.在天坛的回音壁、圜丘、三音石,具有奇特的声音反射现象(图11);在莺莺塔和宝轮寺塔,游人立于塔四周特定距离处击石、拍掌,会听到类似蛙鸣的声音(图12);在石磴琴声,游人沿着洞口石阶缓步而登,第4级至第19级石阶,会发出音色颇像古琴的声音.由山谷回声到回声建筑的递进,使学生领略到古代匠人技艺的巧夺天工.

素材3：传统戏台琴室建筑,如登封中岳庙北宋露台、宁海追远堂、鸣玉楼戏台、五台山钟楼、北京钟楼等.其中,传统戏台的建筑结构(图13)可以利用直达声、反射声,戏台旁砌有陶瓮也可以提供共振声,增大混响.通过传统戏台与现代建筑的比较,让学生寻找异曲同工之处,体会物理与建筑工程的密切关系.

图11 天坛回声原理简易图

图12 塔身回声原理简易图

图13 戏台声音原理简易图

2.5 “噪声的防治”以“法律法规”为主的中国元素

主线“法律法规元素”是认识新噪声法颁布和实施的必要性,辅线“地域特色元素”“哲学思想元素”是感受日常生活的噪声污染和领会声音文化的哲学思想,如图14所示.

图14 “噪声的防治”课题中国元素的挖掘思路图

素材1：当地噪声污染的实地调查.学生运用分贝仪记录当地周边的噪声污染情况,根据新噪声法,以及人对不同声音等级的感受,判断日常生活中噪声污染的来源与严重程度,了解噪声的强弱和危害,培养减少噪声产生的良好习惯.

素材2：新噪声法的颁布与实施.新噪声法重新定义噪声污染的内涵,即“超标”“扰民”“未依法采取防控措施”视为噪声污染,并且将噪声污染分为“工业”“社会生活”“交通运输”“建筑施工”噪声污染4大类.通过分类防控噪声污染,得以对症下药精准施策.通过噪声污染的分类,使学生了解噪声的界定与来源.

素材3：过去噪声污染的纠纷案例.其中,包括广场舞噪声扰民、机动车轰鸣声扰民、商业场所噪声扰民、交通干线噪声扰民等,因此新噪声法聚焦新型的噪声扰民,扩大噪声标准制定的主体,明确环境振动控制的标准,让学生感受到新噪声法实施的必要性.

素材4：具有民族特色的传统声音文化.了解中国传统声音文化中“大音希声”“声与政通”“声无哀乐”的哲学思想,从文化、科技等多维角度畅谈对城市声音景观进行设计、改造.通过建筑设计、现代科技对噪声的防治,让学生领会城市规划、法律颁布与科技发展并行的重要性.

3 结语

中华民族千年的悠久历史,提供了大量有关生产生活、科技进步、社会发展的中国元素资料.对于教师来说,在中国元素的挖掘、整理、应用过程中,不仅能够提高自身的学科素养,更重要的是提高人文素养、艺术素养、信息素养.对于中学生来说,在正确价值观、必备品格、关键能力形成的义务教育阶段,通过中国元素的物理情境,能够增强文化自信,激发社会责任感、民族自豪感.目前我国正深入贯彻科教兴国战略、人才强国战略,力图通过物理课程的学习及核心素养的培养,引导学生能够以物理学视角去认识、改变、创造世界,因此更应宣扬物理学与中华文明乃至世界文明的重要关系.