声的利用：从原理到创新的跨学科探索与问题解决

声的利用：从原理到创新的跨学科探索与问题解决一、教学内容分析

本节内容隶属于初中物理“声现象”模块，是学生在学习了声音的产生、传播与特性之后，对声学知识的一次综合性、应用性升华。从《义务教育物理课程标准（2022年版）》看，本节对应“物质的运动与相互作用”主题下的要求，强调“了解声在现代技术中的应用”，其教学目标已从对声现象本身的认知，转向对声学原理应用价值的理解与对科学技术与社会关系（STS）的初步体认。知识层面，核心在于引导学生建构起“声能传递信息”与“声能传递能量”两大应用范畴的清晰认知框架，并能辨析具体实例所属的原理类别。过程方法上，课标隐含了“科学探究”与“工程实践”的线索，教学中需转化为引导学生通过实例分析、原理推理、简易模型讨论等方式，体验从物理原理到技术应用的思维跨越。素养价值上，本课是培育“科学态度与责任”的优质载体，通过展示声呐定位、B超诊断、超声清洗等实例，让学生感受物理知识如何转化为服务社会、增进福祉的生产力，同时通过对次声危害等内容的探讨，引导其形成辩证看待科技应用的科学价值观。

从学情角度看，八年级学生已具备声音是由物体振动产生、需要介质传播以及声音具有三大特性等前概念，对“声音有什么用”抱有天然的好奇。然而，他们的认知多停留在“听”的层面，对于声音作为一种“波”所承载的“信息”与“能量”这两大抽象功能属性缺乏清晰界定，容易混淆。例如，学生可能直觉认为B超和超声碎石都是因为“声音大”，而难以从“成像信息”与“破碎能量”的本质区别去理解。因此，教学的关键障碍在于帮助学生完成从生活经验到物理原理的抽象，并建立分类模型。基于此，教学需设计丰富的、对比鲜明的实例和探究活动，创设认知冲突（如“同样用超声波，为什么一个用来‘看’，一个用来‘打碎’？”），并辅以可视化手段（如示波器模拟信号）和分层任务单，让不同思维层次的学生都能找到理解的支点，在观察、讨论、论证中自主建构知识体系。二、教学目标

知识目标：学生能够准确阐述声传递信息与声传递能量的基本原理，并以此为依据，对B超、声呐、超声清洗、回声定位等多种声应用实例进行正确分类与原理简述；能列举次声波与超声波的特性和典型应用（或危害），理解声的利用具有双重性。

能力目标：通过分析复杂生活与科技情境，学生能够提取关键物理信息，运用比较、分类、推理等科学方法，辨析现象背后的核心物理原理（信息传递或能量传递），并尝试进行简单的原理性解释或设计思路阐述，提升科学论证与模型建构能力。

情感态度与价值观目标：学生在学习过程中，能感受到物理知识与技术应用的紧密联系，激发探索未知的兴趣；在小组讨论与案例分析中，能认识到科学技术是一把双刃剑，初步形成安全、合理利用声技术的意识与社会责任感。

科学思维目标：重点发展学生的“模型建构”与“科学推理”思维。通过建立“声的利用”二元分类模型，并运用该模型去分析和预测新情境，使学生体验如何用简明的物理模型去理解和组织复杂的现实世界，并在此过程中进行基于证据的逻辑推理。

评价与元认知目标：在课堂巩固与小结环节，引导学生使用教师提供的“原理实例”对应自查表，评估自己对两类应用的理解是否清晰；鼓励学生在完成分层任务后，反思自己解决问题时是更依赖记忆还是逻辑分析，从而提升对自身学习策略的监控意识。三、教学重点与难点

教学重点：声在传递信息和传递能量两方面的应用原理及实例辨析。确立依据在于，这是课标明确要求的核心知识，是理解一切声技术应用的逻辑起点，构成了本课乃至整个声现象单元的“大概念”。从中考命题趋势看，将具体科技、生活情境与这两大原理进行关联辨析，是考查学生物理观念与应用能力的常见题型与高频考点。

教学难点：理解“声能传递能量”的原理及其在具体技术（如超声清洗、碎石）中的实现方式。难点成因在于，“能量”本身是一个抽象概念，学生难以直观感知声波所携带的能量如何做功。同时，超声波频率高、能量集中的特点超出了学生的日常听觉经验，构成了认知跨度。预设的突破方向是：利用可视化实验（如用超声波雾化器制造水雾）将能量作用效果显性化，并通过类比（如用石子投入水中激起波浪类比能量传递）搭建认知脚手架，降低思维难度。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含声呐探测、B超检查、超声清洗、次声波危害等音视频素材）；示波器及信号发生器（用于演示声波信号）；超声波雾化器、小型水槽及染料；音叉、乒乓球（用于能量实验）。1.2学习资料：分层学习任务单（含基础辨析题、情境应用题和拓展探究题）；“声的利用原理”分类卡片（学生活动用）。2.学生准备

预习教材，搜集一例自己感兴趣的声利用现象（不限课本），并尝试思考其原理；常规文具。3.环境准备

教室桌椅调整为46人小组合作式布局；黑板预先划分出“信息区”与“能量区”两大板块。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与冲突引发1.1播放两段短视频：第一段，医生利用B超为孕妇进行产检，屏幕显示胎儿图像；第二段，工程师利用超声波清洗机精密清洗布满油污的机械齿轮。1.2教师设问：“同学们，这两段视频中都用到了‘超声波’。请大家仔细观察并思考：它们利用声音的目的相同吗？B超似乎是用声音来‘看’，而清洗机是用声音来‘洗’。这听起来是不是有点矛盾？声音究竟是如何被我们‘利用’起来的呢？”（口语化表达：大家看，老师手里的眼镜，用这个小机器‘震一震’就干净了，神奇吧？这和咱们用耳朵‘听’声音是一回事吗？）2.核心问题提出与路径规划2.1基于学生初步的困惑与讨论，提炼出本节课的核心驱动问题：“声音，除了能被我们听见，还能如何被利用？其背后的物理原理有何不同？”2.2向学生简要勾勒探索路径：“今天，我们就化身‘声学侦探’，一起揭开声音利用的奥秘。我们将首先从大家熟悉的例子出发，给声音的‘本领’分分类；然后通过实验和推理，看清这两类本领背后的物理原理；最后，我们将用这些原理去解读更广阔的世界，甚至尝试设计我们自己的‘声音应用’。”第二、新授环节

本环节采用支架式教学，通过一系列递进任务，引导学生主动建构知识体系。任务一：初探声之“用”——现象搜集与初步分类教师活动：首先邀请23位学生分享课前搜集的声利用实例（如倒车雷达、地震波探矿、超声波牙刷等），并将其关键词板书。接着，教师引导学生观察黑板上的所有实例（包括导入案例），并提出引导性问题：“这些利用声音的事例，目的千差万别。我们能不能根据它们最主要的目的，尝试进行一个粗略的分类？比如，哪些主要是为了获取某种‘信息’？哪些主要是为了利用声音产生的某种‘效果’或‘作用’？”（口语化表达：来，开动你们的“最强大脑”，给这些声音的“工作”分分组。想想看，蝙蝠用回声定位，是为了知道前面有墙；医生用听诊器，是为了知道你的心肺在说什么“悄悄话”，这归为一类，合理吗？）学生活动：小组讨论，对教师提供的实例卡片（含图文）进行分类，并初步尝试说明分类理由。派代表将卡片贴到黑板预设的“信息区”或“能量区”，并作简要陈述。即时评价标准：1.分类是否基于实例的核心目的（获取信息/产生作用）。2.陈述观点时，是否能结合实例的具体情境进行说明，而非简单贴标签。3.小组讨论时，成员能否倾听并回应他人观点。形成知识、思维、方法清单：★1.声的利用两大范畴：声音可以传递信息；声音可以传递能量。这是本课最核心的分类框架，是后续所有学习的基石。▲2.实例的初步归类：如回声定位、B超、听诊器、声呐等可初步归入“传递信息”；超声清洗、超声碎石、超声波焊接等可初步归入“传递能量”。此阶段归类允许存在模糊和争议，关键在引发思考。●3.科学方法：分类法。根据事物的共同点和差异点，将其区分为不同种类。任务二：深究声之“理”（上）——信息传递的原理剖析教师活动：聚焦“信息区”实例。以声呐为例，动态图示展示声波发射、遇到障碍物反射、接收回波的过程。提问：“声呐是如何知道海底深度的？它‘读出’的信息究竟是什么？”引导学生关注“回波”这一关键。进而追问：“B超检查时，探头既发射也接收超声波，它接收的‘回声’和声呐接收的‘回波’，本质上是同样的东西吗？我们人耳听到的‘回声’呢？”（口语化表达：想象一下，你对着山谷大喊一声，山谷“回答”了你。这声“回答”里，就藏着山谷距离你的“信息”。声呐和B超，就是超级灵敏的“耳朵”，能听懂回声里的“秘密”。）学生活动：观察动画，思考并讨论。通过对比分析，理解无论是声呐的回波、B超的回声还是人耳听到的回声，其本质都是反射回来的声波，其中包含了关于障碍物距离、形状、性质等的信息。尝试用“发射反射接收分析”的模型来描述声信息传递的一般过程。即时评价标准：1.能否准确指出“反射回来的声波（回波/回声）”是信息载体。2.能否用简练的语言描述声信息传递的基本过程模型。3.能否辨析不同实例（如声呐测距与B超成像）在信息处理复杂度上的差异。形成知识、思维、方法清单：★4.声传递信息的原理：利用声波（包括可听声、超声波、次声波）的反射、接收与分析，来获取关于声源或反射体的信息。★5.关键概念：回声定位。通过计算发射波与接收回波的时间差，结合声速，可以确定目标的位置和距离。这是声呐、倒车雷达等技术的核心原理。●6.思维提升：模型化思想。将复杂的科技应用（如B超）简化为“发射反射接收”的物理模型，有助于抓住本质。任务三：深究声之“理”（下）——能量传递的原理验证教师活动：转向“能量区”实例。首先设问：“如果说传递信息是利用了声音的‘内容’，那传递能量利用了声音的什么？”引发学生对“声能”的思考。接着进行演示实验：用发声的音叉轻触静止的乒乓球，乒乓球被弹开；或者使用超声波雾化器，观察其将水（加入染料便于观察）激成微小水雾。提问：“你观察到了什么？这说明了声波具有什么？”（口语化表达：看，音叉一响，乒乓球就被“推”跑了！声音虽然看不见摸不着，但它确实带着“力气”呢。别急，咱们做个实验，让声音‘现原形’。大家看这个雾，就是超声波的能量把水“打散”变成的！）引导学生将观察到的“物体被驱动”、“状态被改变”等现象与“能量”、“做功”建立联系。学生活动：观察演示实验，描述现象（音叉使乒乓球振动、超声波将水“打”成雾）。通过现象分析，得出结论：声波（特别是频率高、能量更集中的超声波）具有能量，可以传递给其他物体并使其发生状态或位置的变化。尝试解释超声清洗和碎石的基本思路：利用高强度超声波的能量，使污物脱落或使结石碎裂。即时评价标准：1.能否从实验中观察到声波导致物体状态改变的证据。2.能否用“声波具有能量”、“能量可以做功”来解释观察到的现象。3.能否区分“能量传递”与“信息传递”在目的和效果上的根本不同（一个是改变物体，一个是了解物体）。形成知识、思维、方法清单：★7.声传递能量的原理：声波（尤其是超声波）在传播时具有能量，当它作用于物体时，可以将能量传递给物体，从而对物体产生影响（如清洗、破碎、雾化）。★8.超声波的特点与应用优势：频率高、方向性好、能量易于集中。这些特性使其在能量传递应用中（如清洗、焊接、加工）效率更高、更精准。▲9.易错点辨析：声传递信息时，关注的是反射波携带的“信息”（如时间差、波形变化），通常不希望改变被测物体；声传递能量时，关注的是声波本身携带的“能量”对目标物体的“作用效果”，目的就是改变它。任务四：模型应用与拓展——次声波与超声波教师活动：在学生已建立两类应用模型的基础上，引入次声波与超声波的概念。提问：“我们人耳听不到次声波和超声波，那它们能被利用吗？依据我们刚学的模型，猜猜它们可能被用在哪些方面？”展示次声波在预测地震、台风等方面的应用，以及其在一定强度下对人体、建筑的危害性资料。强调：“听不见，不代表不存在，更不代表没有用或没有害。”（口语化表达：我们的耳朵像一台限定频率的收音机，听不到“低音炮”次声波，也收不到“海豚音”超声波。但大自然和科学家们可没闲着，次声波能预测千里之外的海啸，超声波能钻进金属内部做“体检”，厉害吧？但也要记住，力量大的次声波，可是会伤人的。）学生活动：运用“信息传递”和“能量传递”模型，对教师提供的关于次声波和超声波的图文资料进行分析和讨论。例如，判断地震次声波预测属于“信息传递”，而强次声波武器则属于“能量传递”。认识到声的利用具有两面性。即时评价标准：1.能否将新概念（次声波、超声波）与已建立的分类模型进行有效关联。2.能否辩证地看待声技术的应用，认识到其利弊共存。3.讨论中，能否引用实例来支持自己的观点。形成知识、思维、方法清单：★10.超声波与次声波：频率高于20000Hz的声波叫超声波，低于20Hz的声波叫次声波，人耳均听不见。★11.声波的应用具有双重性：一方面可以服务生活与科研（如B超诊断、声呐导航、超声清洗），另一方面也可能造成危害（如噪声污染、强次声波损伤人体）。●12.学科思想：STS（科学、技术、社会）观念。物理知识的应用深刻地影响社会，同时社会需求也推动科技发展；应用科技时需考量其伦理与社会影响。任务五：综合辨析与模型巩固教师活动：呈现一组综合性的、略有迷惑性的生活与科技实例（如：①利用超声波测速仪抓拍超速；②超声波牙刷清洁牙齿；③利用声波振动筛筛选物料；④“听漏工”用听音杆检测地下水管泄漏），要求学生进行小组竞赛，快速判断其原理类别，并简要阐明理由。教师巡视，针对典型错误或争议点进行即时点拨。（口语化表达：终极挑战来了！这里有几个“声学谜题”，看看哪个小组的火眼金睛能最快最准地看穿它们的本质！记住，抓住它的“根本目的”——是为了“知道”什么，还是为了“改变”什么？）学生活动：以小组为单位，进行快速判断与理由陈述。组内可能产生分歧，需要通过讨论达成一致或明晰分歧点。这是一个运用模型解决实际问题的快速演练过程。即时评价标准：1.判断的准确性。2.理由阐述是否紧扣“信息传递”或“能量传递”的核心目的与作用机制。3.小组合作效率与问题解决策略。形成知识、思维、方法清单：●13.模型应用策略：在分析复杂实例时，抓住其“最终目的”和“核心作用机制”是进行准确分类的关键。例如，超声波测速仪最终是为了获得“速度”这一信息，故属于信息传递；超声波牙刷是为了清洁（改变牙齿表面状态），故属于能量传递。▲14.复杂实例辨析：有些技术可能复合了两种原理，但通常有一个主导原理。本阶段学习要求能辨析主导原理。第三、当堂巩固训练

基础层（全体必做）：1.判断：下列应用中，主要利用声传递信息的是（），主要利用声传递能量的是（）。A.中医“望闻问切”中的“闻”B.超声波清洗眼镜C.利用声呐探测鱼群D.广场舞的音响震得窗户嗡嗡响。2.简述超声波和次声波的定义，各举一例应用。

综合层（多数学生挑战）：3.阅读材料：某些动物（如大象）可以利用次声波进行远距离交流，而强次声波会使人体器官产生共振，造成伤害。请运用本节所学知识分析：(1)大象的次声波交流属于声的哪方面利用？(2)为什么强次声波会造成伤害？这体现了声的哪方面特性？4.请设计一个简易的方案，说明如何利用声音来检测一个封闭空心金属球内部是否有裂纹（只需写出思路）。

挑战层（学有余力选做）：5.思考与讨论：有一种“声波灭火器”专利，宣称可利用特定频率的声波隔绝氧气实现灭火。从“声传递能量”的角度，评价这一设想可能的科学依据与现实挑战。

反馈机制：基础层题目通过全班齐答或随机点名快速核对，针对共性疑惑（如D选项的归类）重点讲解。综合层题目采用小组互评，教师公布参考答案要点，小组间交换批改并讨论。挑战层题目不设标准答案，邀请有想法的学生分享观点，教师进行点评和鼓励，旨在开阔思维。第四、课堂小结

引导学生进行自主结构化总结。邀请学生用一句话概括本节课最大的收获。教师随后展示本课的核心知识结构图（以“声的利用”为根，分出“传递信息”和“传递能量”两大主干，并挂接典型实例、原理关键词和思维方法）。（口语化表达：好了，各位“声学侦探”，任务完成得怎么样？现在，请大家在心里画一张属于你自己的“声音超能力地图”，看看这两大本领，你能不能清晰地标出它们的原理和“代表作”？）

作业布置：1.基础性作业（必做）：完成同步练习册本节基础习题；整理本节课笔记，绘制简易的思维导图。2.拓展性作业（建议完成）：选择一种课本之外的声利用技术（如超声波指纹识别、声悬浮技术等），查阅资料，用简短的文字说明其原理，并判断其属于哪类应用。3.探究性作业（选做）：以小组为单位，构思一个利用声音（可听声、超声波或次声波）解决一个实际生活小难题的“金点子”，并简要说明设计思路和原理（形式不限，可文字、可草图）。下节课前5分钟进行“金点子”快闪分享。六、作业设计基础性作业1.梳理并熟记声的利用的两大基本方向及其核心原理。2.完成教材课后练习第13题，巩固对常见声利用实例的分类判断。3.列举三种利用声传递信息的实例和两种利用声传递能量的实例，并各用一句话简述其原理。拓展性作业4.情境应用题：阅读一篇关于“主动降噪耳机”工作原理的科普短文（教师提供），分析其工作过程中涉及了声音的哪些特性（如反射、干涉）和利用方式（传递信息/能量），并写一份简要的分析报告（200字以内）。5.微型项目：“我是科普小作家”。选择一种你认为最有趣的声利用技术（如蝙蝠的回声定位、海豚的声呐系统、超声导盲仪等），制作一份图文并茂的科普小报或PPT（不超过3页），向家人或同学介绍它。探究性/创造性作业6.开放探究：查阅资料，了解“声致发光”现象。试从能量角度，提出一个你认为合理的猜想，来解释声音为何能导致液体中产生微弱的光。并与同学或老师交流你的猜想。7.创意设计：假设你是一名未来城市的规划师，请你提出一个在城市的某个公共空间（如公园、图书馆、交通枢纽）创新性地应用声学原理（如利用声音控制灯光、利用特定声景改善环境等）的方案草案，并阐述其设计理念与预期的社会效益。七、本节知识清单及拓展★1.声的利用两大基本方式：声可以传递信息；声可以传递能量。这是统领全节的核心分类框架。★2.声传递信息的原理：利用声波（包括其反射、接收与分析）来获取关于声源、障碍物或介质的信息。关键在于对“回波/回声”的解读。★3.声传递能量的原理：声波在传播过程中具有能量，能够对其他物体做功，从而改变物体的状态（如清洗、破碎、雾化）。★4.回声定位：通过主动发出声波并接收其回波，根据时间差和声速测算距离、判断方位的技术。是声呐、蝙蝠导航等的核心。★5.超声波：频率高于20000Hz的声波。特点：方向性好、穿透能力强、能量易于集中。应用：B超、超声清洗、超声焊接、声呐等。★6.次声波：频率低于20Hz的声波。特点：传播距离远、不易衰减、能绕过障碍物。应用：预测地震、台风；危害：强次声波对人体健康有害。●7.实例辨析关键：判断一个应用属于“传递信息”还是“传递能量”，主要看其根本目的是为了“知晓/探测”还是为了“改变/作用”。例如，超声测厚是为了“知晓”厚度（信息），超声清洗是为了“清除”污物（能量）。▲8.B超成像：属于声传递信息的高级应用。探头向人体发射超声波，超声波在不同组织界面发生反射，接收器接收这些回声，经计算机处理形成图像。反映的是组织形态的“信息”。▲9.超声碎石：属于声传递能量的典型应用。将高能超声波聚焦于体内结石，利用声波的能量使结石剧烈振动、碎裂。目的是“改变”（破碎）结石。●10.声与能量：声音是由物体振动产生的，振动的物体具有能量，因此声波本质上是一种能量传递的形式。这是理解声能应用的基础。▲11.噪声也有能量：从物理角度看，噪声是发声体做无规则振动时发出的声音，同样具有能量。噪声控制（如消声器）部分原理就是通过吸收、反射等方式耗散或改变这些声能的传播。●12.声速的利用：在声传递信息（如测距）的应用中，必须已知声在介质中的传播速度，利用公式s=vt/2进行计算。提示：注意区分发声体到障碍物的距离与声波传播路程。▲13.多普勒效应（拓展）：当声源与观察者相对运动时，接收到的声音频率会发生变化。此原理应用于医学（彩超血流测速）、交通（雷达测速枪）等领域，是声传递信息的深化。●14.物理思想：模型法。将复杂的实际问题（如声呐探测）抽象、简化为理想的物理模型（发射反射接收），是科学研究的重要方法。●15.学科观念：STS观念。声的利用深刻体现了科学、技术、社会的相互影响。技术的进步源于对科学原理的深入理解（如对超声波特性的研究），同时又极大地推动了医疗、军事、工业等领域的发展。▲16.跨学科联系：生物学。许多生物（如蝙蝠、海豚）天生具备精妙的回声定位系统，这是仿生学的重要研究对象，体现了物理原理在生命世界中的体现。▲17.跨学科联系：工程技术。任何一项声学技术应用（如设计一个声呐系统），都需要综合考虑物理原理、材料科学、电子电路、信号处理等多方面知识，是系统工程。●18.易错警示：不能仅凭“是否使用了超声波”来判断应用类别。超声波既可以用于传递信息（B超），也可以用于传递能量（清洗）。▲19.前沿拓展：声悬浮技术。利用高强度声波产生的声辐射力，可以克服重力，使小型物体（如水滴、小颗粒）稳定悬浮在空中。这是声传递能量的一种奇妙体现，可用于无容器材料制备等研究。●20.安全与伦理：在关注声技术带来的便利时，也需警惕其潜在风险，如高强度超声波可能对人体组织造成损伤，强次声波武器被国际公约限制使用。合理、安全、合乎伦理地利用科学技术，是每个公民应具备的素养。八、教学反思

（一）目标达成度评估：从当堂巩固训练的反馈来看，绝大多数学生能准确完成基础层的分类判断题，表明“声的利用两大范畴”这一核心知识目标基本达成。综合层材料分析题，约70%的学生能完整、准确地运用原理进行解释，显示出一定的迁移应用能力。挑战层讨论虽参与面不广，但点燃了部分学生的深度思考兴趣，实现了对资优生的思维拉升。情感目标在关于次声波危害的讨论中有所体现，学生能自发提及“要合理利用科技”。元认知目标通过小结时的自查环节初步渗透，但如何让学生更系统、更主动地反思学习策略，仍需在后续课程中加强引导。

（二）环节有效性剖析：1.导入环节：B超与清洗的对比视频成功制造了认知冲突，迅速抓住了学生的注意力，提出的核心问题贯穿了整个课堂，导向性明确。2.新授任务链：任务一（现象分类）到任务二、三（原理剖析）的过渡自然，符合从感性到理性、从具体到抽象的认知规律。任务四（次声波与超声波）的引入时机恰当，作为模型的应用与拓展，巩固了分类框架。任务五（综合辨析）有效地检验了模型的应用熟练度，小组竞赛形式激活了课堂氛围。（反思独白：那个用音叉弹开乒乓球的演示实验，虽然简单，但效果出奇的好，孩子们“哇”的一声，瞬间理解了“声能有力量”。下次可以准备更精细的