初中物理跨学科实践的教学设计——以手摇留声机为例

初中物理跨学科实践的教学设计——以手摇留声机为例

随着新课标的颁布，物理教学越来越重视实验探究和科学史的教育功能。本文以"声音的产生与传播"为例，设计了一个创新的教学方案——利用自制手摇留声机来探究声音产生的原因。这一方案不仅解决了传统实验中存在的问题，还让学生亲身体验了科学发现的过程。

1. 引言
   随着课程改革的深化，2022年4月，教育部印发了《义务教育物理课程标准(2022年版)》(以下简称2022年版课标)。2022年版课标在课程性质部分，阐述"义务教育物理课程旨在引导学生经历科学探究过程，学习科学研究方法，养成科学思维习惯，进而学会学习" [1] 。众所周知，物理是一门以实验为基础的自然科学，物理教学过程需要大量的物理实验支撑教学内容。物理实验的类型包括演示实验、学生分组实验和课外实验。
   在教学过程中，融入物理学史，让学生再次经历物理学家们发现物理概念、物理规律的探究过程，不仅充实物理课堂教学内容，激发学生学习物理的兴趣，促进学生了解和掌握科学的方法论，而且有助于学生科学世界观的形成和科学价值观培育 [2] 。
   本文以人教版八年级上册第二章第一节《声音的产生与传播》为例，对"探究声音的产生"这部分内容中的实验进行设计。
2. 探究声音产生原因的常用实验
   人教版八年级上册物理教材"想想做做"栏目中，"拨动张紧的橡皮筋，观察橡皮筋的变化；边说话，边用手摸颈前喉头部分"，让学生观察、体验、总结物体发声时的共同特征。通常在学习声音产生原因的时候，教师会按照课本的内容展开，让学生利用身边的刻度尺、橡皮筋等物品发出声音，观察发出声音的物体的状况，教师引导学生初步得到声音是由于物体振动产生的猜想。为了带领学生共同验证这一猜想的正确性，教师会进行演示实验，如敲击带有纸屑或泡沫塑料颗粒的鼓面、敲击旁边悬挂着乒乓球的音叉、将发声的音叉放在水面上等。这些演示实验看似比较简单且易于操作，但是，在实际教学过程中，敲击鼓面一次，鼓面振动时间很短，纸屑或泡沫塑料颗粒等轻小物质很快便会停止跳动 [3] ；音叉与乒乓球之间的接触又会让部分学生产生疑惑。由此可见，通常的实验方法存在着实验效果不是特别理想的问题。
3. 教学片段设计
   3.1. 设计理念
   2022年版新课标中明确提出，物理学通过科学观察、实验探究、推理计算等形成系统的研究方法和理论体系，引领人类对自然奥秘的探索，深化人类对自然界的认识；物理课程要坚持与时俱进，反映经济社会发展新变化、科学技术进步新成果；要求学生能够关注科学技术对自然环境、人类生活和社会发展的影响，遵守科学伦理，有保护环境、节约资源的意识，为可持续发展作出贡献等 [1] 。随着课程改革不断深化，要求教师增加反映科技新进展和时代性较强的新内容，同时也要注意关注知识产生与发展过程，重视物理学史的教育功能。
   "声音是由物体振动产生"这一观点真正意义上的提出和发扬者是托马斯·阿尔瓦·爱迪生，他发现电话传话器里的膜板随着说话声会引起震动的现象，拿短针作了试验，发现说话的快慢高低能使短针产生相应的不同颤动 [4] 。后来，爱迪生和机械制造师克卢西共同研制出一台留声机样机，录制了爱迪生唱的《玛莉的山羊》。
   在展开"探究声音产生原因"的教学内容时，可以复刻爱迪生的发现过程和最原始的留声机样机制作过程，利用自制教具——手摇留声机展开教学过程。
   3.2. 教具制作及原理
   手摇留声机需要纸杯、锡箔纸、铁针、润滑剂、纸杯架、手摇支架(包括轴承、螺母、合页、螺杆、螺帽、铝筒、手摇手柄、飞轮等)等材料，将以上材料进行组装，制作如图1所示的简易手摇留声机。
   
   Figure 1. Simple hand-cranked phonograph
   图1. 简易手摇留声机
   简易手摇留声机的原理及其使用方法：先将锡箔纸贴在铝筒上，并在锡箔纸涂抹润滑剂。通过对着纸杯大声说话，同时，摇动手柄使铝筒横向移动，由于声波带动纸杯底部发生振动，纸杯底部固定的铁针随之振动，并在锡箔纸上留下划痕，声音便记录在锡箔纸上了。录音结束后，将转动铝筒使铁针到初始位置，开始摇动手柄，使铁针划在锡箔纸上的痕迹，铁针再次开始振动，带动纸杯底部振动，可以听到刚刚录制的声音。
   3.3. 教学过程
   置身于托马斯·阿尔瓦·爱迪生和亚历山大·贝尔的时代，利用自制简易手摇留声机，展开"探究声音产生原因"的教学过程。针对"探究声音产生原因"教学片段设计如表1所示的教学过程：
   Table 1. The teaching process design of "exploring the causes of sound"
   表1. "探究声音产生原因"的教学过程设计
4. 结语
   物理是一门以观察和实验为主的科学，实验教学是物理教学的一种重要手段。其次，近年来，中学物理教育工作者日益重视将物理学史融入物理教学中，并为此开展了一系列实践工作。本文从关注知识产生与发展过程和重视物理学史的教育功能这两方面着手，复刻爱迪生发明留声机的过程展开"探究声音产生原因"的教学活动，强调概念的形成过程和科学家们的实验过程，培养学史观察实验能力、物理思维能力、物理想象能力等，掌握分析论证、归纳演绎、类比等方法，学习科学家们的严谨、实事求是的科学精神和科学态度，形成科学世界观和科学价值观，发挥物理学史在知识、能力、方法、个人品质等方面的育人价值。