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爱文的整合科学——第三篇:将理念付诸实践

作者| 爱文世界学校全球科学学术主任 Mike Maccarone

在这个系列的第一篇和第二篇里,我给大家描述了我们如何重新设计爱文高中部的科学课程,从而使之符合 21 世纪新的科学教育思路。我们的方法是模糊生物学、化学和物理学等学科之间的传统界限,旨在鼓励学生通过全面的、实践式的、基于项目的学习方法思考重要的科学问题。这个星期,我将给大家介绍我们九年级的学生,他们在学习波和通信的科学知识后成功完成的一个项目,由此来说明我们采用的这一教学方法的好处。

2015 年 1 月,九年级的第二个学期,学生开始挑战波和通信这一单元的内容。这一单元旨在研究学生生活中最重要的设备,即手机的里里外外。首先,我们通过打造一个简单的扬声器学习了波和波动的相关知识。学生将扬声器的频率降低到使他们能够观察其物理运动(一种叫做“简谐运动”的反复循环)的程度,然后用他们的身体和运动探测器模仿了这一物理运动本身。学生们用身体呈现了声波的性质,他们在走廊里面以不同的速度来来回回,并用一个叫做 Graphical Analysis 的应用在 iPad 上画出他们的运动曲线。结果——可能你并不会感到意外——正是我们通常认为的波的形状(更确切的说,是正弦波)。

接下来就是观察更多实际生活中声波的例子。学生用一个免费的音频剪辑软件 Audacity 来记录学校周边各种有趣的声音。我们观察了很多声音的波形图像——从各种乐器到学生讲话的声音, 再到课间过道里的嘈杂声。有了这些声波的清晰图像,学生就能够看出是什么使钢琴的声音区别于吉他的声音,即使它们演奏的是同一个音符。这些声波内含非常复杂、信息丰富,但我们却看得见、看得明白。学生们对此兴奋不已。

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利用 Audacity,学生们可以看到很多声音的波形图像。

接着,从物理介质转向更现代的通信方式,学生将他们的注意力放在了电子产品上。他们在面包板上制作了简单的电路(同时学习有关基本的电路组件和性质的知识)并给他们的设备安装了一个简单的麦克风。将一个基本的扬声器接入他们的耳机后,学生就能够通过他们的电路给对方发送语言信号。他们用 iPad 应用软件观察他们发送语言信号时的电流变化,并将其跟 Audacity 的语音信号进行了比较。结果让人兴奋的是:这些波有着同样的形状,但是电流看似总是在前进的。(通过观察学生们发现,电流的波是由流动率造成的,而不是由反复运动造成的。)

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学生在面包板上制作了简单的电路并给他们的设备安装了一个简单的麦克风。

那声波是怎么转化成电波的呢?麦克风及其神秘的特质就成为了我们的下一个研究对象。学生们通过螺线管(铜线线圈)和简易磁铁来学习电磁感应现象。通过给他们的线圈施加直流电和交流电,并测试小磁铁和指南针的反应,学生们发现了电流和磁场之间的特殊关系。他们用这些线圈、一块小磁铁和一些简单的塑料或纸片打造了简易的扬声器,他们发现在这些线圈周围和里面应用更强的磁铁(改变磁场)使线圈中产生了电流。因此,学生能够用简单的实验设备打造和测量扬声器和麦克风的表现,并将这一知识应用在他们的声音模型上。现在他们可以用两个螺线管当发射器和接收器来更远距离地传送他们的声音。这便又带领我们进入了对电磁波谱的研究。

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知道了电磁波有很多种形式后——无线电波、红外线、可见光等,学生又要开始应对一个新的挑战。怎样才能使麦克风的信号进行更远距离的传播?学生们用了线圈、LED 灯泡和感光器来打造信号发射器。不过他们遇到了一个通信行业的常见问题,即这些设备只在短距离内可行。他们发送简单信号的成功率更高。另外,观察某一信号的开/关状态要比测量波形本身容易得多。这个开/关信息系统有其优势,我们所有的通信设备所依赖的二进制系统就是依赖这些类似的属性。这是学生要解决的最后一个难题。

在很快地学习了数码信号和二进制编码后,学生们终于能够设计一个可以给他们房间对面的团队成员发送和接收信息的系统了。他们利用了二进制对数字、字母和像素进行编码,从而来发送文字甚至图片。他们的最终作业是发送和接收一条文字信息,并解释这些信号是如何从最初的原始“手机”一步一步过来的。

六个星期的学习让学生认识了声波和光波、交流和直流电路、电磁感应,以及模拟和数字信号。他们的毅力、决心和设计让大家佩服。毫无疑问,在这单元的学习结束后,当他们再次拿起自己的苹果手机时,他们明白了其中的原理。

我们希望九年级的学生跟老师一样在做这个项目时乐在其中。有些时候,我们对他们提出了比我们想象还要高的要求,而他们也欣然接受了挑战。每个老师都希望他的学生能将课堂中所学的东西带到以后的人生中去。我们坚信这些学生不会像许多他们的同龄人一样可能对这一现代技术的运作机制一问三不知。他们却通过这堂课对这些神奇的通信设备背后的科学有了更深的理解。

这是有关爱文整合科学的系列文章的第三篇。回到第一篇第二篇

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