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        關(guān)于聲音可視化實驗的探討與自制教具設計

        2021-08-19 02:06:52王雄杰
        物理教學探討 2021年7期
        關(guān)鍵詞:自制教具實驗教學

        王雄杰

        摘? ?要:筆者結(jié)合光學知識,對聲現(xiàn)象演示實驗進行了三次設計與改進,利用激光筆與橡皮膜將藍牙音箱的振動可視化為跳動的光斑,結(jié)合“旋轉(zhuǎn)的八面體棱鏡”與“視覺暫留原理”完成聲音波形的可視化,最終完成自制教具的制作,并呈現(xiàn)了自制教具的實驗效果,豐富了聲學領(lǐng)域的實驗教學方法。自制教具的設計將科學知識應用于實踐,融入了教師的理解與思考,不僅可以有效提升教學效果,還能提升學生的科學素養(yǎng)。

        關(guān)鍵詞:聲音可視化;自制教具;設計與制作;實驗教學

        中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2021)7-0052-3

        科學教學始終離不開實驗教學,實驗有助于學生科學觀念、科學思維的形成,進而培養(yǎng)學生假設、推理、驗證的能力[1]。利用優(yōu)良的自制教具對教材中的實驗進行改進,使實驗過程更有趣、操作更智能、現(xiàn)象更直觀,能較大程度地激發(fā)學生的學習興趣,增強實驗效果,幫助學生更好地理解知識的內(nèi)在邏輯。

        1? ? 聲現(xiàn)象演示實驗的缺陷

        在“聲音的產(chǎn)生與傳播”教學中,傳統(tǒng)的實驗方案大致有三類(圖1):“音叉觸擊乒乓球”“發(fā)聲的音叉放入水中”“揚聲器或鼓面上撒碎紙屑”。

        它們的共同點都是利用放大法將振動放大,從而達到了可視化的效果。但究其本質(zhì)只能算振動的可視化,而非聲音的可視化。

        其缺陷主要體現(xiàn)在以下兩個方面:

        (1)以乒乓球為例,乒乓球的運動并非等同于音叉的實際振動,只是由于乒乓球受到了一個力而做單擺運動,發(fā)聲的音叉僅提供一個初始的力。類似于蕩秋千,一方面“秋千”做單擺運動是因其受力,并非“手”在振動。同理,在演示實驗中也只能推理出乒乓球受力。另一方面, 乒乓球的振動與音叉的振動并不同頻,僅僅只能反映振動的幅度(聲音的響度)。因此,直接進行這樣“等效”不夠嚴謹。

        (2)無法體現(xiàn)出聲波中“波”的特性與波形,學生不能理解為什么聲音也是一種波,正如華師大版科學八下《教師教學用書》中提到“聲音是縱波,但空氣中的疏密程度無法直接看見,只靠分析講述,又難以使學生想象出聲波的形成過程,會形成教學中的難點”[2],在介紹空氣傳聲時聲波類比成水波更是難以想象。

        在“聲音的特性”教學中,即使可以用示波器、話筒、擴音器等現(xiàn)代設備進行聲音的可視化,看出“波”的特性與波形,但示波器的原理過于復雜,學生無法深入理解波的成因,只能呈現(xiàn)一個結(jié)果,不符合提升科學探究的要求。因此,以上方案的“可視化”是片面的、有缺陷的可視化。

        朱正元教授曾倡導“壇壇罐罐當儀器,拼拼湊湊做實驗”[3],自制教具是常規(guī)教具的重要補充。利用生活中的小物件進行教具的開發(fā),一方面,實驗器材取之于生活,用之于教學,拉進了生活與科學的距離,增加課堂的趣味性;另一方面,自制教具的設計符合“以學生為主體”和“提升學生科學素養(yǎng)與技術(shù)素養(yǎng)”的要求,增強實驗效果,提升課堂效率。因此,本文就“聲音可視化”問題進行自制教具的設計與制作。

        2? ? “聲音可視化”自制教具的設計與制作

        2.1? ? 設計與改進原理

        筆者以“音叉觸擊乒乓球”演示實驗為基礎進行一系列的設計與改進。

        方案一

        改進方案:

        音叉上貼上平面鏡,利用光的反射將微小振動放大,如圖2所示。

        優(yōu)點:實驗效果更明顯,且光斑的振動與音叉振動同步。

        缺點:

        ①看不出波形;

        ②振動方式單一(簡單晃動);

        ③只能觀察到振幅隨響度的變化。

        針對方案一的優(yōu)點與存在的問題,緊接著進行方案二的設計與改進。

        方案二

        改進方法:

        在兩端開口的塑料小圓柱的一端蒙上橡皮膜,中間貼一塊輕質(zhì)平面鏡,在圓柱體內(nèi)放一藍牙音箱作為聲源。另一側(cè)用激光筆照射,令其正好照在小平面鏡上,反射光落在墻上,如圖3所示。

        優(yōu)點:

        ①將微小振動放大,且光斑振動與橡皮膜振動同步;

        ②藍牙音箱中不同音色下的振動方式不同,呈現(xiàn)出不同的圖案(圖4);

        ③利用藍牙音箱改變音量,明顯反映出振幅與響度的關(guān)系,增強實驗效果。

        缺點:

        ①仍看不出波形;

        ②無法觀察到聲音的頻率。

        方案三

        在第三次改進過程中受題目里“多面體棱鏡連續(xù)改變反射光方向進行掃描”的啟發(fā),加入旋轉(zhuǎn)的多面體棱鏡讓光斑不單單與薄膜同步振動,還能運動起來,從而使聲波的波形可視化,完成最終自制教具設計(圖5)。

        改進方法:

        由于人眼的視覺暫留原理,當光斑移動時,前一個光斑的振動圖像并不會消失,而要延續(xù)0.1~0.4 s的時間,從而我們可以看到一段時間內(nèi)光斑的振動,并按時間先后排列,將多面體棱鏡的轉(zhuǎn)速調(diào)在適當?shù)姆秶?,我們即可看到連續(xù)的波形圖像,最終完成聲音的可視化。

        優(yōu)點:

        ①光斑振動與橡皮膜振動(即聲源振動)同步;

        ②能看到完整的聲音的波形;

        ③能體現(xiàn)出聲音的各種特性;

        ④實驗效果直觀明顯。

        2.2? ? 實驗器材

        激光筆、鐵架臺、塑料圓筒、橡皮膜、藍牙音箱、輕質(zhì)平面鏡、電動機、八棱柱鐵架、塑料鏡、大號蒸架(作底座)。

        2.3? ? 操作步驟

        (1)將八面體棱鏡(圖6)固定在電動機上并水平放置,用鐵架臺固定激光筆,藍牙音箱放入小圓鼓內(nèi)(圖7)。

        (2)打開激光筆,調(diào)節(jié)角度使激光照射到小圓鼓上平面鏡的中央,經(jīng)平面鏡反射后恰好射到八面體棱鏡上,再次反射后在墻上留下一光斑。

        (3)手機連接藍牙音箱,播放音樂,觀察到墻上光斑的舞動。

        (4)打開電動機(圖8),帶動八面體棱鏡旋轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至適當?shù)姆秶?,觀察到聲音完整的波形圖像。

        (5)調(diào)節(jié)藍牙音箱的響度與音樂的頻率,再次觀察波形的變化。

        2.4? ? 實驗效果呈現(xiàn)

        通過自制教具對聲音進行可視化,我們不光可以看到一條條優(yōu)美的波形,還可以通過控制藍牙音箱來改變聲音的響度、音調(diào)、音色等特性,在波形圖上找到對應的振幅、頻率、圓滑程度的變化,學生能從本質(zhì)上理解波的形成原因與波形圖的含義,為后續(xù)學習打下堅實的基礎。

        除此之外,自制教具通過光學、聲學等原理對演示實驗進行改進,將聲波可視化為優(yōu)美、變化的圖案,讓實驗現(xiàn)象更直觀,讓實驗探究過程更有趣。利用手機、藍牙音箱等設備讓實驗的操作手段更智能。

        3? ? 聲音可視化教具在教學中的應用與展望

        該教具還可用于其他聲學實驗教學中。比如,在后續(xù)研究聲音的傳播條件時,可將教具放置在密封玻璃罩內(nèi),抽干罩內(nèi)的空氣,觀察墻上波形圖的變化;在研究噪音與樂音時,可分別將噪音與樂音可視化,觀察兩者波形圖的區(qū)別。

        聲音可視化的改進,豐富了聲學領(lǐng)域的實驗教學方法,配合著其他各種教具,能創(chuàng)新出更多富有新意的想法,進一步提升教學效果。

        4? ? 總結(jié)與思考

        深度實驗不僅指向?qū)W習的深度、實驗的深度,更是指向教與學的發(fā)展過程[4]。教師的“教”應該是一個動態(tài)的發(fā)展過程,結(jié)合新技術(shù)、挖掘新素材,通過創(chuàng)新的科學實驗給學生帶來更好的體驗,讓學習在體驗中發(fā)生。

        葉圣陶說教無常法,貴在得法。教師通過改進或者自制教具融入自己更深入的理解與思考,將科學的知識應用于實踐,不僅提升知識點的教學效果,也提升了學生對科學學習的興趣與創(chuàng)新意識的形成,實驗的設計與改進過程更是讓“發(fā)現(xiàn)問題”“應用科學知識解決問題”潛移默化地深入課堂,深入學生的情感,提升學生的科學素養(yǎng)。

        參考文獻:

        [1]邢海根.改進聲音產(chǎn)生與傳播實驗,提升學生的物理核心素養(yǎng)[J].物理教學,2018,40(10):41-43.

        [2]袁運開.科學八年級(下冊)教師教學用書[M].上海:華東師范大學出版社,2013:2-3.

        [3]袁國道,邢海根.詮釋“壇壇罐罐當儀器,拼拼湊湊做實驗”新意[J].物理教師,2007,28(03):39-40.

        [4]肖建華.學科核心素養(yǎng)導向的物理深度實驗教學思考[J].中學物理教學參考,2017,47(06):12-15.

        (欄目編輯? ? 劉? ?榮)

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