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）