金奎 陳緒梅



【摘要】跨學(xué)科教學(xué)是新課標(biāo)重點(diǎn)倡導(dǎo)的教學(xué)方式.基于跨學(xué)科的教學(xué)視角,實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)與音樂的融合,讓學(xué)生在體驗(yàn)音樂之美的過程中體會(huì)數(shù)學(xué)原理,運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題,培養(yǎng)其模型意識(shí)和應(yīng)用意識(shí),關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng).
【關(guān)鍵詞】跨學(xué)科;綜合與實(shí)踐;核心素養(yǎng)
1引言
《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022 版)》( 以下簡(jiǎn)稱《新課標(biāo)》)指出:綜合與實(shí)踐領(lǐng)域的教學(xué)活動(dòng),以解決實(shí)際問題為重點(diǎn),以跨學(xué)科主題式學(xué)習(xí)為主,適當(dāng)采取主題活動(dòng)或項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式呈現(xiàn),通過綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)和其他學(xué)科的知識(shí)與方法解決真實(shí)問題,著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力、社會(huì)擔(dān)當(dāng)?shù)染C合品質(zhì)[1].在跨學(xué)科情境項(xiàng)目化改造教學(xué)中,通過教師把握“度”的實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo),提高學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)“悟”的真諦[2].本文以人教版九年級(jí)下冊(cè)“實(shí)際問題與反比例函數(shù) ”為例,設(shè)計(jì)和實(shí)施數(shù)學(xué)與音樂跨學(xué)科學(xué)習(xí),結(jié)合具體情境體會(huì)反比例函數(shù)的意義,并能應(yīng)用反比例函數(shù)解決簡(jiǎn)單實(shí)際問題.2數(shù)學(xué)與音樂融合
從古至今,數(shù)學(xué)與音樂一直相輔相成.數(shù)學(xué)家畢達(dá)哥拉斯在世界上第一次發(fā)現(xiàn)音樂與數(shù)學(xué)的關(guān)系;中國(guó)古代通過數(shù)學(xué)運(yùn)算研究音律;萊布尼茨說(shuō)音樂是一種隱藏的數(shù)學(xué)練習(xí);傅里葉發(fā)現(xiàn)聲波是周期函數(shù)的一種;音樂大師貝多芬、肖邦、柴可夫斯基等也常常根據(jù)曲線來(lái)譜曲.
音樂離不開數(shù)學(xué)思維,數(shù)學(xué)思維的秩序性可以讓音樂呈現(xiàn)出節(jié)奏、穩(wěn)定、有序的狀態(tài),能夠使聽眾產(chǎn)生和諧、愉悅的感受.數(shù)學(xué)的思維方式不僅能夠讓學(xué)生更好地理解音樂,鑒賞音樂,也能幫助學(xué)生用理性邏輯創(chuàng)作音樂.在我國(guó)最早產(chǎn)生的完備的律學(xué)理論是三分損益律,時(shí)間大約在春秋中期,《管子·地員篇》和《呂氏春秋·音律篇》中分別有述;明代朱載 (1536—1610)在其音樂著作《律學(xué)新說(shuō)》對(duì)十二平均律的計(jì)算方法作了概述,在《律呂精義·內(nèi)篇》中對(duì)十二平均律理論作了論述,并把十二平均律計(jì)算的十分精確,與當(dāng)今的十二平均律完全相同,這在世界上屬于首次[3].根據(jù)十二平均律的定義,也可以寫為數(shù)字式,如:122·122·122·…=2.因此,相鄰的兩個(gè)音之間的頻率比為fn[]fn-1=122=1.05946…由此可見,在古代音樂的發(fā)展就與數(shù)學(xué)緊密地聯(lián)系在了一起.從那時(shí)起,隨著數(shù)學(xué)和音樂的不斷發(fā)展,人們對(duì)它們之間關(guān)系的理解和認(rèn)識(shí)也在不斷地加深.
3教學(xué)過程
3.1設(shè)境催問,引燃探究
讓學(xué)生用吸管吹奏音樂,感受吸管長(zhǎng)度不同,吹出的音調(diào)也不同.引導(dǎo)學(xué)生從音樂、科學(xué)、物理等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行思考,從其他學(xué)科引入數(shù)學(xué)問題,然后運(yùn)用數(shù)學(xué)加以解決,這始終是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的重要方法.學(xué)生已了解到音調(diào)與吸管材質(zhì)、吸管粗細(xì)、吸管長(zhǎng)度、吹氣的力度等有關(guān).本節(jié)課在吸管材質(zhì)和粗細(xì)均相同條件下,聚焦到音調(diào)和吸管長(zhǎng)度的關(guān)系.
本節(jié)課基于音樂常識(shí)(吸管越短,音調(diào)越高)、物理常識(shí)(吸管越短,振動(dòng)頻率越大),通過信息技術(shù)軟件(Phyphox和Geogebra軟件)輔助,建立數(shù)學(xué)模型,讓學(xué)生在真實(shí)的環(huán)境中探索,應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、解決問題,提升學(xué)生思維品質(zhì).
在課堂開始之前,請(qǐng)學(xué)生們來(lái)欣賞一段音樂.(播放吹吸管音樂)
問題1他們?cè)谟檬裁礃菲餮葑啵?/p>
師生活動(dòng)學(xué)生通過觀看視頻,回答樂曲是用吸管吹奏的.
問題2吹吸管能發(fā)出聲音嗎?
師生活動(dòng)學(xué)生體驗(yàn)吹吸管能發(fā)出聲音,確定本研究的可操作性.
問題3如何吹出不同的音調(diào)?和哪些因素有關(guān)?
師生活動(dòng)學(xué)生根據(jù)音樂、物理等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行發(fā)散性思維,讓學(xué)生自由發(fā)揮,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和求知欲,通過教師的引導(dǎo),讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題,進(jìn)行自我總結(jié)和反思,培養(yǎng)學(xué)生的批判精神.最終得出音調(diào)與吸管材質(zhì)、吸管粗細(xì)、吹氣的力度、吸管長(zhǎng)度等有關(guān),本節(jié)將問題聚焦到音調(diào)與吸管長(zhǎng)度的關(guān)系.
問題4改變吸管長(zhǎng)度真的能吹出不同的音調(diào)嗎?
師生活動(dòng)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)操作,同桌相互配合,一人吹、另一人剪,并邀請(qǐng)兩位同學(xué)上臺(tái)展示.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):吸管越短,音調(diào)越高.學(xué)生積極參與,共同探索它們的數(shù)量關(guān)系和變化規(guī)律.
設(shè)計(jì)意圖本節(jié)從優(yōu)美的音樂入手,感受音樂之美和中國(guó)傳統(tǒng)文化的博大精深.涉及一些音樂與物理的知識(shí),學(xué)生在理解上存在一定的難度.通過問題,將數(shù)學(xué)和其他學(xué)科的知識(shí)整合起來(lái),側(cè)重幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的知識(shí)和技能、理解數(shù)學(xué)的思想和方法,能創(chuàng)造性地解決應(yīng)用性問題,實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科教學(xué)[4].師生明確本節(jié)研究的對(duì)象與任務(wù),從變量角度進(jìn)一步加深對(duì)函數(shù)的認(rèn)識(shí),引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用函數(shù)關(guān)系進(jìn)行分析.
3.2收集數(shù)據(jù),建立模型
問題5如何研究?jī)蓚€(gè)變量之間的關(guān)系?
追問1用函數(shù)來(lái)研究?jī)烧咧g的關(guān)系,具體應(yīng)該怎么做呢?
追問2收集什么數(shù)據(jù)?
師生活動(dòng)師生共同確定好變量,確定用函數(shù)來(lái)研究此問題,可運(yùn)用刻度尺測(cè)出吸管的長(zhǎng)度,用Phyphox軟件測(cè)量出此長(zhǎng)度下吹吸管的振動(dòng)頻率(圖1、圖2).
(學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),前后四人互為一組,在小組內(nèi)一人吹吸管,一人測(cè)量振動(dòng)頻率,一人讀取數(shù)據(jù),一人將數(shù)據(jù)記錄在數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告單中.)
問題6要想通過實(shí)驗(yàn)得出有用的數(shù)據(jù),在實(shí)驗(yàn)之前需要思考怎樣做,以及會(huì)遇到哪些問題.同時(shí),在這次測(cè)量活動(dòng)中我們要對(duì)同學(xué)們的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)比出最佳測(cè)量小組.你認(rèn)為需要圍繞哪些方面進(jìn)行評(píng)價(jià)呢?
師生活動(dòng)師生共同制定實(shí)驗(yàn)報(bào)告單(表1)和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表(表2),學(xué)生在教師的引導(dǎo)下動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn),按照項(xiàng)目化的分工,一部分學(xué)生記錄數(shù)據(jù),一部分學(xué)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),一部分學(xué)生協(xié)助,合作完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告單和評(píng)價(jià)表.
追問1:要更直觀地表示這組數(shù)據(jù)的變化規(guī)律(如上表3),有什么方法?
追問2:觀察圖象,可以用什么函數(shù)來(lái)刻畫兩個(gè)變量之間的關(guān)系?
師生活動(dòng)1.教師提出問題,學(xué)生獨(dú)立解決問題.學(xué)生畫出圖象后,發(fā)現(xiàn)有的圖象接近于一次函數(shù),有的接近于反比例函數(shù).經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn),多次得到數(shù)據(jù),畫出圖象,猜測(cè)更接近于反比例函數(shù).教師巡視學(xué)生完成情況,并請(qǐng)學(xué)生展示解答過程(圖3),給予適當(dāng)評(píng)價(jià).2.師生共同分析數(shù)據(jù),引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷觀察表格、尋找規(guī)律、描點(diǎn)繪圖、觀察圖象的過程.由于手動(dòng)繪圖存在一定的誤差,教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)(如Geogebra軟件),幫助學(xué)生利用已學(xué)的函數(shù)圖象與性質(zhì),確定函數(shù)更接近于反比例函數(shù)(圖4),即可以選擇反比例函數(shù)來(lái)刻畫這兩個(gè)變量之間的關(guān)系,擬合得到函數(shù)表達(dá)式.
教學(xué)說(shuō)明《新課標(biāo)》指出:模型思想的建立是學(xué)生體會(huì)和理解數(shù)學(xué)與外部世界聯(lián)系的基本途徑.學(xué)生根據(jù)已學(xué)物理知識(shí)將音樂中抽象的音調(diào)轉(zhuǎn)化為可以測(cè)量的振動(dòng)頻率這一想法,筆者給予了高度的贊賞.《新課標(biāo)》指出:數(shù)學(xué)教學(xué)應(yīng)該從學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā),讓學(xué)生親身經(jīng)歷將實(shí)際問題抽象成數(shù)學(xué)模型并理解運(yùn)用的過程.本節(jié)活動(dòng)課的設(shè)計(jì)體現(xiàn)綜合與實(shí)踐課從生活出發(fā)、學(xué)科融合的特質(zhì).
設(shè)計(jì)意圖引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù),從觀察表格數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)規(guī)律過渡到繪制函數(shù)圖象,使學(xué)
生經(jīng)歷將現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題的過程.Geogebra軟件的應(yīng)用讓學(xué)生體會(huì)到信息技術(shù)在數(shù)學(xué)建模
中的作用,引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷“看數(shù)據(jù),繪圖象,先猜想,再判斷”的過程,滲透數(shù)形結(jié)合的思想,為
應(yīng)用函數(shù)模型打好基礎(chǔ).
3.3應(yīng)用模型,成果展示
問題8吸管長(zhǎng)度5cm,對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率是多少呢?
師生活動(dòng)依據(jù)圖4,總結(jié)求出解析式,正確使用反比例函數(shù)解析式解決問題,得到應(yīng)使用長(zhǎng)度的吸管.教師可以利用Geogebra軟件操作驗(yàn)證得到圖5,并請(qǐng)另一位學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.
問題9嘗試完成《小星星》的吹奏并進(jìn)行成果展示.
設(shè)計(jì)意圖通過具體情境應(yīng)用反比例函數(shù)模型解決問題,對(duì)反比例函數(shù)的性質(zhì)和圖象等有更深入的理解.小組合作吹奏歌曲《小星星》,學(xué)生經(jīng)歷合作交流、實(shí)踐探索和組織協(xié)調(diào)的過程,親身動(dòng)手、
動(dòng)腦、動(dòng)嘴,充分感受數(shù)學(xué)與音樂的緊密融合,發(fā)展學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力.
3.4問題歸納,課堂小結(jié)
(1)回顧探索音調(diào)與吸管長(zhǎng)度關(guān)系的過程,我們經(jīng)歷了哪些步驟?
師生活動(dòng):學(xué)生先自己總結(jié),進(jìn)行交流互動(dòng),再得出數(shù)學(xué)建模的一般步驟,由實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)—用描點(diǎn)法畫出圖象—根據(jù)圖象選擇函數(shù)—擬合求函數(shù)關(guān)系式—應(yīng)用模型解決問題.
(2)經(jīng)過這一節(jié)課的學(xué)習(xí),你有什么收獲?
師生活動(dòng)學(xué)生暢所欲言.
學(xué)生1我經(jīng)歷了整個(gè)數(shù)學(xué)建模過程,解決了音調(diào)與吸管長(zhǎng)度的關(guān)系問題.
學(xué)生2我感受到了高科技的魅力,比如用聲學(xué)軟件測(cè)頻率、計(jì)算機(jī)描點(diǎn)等.
學(xué)生3我感受到數(shù)學(xué)來(lái)源于生活,在日常生活中數(shù)學(xué)無(wú)處不在.
學(xué)生4我了解運(yùn)用函數(shù)解決問題的步驟:實(shí)驗(yàn)—收集數(shù)據(jù)—確定變量—描點(diǎn)—求函數(shù)解析式—評(píng)價(jià).
設(shè)計(jì)意圖由學(xué)生先自行整理回顧數(shù)學(xué)建模的全過程,明確數(shù)學(xué)建模的一般方法與步驟,再由教師補(bǔ)充提升,充分發(fā)揮了學(xué)生的自主性.通過對(duì)數(shù)學(xué)與音樂史的講述,感受數(shù)學(xué)與生活的緊密聯(lián)系,從情感上提升學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的熱情.通過學(xué)生自行總結(jié),檢驗(yàn)本節(jié)的教學(xué)效果,為今后的項(xiàng)目化的學(xué)習(xí)做好鋪墊.
3.5課后拓展,鞏固提升
(1)請(qǐng)選擇除吸管外的物品(如皮筋)對(duì)其音調(diào)與長(zhǎng)度的關(guān)系進(jìn)行探究,運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的方法,尋找變量之間的關(guān)系,擬合函數(shù),并應(yīng)用求得的函數(shù)自制樂器,完成樂曲的演奏.
(2)請(qǐng)考慮幾何結(jié)構(gòu)等因素,優(yōu)化自制樂器.
4教學(xué)感悟
4.1培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>
杜威說(shuō):“人們最初的知識(shí),最能永久不忘的知識(shí)是關(guān)于‘怎樣做的知識(shí).”目前的一線數(shù)學(xué)教學(xué)中基本都以傳授知識(shí)為主的教學(xué)方式,為知識(shí)而講解知識(shí),陷入學(xué)生死記硬背、盲目機(jī)械刷題、疲于應(yīng)付形形色色考試怪圈,完全扼殺學(xué)生動(dòng)手能力,忽略其知識(shí)生成的過程和本質(zhì)原理,無(wú)法提升學(xué)生思維能力和運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.
本節(jié)課從“做實(shí)驗(yàn)”的視角,通過學(xué)生親自參與,協(xié)同合作,在反復(fù)實(shí)驗(yàn)中,不斷修正,建立數(shù)學(xué)模型,積極評(píng)價(jià),最大化地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo).通過數(shù)學(xué)與音樂的融合,讓學(xué)生親自參與,提高動(dòng)手能力,感受數(shù)學(xué)之美,感受生活中數(shù)學(xué)無(wú)處不在,提升學(xué)生核心素養(yǎng).
4.2培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力
讓學(xué)生在欣賞數(shù)學(xué)美、創(chuàng)造數(shù)學(xué)美的過程中,引發(fā)對(duì)數(shù)學(xué)文化的思考,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)解決問題的能力[5].學(xué)生通過吸管實(shí)驗(yàn),直觀感受音調(diào)與吸管長(zhǎng)度的關(guān)系,以振動(dòng)頻率與吸管長(zhǎng)度為變量建立數(shù)學(xué)模型,尋找數(shù)學(xué)關(guān)系,反復(fù)實(shí)驗(yàn),收集數(shù)據(jù),運(yùn)用信息技術(shù)處理數(shù)據(jù),應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)處理圖象,構(gòu)建反比例函數(shù)模型,合理進(jìn)行評(píng)價(jià).
學(xué)生通過操作、驗(yàn)證、說(shuō)理,將零散的知識(shí)結(jié)構(gòu)化、單一的圖形模型化、抽象的思維顯性化、靜態(tài)的圖形動(dòng)態(tài)化,關(guān)注學(xué)科間的綜合聯(lián)系,形成對(duì)知識(shí)的整體性認(rèn)識(shí),經(jīng)歷構(gòu)建反比例函數(shù)模型的探究過程.通過項(xiàng)目化學(xué)習(xí),學(xué)生在不斷解決問題的過程中,體會(huì)如何利用理論知識(shí)解決問題的過程,從而在構(gòu)建反比例函數(shù)模型時(shí),利用理論知識(shí)來(lái)尋找解決問題的基本方向,再進(jìn)一步利用知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐.學(xué)生在做中思,在思中行.
4.3培養(yǎng)學(xué)生批判性思維
《新課標(biāo)》明確要求:發(fā)展質(zhì)疑問難的批判性思維,形成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,初步養(yǎng)成講道理、有條理的思維品質(zhì),逐步形成理性精神.目前課堂教學(xué)中,多數(shù)學(xué)生是老師要求做啥我就做啥,教材如何寫我就如何做,知其然不知其所以然,教師以教學(xué)時(shí)間不夠、學(xué)生能力差等為托詞,在課堂教學(xué)中忽視對(duì)學(xué)生批判性思維能力的培養(yǎng).教師要能自覺開發(fā)資源,并結(jié)合學(xué)生實(shí)際創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,深度挖掘蘊(yùn)含的培養(yǎng)批判性思維的價(jià)值,從問題處進(jìn)行批判性思考,從困惑處進(jìn)行批判性探索,從猜想處進(jìn)行批判性實(shí)驗(yàn),從結(jié)論處進(jìn)行批判性驗(yàn)證,從遷移處進(jìn)行批判性拓展,引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟具有批判性學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué),從而促進(jìn)學(xué)生批判精神和批判能力的提升.
4.4跨學(xué)科教學(xué)的必要性
《新課標(biāo)》指出:義務(wù)教育的“綜合與實(shí)踐”以“跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)”為主,其中小學(xué)可采用“主題活動(dòng)”和“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”,初中可采用“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”,高中階段采取“數(shù)學(xué)建模活動(dòng)”與“數(shù)學(xué)探究活動(dòng)”[6].數(shù)學(xué)跨學(xué)科教學(xué)體現(xiàn)數(shù)學(xué)與其他學(xué)科的聯(lián)系,通過解決綜合性的實(shí)際問題,培養(yǎng)學(xué)生的模型觀念、數(shù)據(jù)分析意識(shí)、運(yùn)算能力和推理能力.跨學(xué)科除了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式的整合,更需要學(xué)生思維的整合,優(yōu)化并提升學(xué)生的思維品質(zhì).在課堂教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生在跨學(xué)科的背景下用數(shù)學(xué)的眼光觀察現(xiàn)實(shí)世界,用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界中事物的概念、關(guān)系和規(guī)律,幫助學(xué)生感悟數(shù)學(xué)與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系[7].傳統(tǒng)教學(xué)中,由于缺失了對(duì)函數(shù)生成過程的展現(xiàn),使得學(xué)生普遍認(rèn)為函數(shù)知識(shí)抽象難懂.本文借助跨學(xué)科的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生經(jīng)歷了構(gòu)建函數(shù)的過程,深化了對(duì)函數(shù)概念的理解.
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作者簡(jiǎn)介金奎(1980—),男,安徽安慶人,蕪湖市中學(xué)數(shù)學(xué)教研員,安徽師范大學(xué)碩士研究生導(dǎo)師,蕪湖市數(shù)學(xué)學(xué)科帶頭人;出版著作兩本,主持多項(xiàng)省、市級(jí)課題,發(fā)表文章20余篇.
陳緒梅(1991—),女,安徽蕪湖人,中學(xué)二級(jí)教師;參與多項(xiàng)市級(jí)課題,獲蕪湖市中小學(xué)實(shí)驗(yàn)說(shuō)課一等獎(jiǎng).
基金項(xiàng)目
安徽省教育科學(xué)研究課題“多學(xué)段融通視域下數(shù)學(xué)閱讀課程資源的開發(fā)與實(shí)踐”(JK23176).