基于樂器設計與制作的高中通用技術STEAM課程模式初探

南星

【中圖分類號】G633.67 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）46-0157-02

STEAM教育理念，可以解決技術教育、藝術教育與升學考試學科相結合的問題。目前的很多STEAM課程都是基于某一學科，其它學科為輔助進行的整合。作為一名通用技術教師，我要做的是多個學科并重的STEAM課程，讓學生真正體會到“學以致用”，用系統的觀點看問題。

在STEAM中，A看上去似乎只能起到錦上添花的作用。其實不然，A才是無處不在的精靈，S、T、E、M，每一項做到極致，都離不開A。

以往的A，大多是對項目進行美化，增強趣味性和表現力。本文將從樂器設計與制作的角度對STEAM課程進行探索。

一、Mathematics——音樂屬于藝術范疇，但是它與數學知識密不可分。

我們可以聽到的音高變化、不同音色，樂器的尺寸、音孔距離或琴弦長度，都和數學有著非常密切的關系。音符的頻率，都可以通過數學公式計算出來。

音調的高低是由振動頻率決定的。歷史上有很多種計算音調的方法。比如三分損益律、純律、五度相生律、十二平均律等。

現代西洋樂器，主要以十二平均律來定音。比如標準音A的頻率為440Hz；中央C的頻率為261.63Hz，如表1，八度音之間頻率是2倍的關系……

十二平均律是指，將一組音按照等比數列的原理分成12個半音，公比為2。

二、Science——最直接的就是物理學、生物學。

高中物理學中機械振動和機械波是聲學的基礎。人聲、樂器聲，以及自然界的一切聲音，都可以用振動和波的知識來研究。對于樂器來說，不同材料的振動不同，音色也不同；人的聲帶振動、人體的共鳴腔、以及人的聽覺特性；自然界的風雨聲、蟲鳴聲，都是物理學問題，同時也涉及生物學。在這里，我主要討論聲學樂器的物理學問題。

各種樂器，都是由于產生駐波而發聲的。為得到最強的駐波，弦或管內空氣柱的長度L必須等于半波長的整數倍，如圖1。

根據發聲體和發聲方式不同，可將中國樂器分為：體鳴樂器、膜鳴樂器、氣鳴樂器、弦鳴樂器等；西洋樂器分為：弦樂器、木管樂器、鋼管樂器、鍵盤樂器、打擊樂器等。

1）吉他屬于弦振動樂器，它的發聲過程是：手撥琴弦，琴弦振動，傳給下馬，再傳給面板和共鳴箱，聲音在共鳴箱內混合放大，通過音孔發出，如圖2。

一般的吉他有6根弦。相同長度的情況下，弦越粗，音調越低；弦越細，音調越高。同一根弦，弦越長，音調越低；弦越短，音調越高。

吉他琴頸上的品絲，就是用來定音高的，而品絲的定位，又是通過數學方法計算出來的。

設弦總長L0，空弦頻率f0，空弦波長λ0，品長ln，頻率系數為k=2

可見，當弦長為空弦的一半時，頻率變為原來的2倍，即定為12品，如表2。

同時，琴頸上的泛音標記，恰好是琴弦的1/2、1/3、1/4、1/5、1/6等的位置上。

2）其他樂器發聲

像吉他一樣，只要是有音高變化的樂器，往往在尺寸上都有變化。

管類樂器，由不同的激勵方式帶動管內空氣柱振動，通過各種機件改變空氣柱長度、振動強度和持續時間，來實現音高、聲強、音長的變化。包括各類笙管笛簫、木管、銅管等，其中激勵源有邊棱、簧片、吹奏者的嘴唇。

風琴類樂器，將氣流送入不同的發音孔，帶動簧片振動發聲。包括管風琴、口琴、腳踏風琴、手風琴……

打擊類樂器，通過敲擊發聲。包括無確定音高的鑼、大鼓、镲、響板等，和有確定音高的定音鼓、馬林巴、鐘琴、編鐘等。

三、Technology——樂器演奏和樂器加工，都需要技術。

有的樂器是用單一材料制成的，有的則是用多種材料制成的零部件組成的。不同材料的加工工藝不同；不同時期、不同條件下，工藝水平也不同。比如皮革用刀、剪；木材用鋸、銼；原來純手工，現在手工加機械，甚至完全自動化。

通過技術操作，可以讓學生掌握基本的工具使用方法，養成良好的操作、清理習慣，提高安全意識、節約意識，加強團隊合作能力。

四、Engineer——樂器的設計、制作、檢測等等，是一整套工程問題。

做任何一件事，都不像解物理、數學題那樣單純，即使題目中給你設置了一個非常復雜的情境，那終究還是一道題。而現實問題，往往是一項工程。需要考慮很多，比如研究原理，弄清現狀，設計解決方案（包括草圖、技術圖樣、人員分工、工具設備選擇、工藝流程設計等），施工，評價改進等等。這些都有利于學生工程思維及領導力的提高。

五、Arts——樂器的藝術表達與展示。

在樂器的設計過程中，除了要滿足原理、繪制圖樣、實現結構和功能之外，也要有漂亮的外觀、關心歷史文化，還要進行表演、匯報，留下文字、音像資料。其中表演仍是一個與藝術相關的工程問題，除了要演奏音樂，還要考慮表演者的服裝、動作，舞臺燈光、演員調度、樂器拾音……

綜上所述，樂器的設計與制作，涉及大量的科學、技術、工程、人文藝術、數學方面的知識與能力的培養，是綜合度非常高的STEAM理念下的教學載體。它的作用體現在：

1）將多門學科的知識落實到應用上，讓學生體會到知識是有用的，從而增強學習知識的動力，提高學習興趣；2）讓學生體會到現實世界的復雜性、綜合性、有趣性和合理性；3）增強學生的合作能力、表達能力、創造力；4）展現學生的個性。