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        關(guān)于聲音可視化實(shí)驗(yàn)的探討與自制教具設(shè)計(jì)

        2021-08-19 02:06:52王雄杰
        物理教學(xué)探討 2021年7期
        關(guān)鍵詞:自制教具實(shí)驗(yàn)教學(xué)

        王雄杰

        摘? ?要:筆者結(jié)合光學(xué)知識(shí),對(duì)聲現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了三次設(shè)計(jì)與改進(jìn),利用激光筆與橡皮膜將藍(lán)牙音箱的振動(dòng)可視化為跳動(dòng)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(shí)驗(yàn)效果,豐富了聲學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。自制教具的設(shè)計(jì)將科學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐,融入了教師的理解與思考,不僅可以有效提升教學(xué)效果,還能提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

        關(guān)鍵詞:聲音可視化;自制教具;設(shè)計(jì)與制作;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

        中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? 文章編號(hào):1003-6148(2021)7-0052-3

        科學(xué)教學(xué)始終離不開實(shí)驗(yàn)教學(xué),實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生科學(xué)觀念、科學(xué)思維的形成,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生假設(shè)、推理、驗(yàn)證的能力[1]。利用優(yōu)良的自制教具對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn),使實(shí)驗(yàn)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果,幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)的內(nèi)在邏輯。

        1? ? 聲現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)的缺陷

        在“聲音的產(chǎn)生與傳播”教學(xué)中,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(yáng)聲器或鼓面上撒碎紙屑”。

        它們的共同點(diǎn)都是利用放大法將振動(dòng)放大,從而達(dá)到了可視化的效果。但究其本質(zhì)只能算振動(dòng)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(gè)方面:

        (1)以乒乓球?yàn)槔古仪虻倪\(yùn)動(dòng)并非等同于音叉的實(shí)際振動(dòng),只是由于乒乓球受到了一個(gè)力而做單擺運(yùn)動(dòng),發(fā)聲的音叉僅提供一個(gè)初始的力。類似于蕩秋千,一方面“秋千”做單擺運(yùn)動(dòng)是因其受力,并非“手”在振動(dòng)。同理,在演示實(shí)驗(yàn)中也只能推理出乒乓球受力。另一方面, 乒乓球的振動(dòng)與音叉的振動(dòng)并不同頻,僅僅只能反映振動(dòng)的幅度(聲音的響度)。因此,直接進(jìn)行這樣“等效”不夠嚴(yán)謹(jǐn)。

        (2)無法體現(xiàn)出聲波中“波”的特性與波形,學(xué)生不能理解為什么聲音也是一種波,正如華師大版科學(xué)八下《教師教學(xué)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(xué)生想象出聲波的形成過程,會(huì)形成教學(xué)中的難點(diǎn)”[2],在介紹空氣傳聲時(shí)聲波類比成水波更是難以想象。

        在“聲音的特性”教學(xué)中,即使可以用示波器、話筒、擴(kuò)音器等現(xiàn)代設(shè)備進(jìn)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(fù)雜,學(xué)生無法深入理解波的成因,只能呈現(xiàn)一個(gè)結(jié)果,不符合提升科學(xué)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(dǎo)“壇壇罐罐當(dāng)儀器,拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”[3],自制教具是常規(guī)教具的重要補(bǔ)充。利用生活中的小物件進(jìn)行教具的開發(fā),一方面,實(shí)驗(yàn)器材取之于生活,用之于教學(xué),拉進(jìn)了生活與科學(xué)的距離,增加課堂的趣味性;另一方面,自制教具的設(shè)計(jì)符合“以學(xué)生為主體”和“提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與技術(shù)素養(yǎng)”的要求,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果,提升課堂效率。因此,本文就“聲音可視化”問題進(jìn)行自制教具的設(shè)計(jì)與制作。

        2? ? “聲音可視化”自制教具的設(shè)計(jì)與制作

        2.1? ? 設(shè)計(jì)與改進(jìn)原理

        筆者以“音叉觸擊乒乓球”演示實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行一系列的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

        方案一

        改進(jìn)方案:

        音叉上貼上平面鏡,利用光的反射將微小振動(dòng)放大,如圖2所示。

        優(yōu)點(diǎn):實(shí)驗(yàn)效果更明顯,且光斑的振動(dòng)與音叉振動(dòng)同步。

        缺點(diǎn):

        ①看不出波形;

        ②振動(dòng)方式單一(簡(jiǎn)單晃動(dòng));

        ③只能觀察到振幅隨響度的變化。

        針對(duì)方案一的優(yōu)點(diǎn)與存在的問題,緊接著進(jìn)行方案二的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

        方案二

        改進(jìn)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(lán)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(diǎn):

        ①將微小振動(dòng)放大,且光斑振動(dòng)與橡皮膜振動(dòng)同步;

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

        ③利用藍(lán)牙音箱改變音量,明顯反映出振幅與響度的關(guān)系,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果。

        缺點(diǎn):

        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(jìn)過程中受題目里“多面體棱鏡連續(xù)改變反射光方向進(jìn)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(dòng),還能運(yùn)動(dòng)起來,從而使聲波的波形可視化,完成最終自制教具設(shè)計(jì)(圖5)。

        改進(jìn)方法:

        由于人眼的視覺暫留原理,當(dāng)光斑移動(dòng)時(shí),前一個(gè)光斑的振動(dòng)圖像并不會(huì)消失,而要延續(xù)0.1~0.4 s的時(shí)間,從而我們可以看到一段時(shí)間內(nèi)光斑的振動(dòng),并按時(shí)間先后排列,將多面體棱鏡的轉(zhuǎn)速調(diào)在適當(dāng)?shù)姆秶覀兗纯煽吹竭B續(xù)的波形圖像,最終完成聲音的可視化。

        優(yōu)點(diǎn):

        ①光斑振動(dòng)與橡皮膜振動(dòng)(即聲源振動(dòng))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(shí)驗(yàn)效果直觀明顯。

        2.2? ? 實(shí)驗(yàn)器材

        激光筆、鐵架臺(tái)、塑料圓筒、橡皮膜、藍(lán)牙音箱、輕質(zhì)平面鏡、電動(dòng)機(jī)、八棱柱鐵架、塑料鏡、大號(hào)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(dòng)機(jī)上并水平放置,用鐵架臺(tái)固定激光筆,藍(lán)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(jī)連接藍(lán)牙音箱,播放音樂,觀察到墻上光斑的舞動(dòng)。

        (4)打開電動(dòng)機(jī)(圖8),帶動(dòng)八面體棱鏡旋轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至適當(dāng)?shù)姆秶^察到聲音完整的波形圖像。

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

        2.4? ? 實(shí)驗(yàn)效果呈現(xiàn)

        通過自制教具對(duì)聲音進(jìn)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(lán)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(duì)應(yīng)的振幅、頻率、圓滑程度的變化,學(xué)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(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

        除此之外,自制教具通過光學(xué)、聲學(xué)等原理對(duì)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn),將聲波可視化為優(yōu)美、變化的圖案,讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀,讓實(shí)驗(yàn)探究過程更有趣。利用手機(jī)、藍(lán)牙音箱等設(shè)備讓實(shí)驗(yàn)的操作手段更智能。

        3? ? 聲音可視化教具在教學(xué)中的應(yīng)用與展望

        該教具還可用于其他聲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。比如,在后續(xù)研究聲音的傳播條件時(shí),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(shí),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(jìn),豐富了聲學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(jìn)一步提升教學(xué)效果。

        4? ? 總結(jié)與思考

        深度實(shí)驗(yàn)不僅指向?qū)W習(xí)的深度、實(shí)驗(yàn)的深度,更是指向教與學(xué)的發(fā)展過程[4]。教師的“教”應(yīng)該是一個(gè)動(dòng)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(xué)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生帶來更好的體驗(yàn),讓學(xué)習(xí)在體驗(yàn)中發(fā)生。

        葉圣陶說教無常法,貴在得法。教師通過改進(jìn)或者自制教具融入自己更深入的理解與思考,將科學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐,不僅提升知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)效果,也提升了學(xué)生對(duì)科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣與創(chuàng)新意識(shí)的形成,實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)過程更是讓“發(fā)現(xiàn)問題”“應(yīng)用科學(xué)知識(shí)解決問題”潛移默化地深入課堂,深入學(xué)生的情感,提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

        參考文獻(xiàn):

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

        [2]袁運(yùn)開.科學(xué)八年級(jí)(下冊(cè))教師教學(xué)用書[M].上海:華東師范大學(xué)出版社,2013:2-3.

        [3]袁國(guó)道,邢海根.詮釋“壇壇罐罐當(dāng)儀器,拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”新意[J].物理教師,2007,28(03):39-40.

        [4]肖建華.學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理深度實(shí)驗(yàn)教學(xué)思考[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2017,47(06):12-15.

        (欄目編輯? ? 劉? ?榮)

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