基于问题解决的“声的利用”单元整合教学设计与实践-以人教版物理八年级上册为例

基于问题解决的“声的利用”单元整合教学设计与实践——以人教版物理八年级上册为例一、教学内容分析

本节课源自人教版物理八年级上册第二章《声现象》的第三节“声的利用”。从《义务教育物理课程标准（2022年版）》审视，本节内容处于“运动和相互作用”主题下，是学生在学习了声音的产生、传播与特性之后，对声学知识从认知走向应用、从理论联系实际的关键转折点。知识技能图谱上，其核心在于引导学生建构“声能传递信息”与“声能传递能量”两大观念，并辨识生活中与技术中的丰富实例。这不仅是对前序知识的深化应用，也为后续学习其他形式的能量转化与传递埋下伏笔。过程方法路径上，课标强调通过科学探究和STS（科学·技术·社会）教育，本节正是绝佳载体。教学设计需超越实例罗列，通过创设真实问题情境，驱动学生像工程师一样思考：如何根据需求（测距、清洗、探伤）选择和设计声学方案，从而将“科学探究”具象化为方案设计与评估的实践。素养价值渗透层面，知识载体背后是深刻的科学态度与社会责任。例如，通过对比B超与X光、讨论噪声的防治与利用，引导学生辩证看待技术应用的双刃剑效应，培育其批判性思维与科技伦理意识，实现“润物无声”的育人目标。

基于“以学定教”原则，进行立体化学情研判。已有基础与障碍方面，八年级学生已具备声音的产生与传播等基础知识，对超声波、B超等名词有感性认识，但普遍存在“知其然不知其所以然”的困境，容易混淆“传递信息”与“传递能量”的本质区别，并对次声波等抽象概念感到陌生。其兴趣点多集中于新奇的技术应用（如声呐、超声碎石），这是教学的重要切入点和动力源。过程评估设计上，将贯穿课堂始终：在导入环节通过开放式提问探查前概念；在探究任务中通过观察小组讨论的焦点与分歧，动态把握理解进度；利用分层随堂练习即时诊断不同层次学生的掌握情况。教学调适策略据此而定：对于基础薄弱的学生，提供更多生活化、可视化的实例支架（如动画演示回声定位）；对于思维活跃的学生，则挑战其设计简易声学应用方案，或辩论技术应用的利弊，满足其深度学习的需求。二、教学目标

知识目标方面，学生将能系统地建构关于声的利用的认知框架。他们不仅能准确列举声音传递信息（如回声定位、B超诊断）与传递能量（如超声波清洗、碎石）的典型实例，更能从原理层面阐释其本质区别：即前者关注声音所承载的“内容”，后者关注声音所引发的“效应”。最终，学生能运用这一框架分析、解释和归类新的声学应用现象。

能力目标聚焦于科学探究与工程思维。通过参与“设计声学解决方案”的任务链，学生将发展信息整合与方案设计的能力，能够从杂乱的生活现象中提炼科学问题，并运用核心概念提出合理的解决思路。例如，能够小组协作，完成一个利用声音原理解决简单实际问题（如盲人避障提示器）的初步设计草案，并清晰阐述其工作原理。

情感态度与价值观目标旨在培养严谨求实的科学态度和科技服务于社会的责任感。在案例分析中，引导学生体会物理知识转化为技术的奇妙，感受科学家与工程师的智慧；在讨论超声、次声的应用与危害时，激发其辩证思考技术伦理的意识，初步形成趋利避害、善用科技的价值取向。

科学思维目标重点发展模型建构与辩证思维。引导学生将纷繁的声学应用实例，抽象并归类到“信息”与“能量”两个核心概念模型中，这是重要的模型化思维训练。同时，通过分析同一技术（如超声波）在不同场景中角色的转换（既可探伤传递信息，也可加工传递能量），培养其具体问题具体分析、全面而非僵化看待问题的辩证思维能力。

评价与元认知目标关注学习过程的监控与优化。课堂中，将引导学生依据清晰的标准（如原理正确性、方案可行性）对同伴的设计方案进行点评；小结时，引导学生反思“我是如何将杂乱实例梳理清晰的？”、“‘信息’与‘能量’的区分标准在我的理解中是如何建立的？”，从而提升其对自己认知策略的觉察与调控能力。三、教学重点与难点

教学重点确立为：深刻理解声音可以传递信息和能量两大基本应用，并能够准确辨析与解释相关实例。其确立依据源于课程标准的“大概念”统领思想：“声能传递信息与能量”是统领本节乃至现代声学应用的核心观念。从学业评价角度看，该点是联系生活与科技的枢纽，是中考中考查学生知识迁移与应用能力的高频考点，常见于情境分析题与探究设计题中，充分体现了从知识立意转向能力立意的命题趋势。

教学难点预判为：一是对超声波“信息”与“能量”双重角色的辩证理解，学生容易形成“超声波只用于医疗（信息）”或“只用于清洗（能量）”的片面认识；二是对次声波危害及其监测应用原理的抽象认知。难点成因在于，八年级学生的抽象思维尚在发展，对“能量”这一无形概念的具体效应缺乏直观感受；同时，次声波超出人耳感知范围，相关应用（如预测自然灾害）距离学生生活较远，存在认知跨度。突破方向在于，通过可视化模拟动画、类比推理（如将声波能量类比为“无形的锤子”）以及联系重大社会事件（如地震预警）来搭建认知阶梯，化抽象为具象。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式电子白板课件（内含“声呐探测”、“B超成像”、“超声波清洗机工作”等高清晰度视频或动画）；音叉与轻质小球演示套装；提前录制一段包含不同声音（谈话声、机器轰鸣声、超声波驱鼠器启动声）的音频。1.2学习任务单：设计分层探究任务单，包含“实例归类图表”、“声学方案设计框架”及分层巩固练习题。2.学生准备2.1预习任务：查阅资料，列举至少3个生活中或科技中利用声音的实例，并尝试思考声音在其中起到了什么作用。2.2物品准备：常规文具，用于课堂绘制思维导图或设计草图。3.环境布置3.1座位安排：课前将课桌调整为46人一组的小组合作式布局，便于讨论与实验。3.2板书记划：黑板预先划分为三个区域：核心概念区（信息/能量）、实例列举区、学生生成问题与设计展示区。五、教学过程第一、导入环节1.悬念情境创设：同学们，请大家闭上眼睛，仔细听一段声音。（播放音频：先是一段清晰的对话，接着是工厂车间机器的轰鸣，最后是一段人耳几乎听不见但能让水中悬浮微粒剧烈运动的超声波驱鼠器启动声效）。好，请睁开眼睛。刚才大家听到的这段“声音交响曲”里，声音都在工作吗？它们的工作方式一样吗？2.核心问题提出：我们已知声音由物体振动产生，并能被我们听到。但声音的价值远不止于“听”。从海豚导航到医生看病，从清洗精密零件到探测地震，声音被人类以各种巧妙的方式利用着。那么，这些千差万别的应用背后，有没有统一的科学原理在支撑呢？今天，我们就化身“声学工程师”，一起来解开声的利用密码。3.学习路径勾勒：我们将首先通过一组现象，像侦探一样寻找声音工作的两种基本模式；然后，我们将运用这个“密码本”，去解读和设计更多的声学应用方案。大家都准备好了吗？让我们开始探索之旅。第二、新授环节任务一：初探声的“工作”模式——从现象到本质归类教师活动：首先，我会呈现两组对比鲜明的视频片段。第一组：渔船声呐探测鱼群、B超检查胎儿。第二组：超声波清洗眼镜、超声波击碎体内结石。播放后，我会提出引导性问题：“请大家聚焦第一组，声音帮助人们得到了什么？”（预设：得到了鱼群的位置、胎儿的图像等信息）。接着追问：“那么第二组呢？声音导致了什么变化？”（预设：污渍被震落、结石被粉碎）。此时，我会引导学生对比思考：“大家有没有发现，声音在这两类场景中‘扮演的角色’有根本的不同？一个像是‘信使’，负责报告消息；另一个像是‘工人’，亲自动手做功。”我们来给这两种角色起个科学的名称好吗？学生活动：学生观看视频，进行小组讨论，对比分析两组场景中声音作用的差异。他们尝试用自己的语言描述这种差异，并可能提出“传递消息”和“产生力量”等说法。在教师引导下，共同提炼并认同“传递信息”与“传递能量”这两个核心概念。随后，学生将预习中自己收集的实例在小组内进行初步归类。即时评价标准：1.学生能否从具体现象中提取出关键作用（是获得信息还是引发物体变化）。2.在小组讨论中，能否清晰地表达自己的观察与比较结果。3.能否初步运用“信息”与“能量”的框架对简单实例进行正确归类。形成知识、思维、方法清单：★核心概念1：声能传递信息。声音可以作为一种载体，将物体本身或环境的状态、特征等“告知”接收者。关键在于“解读”声音所含的内容。★核心概念2：声能传递能量。声音本身是一种机械振动，这种振动可以在介质中传播并作用于其他物体，使其发生状态或形态的变化，本质是声能做功。▲思维方法：比较与分类。面对纷繁的现象，通过寻找本质差异（目的/结果）进行分类，是科学认知的重要方法。教学提示：“传递能量”相对抽象，可即时演示音叉振动激起水花或轻触脸颊，让学生感受“振动的力量”。任务二：解构“信息使者”——声如何传递信息？教师活动：聚焦“传递信息”。我会提出探究链条：“信息要传递，一般需要经历哪些步骤？”引导学生类比通信过程：发射、传播、接收、解码。接着，以回声定位为例，进行具体解构。“蝙蝠（或声呐）发出超声波——遇到障碍物反射——接收回声——根据回声的时间、强弱判断距离和形状。”看，这就是一个完整的声学信息系统！然后，我会展示B超、听诊器、铁路工人敲击车轮检查等更多实例，让学生以小组为单位，任选一个，用“发射传播接收解码”的框架进行分析和讲解。我会巡视，对遇到困难的小组提示：“想想，这个例子中，声源是什么？‘信息’藏在声音的哪个特征里了？（可能是回声时间、也可能是声音本身的特性如音调）”学生活动：学生理解信息传递的通用模型。小组合作，选择教师提供的实例进行分析，尝试用模型框架解释其工作原理。例如，分析听诊器：心脏跳动产生声音（发射）—通过身体组织和听诊器传播（传播）—医生耳朵接收（接收）—医生根据声音特征判断健康状况（解码）。各组选派代表进行简短汇报。即时评价标准：1.学生能否将具体实例准确对应到信息传递模型的各个环节。2.在解释中，能否明确指出具体承载信息的声音特征（如回声时间、音色等）。3.小组汇报时逻辑是否清晰，语言是否准确。形成知识、思维、方法清单：★关键原理：回声定位原理。利用声波反射的时间差和方向性进行测距、定位和成像，是声呐、倒车雷达等技术的核心。★信息载体多样性。声音所携带的信息可以体现在其产生的方式（如敲击车轮声判断裂纹）、传播后的变化（如回声）或声音本身的特性（如音色判断乐器）上。▲学科方法：模型化分析。将复杂的技术过程简化为“发射传播接收解码”的通用模型，是一种强大的分析工具。任务三：感受“能量工匠”——声如何传递能量？教师活动：转向“传递能量”。这是难点。我会先做演示：用发声的音叉轻触水面，激起水花；或轻触悬挂的乒乓球，使球弹开。“大家看，音叉的振动‘推动’了水和球，这就是声波在传递能量——它做了功。”为了化解抽象，我会进行类比：“高强度的声波，就像无数把看不见的‘小锤子’，在高速锤击物体表面。”接着播放超声波清洗和碎石的高清慢放视频，并提问：“大家找找看，视频里哪些现象能证明‘小锤子’在工作？”（预设：污渍被震落、结石破碎）。进而追问：“超声波为什么能胜任这个‘工匠’角色？它和可听声比有什么优势？”（引导思考频率高、能量集中）。学生活动：观察教师演示和视频，直观感受声波的能量效应。参与互动问答，寻找能量作用的证据。思考并讨论超声波的特性与其能量应用优势之间的关系。部分学生可能联想到次声波的巨大能量（如使内脏共振），教师可顺势引导。即时评价标准：1.学生能否从演示和视频中识别出声波导致物体状态或位置改变的证据。2.能否理解能量传递的直观表现是“做功”或“引起变化”。3.能否初步建立“声波强度/频率”与“能量大小/效果”的关联意识。形成知识、思维、方法清单：★能量传递的本质。声波是振动在介质中的传播，它能使介质中的微粒发生振动，从而将能量从声源传递出去。当能量足够大时，就能对其他物体做功。★超声波的能量应用优势。方向性好、穿透能力强、能量易于集中，因此常用于清洗、焊接、加工、医疗（碎石）等领域。▲易错点辨析。超声波清洗是利用其“能量”效应震落污渍，而B超成像利用其“反射信息”，两者原理不同，切勿混淆。教学提示：“这个想法很有创意！能再具体说说声音是怎么‘做工’的吗？”任务四：辩证与整合——声学技术应用的“双刃剑”教师活动：现在，我们已经掌握了声的两种基本利用方式。但任何技术的应用都不是孤立的。我将提出一个两难情境：“次声波能量巨大，能传播极远，但它对人体有害。我们该如何看待和利用它？”组织小型辩论或讨论：“利用次声波预测地震、台风是利大于弊还是弊大于利？”我担任主持人，引导双方从原理（传递能量导致危害vs传递信息用于预警）、应用（可控性、精度）和社会价值等角度展开。最后总结：技术本身无善恶，关键在于人类如何运用它。这体现了科学态度与社会责任。学生活动：学生分为正反方，基于所学原理，搜集论据（可结合课前预习资料），展开简短辩论或深度讨论。在交锋中深化对“信息”与“能量”辩证关系的理解，并思考科技伦理问题。最终形成“趋利避害、合理利用”的共识。即时评价标准：1.辩论观点是否建立在科学原理（次声波的能量特性或信息特性）之上。2.能否从多角度（技术、社会、伦理）思考问题。3.讨论中能否尊重对方，理性表达。形成知识、思维、方法清单：★次声波的特性与应用。频率低于20Hz，传播距离远，能量大，易与人体器官共振造成伤害。可用于监测自然灾害（如地震、风暴）、探测核爆炸等。▲核心素养渗透：科学态度与社会责任。认识到科学技术在给人类带来福祉的同时，也可能带来风险，应秉持理性、求实、创新的科学态度，承担起善用科技、服务社会的责任。▲辩证思维。同一物理现象（如声波）在不同条件下可发挥不同作用，应具体分析，全面看待。任务五：实践与迁移——“声学工程师”挑战赛教师活动：发布终极挑战任务：“请以小组为单位，扮演声学工程师，解决以下实际问题之一（三选一）：A.为盲人设计一个利用声音原理的便携式避障提示器。B.设计一个方案，在不打开古董钟表外壳的情况下，判断其内部齿轮是否正常运转。C.解释为什么大型演唱会现场，强烈的音响有时能让人的胸口感到压迫感。”我将提供设计框架模板（需包含：问题分析、选择原理（信息/能量）、方案简述、预期效果）。巡视指导，鼓励创新，并提醒学生运用本节课的核心概念进行论证。最后，邀请12个小组展示他们的设计草图与思路。学生活动：小组选择挑战任务，展开头脑风暴。运用“声能传递信息或能量”的框架进行方案构思，讨论可行性，并填写设计框架。可能产生的想法包括：利用超声波回声测距并转化为声音或振动提示（A）；通过听敲击外壳或内部运转的声音特征判断（B）；解释为低音声波（含次声成分）传递能量引起胸腔共振（C）。小组协作完成设计，并准备汇报。即时评价标准：1.设计方案是否明确运用了本节课的核心概念（信息传递或能量传递）。2.方案是否具有基本的合理性和逻辑性。3.小组合作是否有效，分工是否明确。形成知识、思维、方法清单：★知识综合应用。将“声能传递信息”与“声能传递能量”的原理迁移到新的、真实的或半真实的问题情境中，完成从理解到创造性应用的跨越。▲工程设计思维（CDIO）。初步体验“构思设计实施运作”的工程思维流程，将物理知识转化为解决问题的方案。▲迁移创新能力。鼓励学生打破思维定式，创造性地组合知识，解决实际问题。第三、当堂巩固训练

本环节构建分层、变式的训练体系，以诊断学习效果并提供精准反馈。1.基础层（全体必做，用时5分钟）：(1)判断：医生用听诊器听心跳，是利用声音传递能量。（）(2)选择：下列实例中，与声呐测海深原理相同的是（）。A.超声波清洗机B.用B超检查身体C.超声波焊接塑料。完成后，同桌互换，依据投影的答案和简要解析互评。2.综合层（大多数学生完成，用时8分钟）：阅读材料：“科学家利用监测站接收到的次声波，可以判断数千公里外风暴的方位和强度。”请回答：①该应用是利用声音传递______。②风暴产生的次声波，其频率范围大约是______。③次声波在此应用中的优势是什么？教师抽取不同答案进行投影讲评，重点分析学生思维过程。3.挑战层（学有余力选做，课后思考）：开放式问题：有科学家设想利用高强度聚焦超声波（HIFU）从体外“烧死”体内的肿瘤细胞。请分析这一设想可能涉及我们本节课所学的哪些原理？又会面临哪些技术或安全挑战？此题为下一节课的延伸讨论或项目学习埋下伏笔，鼓励学生课后查阅资料。第四、课堂小结

引导学生进行自主结构化总结与元认知反思。“同学们，经过一节课的探索，我们的‘声学工程师’之旅暂告一段落。现在，请大家暂停一下，尝试用一句话概括你今天学到的最核心的东西。”邀请几位学生分享。然后，我在核心概念区板书，与学生共同完善一幅思维导图：中心是“声的利用”，两大主干是“传递信息”（分支：实例、原理、模型）和“传递能量”（分支：实例、本质、特点），并延伸出“技术应用的双刃剑”思考。最后，回顾我们开课时的驱动问题：“千差万别的声学应用背后统一的原理是什么？”——正是我们对声作为“信息使者”和“能量工匠”这两种角色的深刻认识。作业布置：必做（基础性）：1.整理本节课知识清单（参照课后下发的清单模板）。2.完成练习册上对应本节的基础题。选做（拓展/探究性）：1.（拓展）撰写一篇小短文，介绍一种你最感兴趣的声学技术（如主动降噪耳机），并分析其原理。2.（探究）小组合作，进一步完善课堂上的“声学工程师”设计方案，并制作成简单的海报或PPT，下节课进行“项目招标会”展示。六、作业设计1.基础性作业（全体学生必做）

完成教材本节后的“动手动脑学物理”基础练习题。依据“本节知识清单”，绘制一幅关于“声的利用”的简易思维导图，要求至少包含“传递信息”和“传递能量”两大类，并各列举3个实例。此项作业旨在巩固最核心的知识结构与实例对应关系。2.拓展性作业（建议大多数学生完成）

情境应用：假设你是一名科技馆讲解员，需要为小学生讲解“声音的秘密”展区中关于“声的利用”部分。请撰写一份300字左右的讲解词，要求生动有趣，且必须包含“声音能做什么”的两种不同方式，并各举一个贴近儿童生活的例子。此项作业促进知识的情境化应用与表达。3.探究性/创造性作业（学有余力学生选做）

微型项目：以“让声音服务生活”为主题，进行一项小型调查或设计。选项A：调查家庭或社区中存在的噪声问题，并基于“声音传递能量”或“控制噪声”的思路，提出一条具体的改进建议。选项B：进一步完善课堂“挑战赛”中的设计方案，形成一份更详细的设计说明（包括工作原理草图、所需材料、预期效果与局限性分析）。此项作业强调开放探究、创新思维与社会实践的联系。七、本节知识清单及拓展★1.声能传递信息（核心概念）：声音可以作为一种载体，将声源或反射体的状态、特征、位置等信息传递给接收者。关键在于接收者“解读”声音所包含的内容。例如，我们听到雷声知道下雨，听到言语明白意思。★2.声能传递能量（核心概念）：声音是一种机械波，是振动在介质中的传播。这个振动过程伴随着能量的传递。当声波遇到其他物体时，可以使其发生振动或形变，即声波对物体做了功。▲3.回声定位（典型原理）：利用声音（通常是超声波）遇到障碍物反射形成回声，通过测量回声与原声的时间差，可以计算距离；通过分析回声的方向和强度变化，可以判断物体的形状和位置。这是声呐、蝙蝠飞行、倒车雷达的核心原理。★4.超声波（高频声波）：频率高于20000Hz的声波，人耳听不见。特性：方向性好、穿透能力强、能量易集中。5.超声波传递信息的应用实例：B超（利用反射回声成像）、超声波测厚、超声波探伤（检测金属内部裂纹）。“同学们想想，这些应用里，医生和工程师最终想要得到的是什么？（图像、数据、判断）——是信息。”6.超声波传递能量的应用实例：超声波清洗（利用高频振动使污物剥离）、超声波焊接（振动产热使塑料熔化粘合）、超声波碎石（聚焦的高能超声波将结石震碎）。“在这里，超声波的目标是改变物体的状态，它充当了‘能量工匠’。”▲7.次声波（低频声波）：频率低于20Hz的声波，人耳听不见。特性：传播距离极远、能量大、易绕过障碍物、能与人体器官产生共振。8.次声波的危害：大功率次声波会使人体器官（如心脏、肺部）产生强烈共振，导致头晕、恶心、器官损伤，甚至死亡。某些自然现象（地震、海啸、风暴）和大型机械（如火箭发射）会产生次声波。9.次声波的利用：利用其传播远的特性，可用于监测和预测地震、海啸、台风、火山喷发等自然灾害；也可用于探测核爆炸。“监测，本质是利用它传递了关于远方事件的信息。”★10.“信息”与“能量”应用的根本区分标准：不在于是否使用超声波，而在于应用的目的和直接结果。若目的是为了获取某种“情况”（位置、图像、状态），结果是得到了数据或判断，则为传递信息；若目的是为了引发物体的“变化”（清洗、粉碎、焊接），结果是物体状态被改变，则为传递能量。▲11.声音信息载体的多样性：除了回声时间差，声音的音调（频率）、响度（振幅）、音色（波形）都可能承载信息。例如，敲击瓷器听声辨裂纹（音色变化），听发动机声音判断故障（音调异常）。▲12.声波能量大小的相关因素：声波的振幅（响度）越大，其携带的能量一般也越大。频率（如超声波）影响的是能量集中的能力和方式。13.可听声的能量应用：并非只有超声波能传递能量。强噪声（可听声）能使窗户振动、使人烦躁，这也是能量传递的体现。某些声波疗法也利用特定频率的声波能量。▲14.科学与技术的联系（STS）：对声的本质（物理科学）的研究，催生了声呐、B超、超声清洗等大量技术（工程应用），这些技术又深刻改变了医疗、军事、工业和生活（社会影响）。体现了“科学技术社会”的紧密互动。▲15.辩证看待技术（核心素养）：任何技术都有两面性。超声波可以治病（碎石）也可能在不当使用时对人体组织造成损伤；次声波可以预警灾害也可能成为武器。学习物理，不仅要懂得原理，更要思考如何负责任地运用科技。八、教学反思

（一）教学目标达成度分析。从当堂巩固训练的基础层答题正确率（预计超过90%）来看，大多数学生已能准确区分声音传递信息与能量的基本实例，知识目标基本达成。在综合层材料分析中，约70%的学生能完整分析次声波应用的原理与优势，表明核心概念的理解较为到位。能力目标方面，“声学工程师挑战赛”环节的学生表现是重要观察点。各小组均能围绕“信息”或“能量”提出方案，虽然设计粗糙，但思路正确，表明模型迁移的初步能力已形成。情感与思维目标渗透在“双刃剑”辩论中，学生能引用课堂所学进行论证，表现出初步的辩证思维和社会关怀，但深度有待长期培养。

（二）核心环节有效性评估。1.导入环节：声景对比成功地制造了认知冲突，迅速将学生从“声音能被听见”的旧知引向“声音能被利用”的新域，驱动性问题有效激发了探究欲。2.任务一（归类）：从现象对比到概念提炼的过渡是关键。教学中发现，部分学生最初会用“有用处”、“帮我们忙”等模糊语言描述，此时教师追问“具体帮了什么忙？是告诉了我们消息还是亲自动手改变了东西？”至关重要，这帮助学生完成了从生活语言到科学语言的转换。3.任务三（能量感受）：音叉演示和“小锤子”类比起到了预期效果。有学生课后反馈：“原来‘能量’就是能让东西动起来的力量，超声波就像无数个小拳头在敲打。”这个朴素的理解恰恰抓住了本质。4.任务五（挑战赛）：时间稍显仓促。部分小组停留在想法阶段，未能充分展开设计。若时间允许，应预留更长时间用于小组讨论和方案细化，或将其与课后探究作业更紧密衔接。