基于乐器设计与制作的高中通用技术STEAM课程模式初探

【中图分类号】G633.67【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）46-0157-02

STEAM教育理念，可以解决技术教育、艺术教育与升学考试学科相结合的问题。目前的很多STEAM课程都是基于某一学科，其它学科为辅助进行的整合。作为一名通用技术教师，我要做的是多个学科并重的STEAM课程，让学生真正体会到“学以致用”，用系统的观点看问题。

在STEAM中，A看上去似乎只能起到锦上添花的作用。其实不然，A才是无处不在的精灵，S、T、E、M，每一项做到极致，都离不开A。

以往的A，大多是对项目进行美化，增强趣味性和表现力。本文将从乐器设计与制作的角度对STEAM课程进行探索。

一、Mathematics——音乐属于艺术范畴，但是它与数学知识密不可分。

我们可以听到的音高变化、不同音色，乐器的尺寸、音孔距离或琴弦长度，都和数学有着非常密切的关系。音符的频率，都可以通过数学公式计算出来。

音调的高低是由振动频率决定的。历史上有很多种计算音调的方法。比如三分损益律、纯律、五度相生律、十二平均律等。

现代西洋乐器，主要以十二平均律来定音。比如标准音A的频率为440Hz；中央C的频率为261.63Hz，如表1，八度音之间频率是2倍的关系……

十二平均律是指，将一组音按照等比数列的原理分成12个半音，公比为2。

二、Science——最直接的就是物理学、生物学。

高中物理学中机械振动和机械波是声学的基础。人声、乐器声，以及自然界的一切声音，都可以用振动和波的知识来研究。对于乐器来说，不同材料的振动不同，音色也不同；人的声带振动、人体的共鸣腔、以及人的听觉特性；自然界的风雨声、虫鸣声，都是物理学问题，同时也涉及生物学。在这里，我主要讨论声学乐器的物理学问题。

各种乐器，都是由于产生驻波而发声的。为得到最强的驻波，弦或管内空气柱的长度L必须等于半波长的整数倍，如图1。

根据发声体和发声方式不同，可将中国乐器分为：体鸣乐器、膜鸣乐器、气鸣乐器、弦鸣乐器等；西洋乐器分为：弦乐器、木管乐器、钢管乐器、键盘乐器、打击乐器等。

1）吉他属于弦振动乐器，它的发声过程是：手拨琴弦，琴弦振动，传给下马，再传给面板和共鸣箱，声音在共鸣箱内混合放大，通过音孔发出，如图2。

一般的吉他有6根弦。相同长度的情况下，弦越粗，音调越低；弦越细，音调越高。同一根弦，弦越长，音调越低；弦越短，音调越高。

吉他琴颈上的品丝，就是用来定音高的，而品丝的定位，又是通过数学方法计算出来的。

设弦总长L0，空弦频率f0，空弦波长λ0，品长ln，频率系数为k=2

可见，当弦长为空弦的一半时，频率变为原来的2倍，即定为12品，如表2。

同时，琴颈上的泛音标记，恰好是琴弦的1/2、1/3、1/4、1/5、1/6等的位置上。

2）其他乐器发声

像吉他一样，只要是有音高变化的乐器，往往在尺寸上都有变化。

管类乐器，由不同的激励方式带动管内空气柱振动，通过各种机件改变空气柱长度、振动强度和持续时间，来实现音高、声强、音长的变化。包括各类笙管笛箫、木管、铜管等，其中激励源有边棱、簧片、吹奏者的嘴唇。

风琴类乐器，将气流送入不同的发音孔，带动簧片振动发声。包括管风琴、口琴、脚踏风琴、手风琴……

打击类乐器，通过敲击发声。包括无确定音高的锣、大鼓、镲、响板等，和有确定音高的定音鼓、马林巴、钟琴、编钟等。

三、Technology——乐器演奏和乐器加工，都需要技术。

有的乐器是用单一材料制成的，有的则是用多种材料制成的零部件组成的。不同材料的加工工艺不同；不同时期、不同条件下，工艺水平也不同。比如皮革用刀、剪；木材用锯、锉；原来纯手工，现在手工加机械，甚至完全自动化。

通过技术操作，可以让学生掌握基本的工具使用方法，养成良好的操作、清理习惯，提高安全意识、节约意识，加强团队合作能力。

四、Engineer——乐器的设计、制作、检测等等，是一整套工程问题。

做任何一件事，都不像解物理、数学题那样单纯，即使题目中给你设置了一个非常复杂的情境，那终究还是一道题。而现实问题，往往是一项工程。需要考虑很多，比如研究原理，弄清现状，设计解决方案（包括草图、技术图样、人员分工、工具设备选择、工艺流程设计等），施工，评价改进等等。这些都有利于学生工程思维及领导力的提高。

五、Arts——乐器的艺术表达与展示。

在乐器的设计过程中，除了要满足原理、绘制图样、实现结构和功能之外，也要有漂亮的外观、关心历史文化，还要进行表演、汇报，留下文字、音像资料。其中表演仍是一个与艺术相关的工程问题，除了要演奏音乐，还要考虑表演者的服装、动作，舞台灯光、演员调度、乐器拾音……

综上所述，乐器的设计与制作，涉及大量的科学、技术、工程、人文藝术、数学方面的知识与能力的培养，是综合度非常高的STEAM理念下的教学载体。它的作用体现在：

1）将多门学科的知识落实到应用上，让学生体会到知识是有用的，从而增强学习知识的动力，提高学习兴趣；2）让学生体会到现实世界的复杂性、综合性、有趣性和合理性；3）增强学生的合作能力、表达能力、创造力；4）展现学生的个性。

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