劉 彬

(內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)培正中學(xué)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

1 引言

物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，學(xué)生通過觀察和實驗，在學(xué)習(xí)基本概念、基本規(guī)律的同時，更能提升科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，而物理實驗是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的主要途徑。

在聲音的特性中，音調(diào)和響度都是較為抽象的概念，學(xué)生對它們的理解存在很大的困難，對聲音的高低與聲音的大小很難區(qū)分，單純依靠教師的講解和大量的做題，只能教會學(xué)生做題，難以認(rèn)識聲音特性的本質(zhì)。筆者立足于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，既考慮學(xué)生掌握知識，又考慮培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從學(xué)生的好奇心入手，通過創(chuàng)新實驗，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了教學(xué)效果?！奥曇籼匦缘膶嶒灨倪M(jìn)與創(chuàng)新研究”在內(nèi)蒙古自治區(qū)實驗說課比賽中榮獲二等獎。

2 教材分析

聲音的特性是人教版八年級物理上冊《聲現(xiàn)象》這一章的核心內(nèi)容，學(xué)生在知道聲音產(chǎn)生和傳播的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究聲現(xiàn)象，音調(diào)與響度是本節(jié)教學(xué)的重點和難點。

為了探究音調(diào)與頻率的關(guān)系，教材安排了兩個演示實驗：一是通過改變鋼尺伸出桌面的長度來探究音調(diào)與物體振動快慢的關(guān)系，這個實驗取材方便，同時調(diào)動學(xué)生的聽覺和視覺，但作為演示實驗，可視度欠佳；二是通過敲擊不同頻率的音叉，并將聲音信號輸入示波器，觀察波形，分析它們的波形有何不同，該實驗的優(yōu)點是直觀形象，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，但也存在不足，不是所有的學(xué)校都配備示波器，學(xué)生對示波器呈現(xiàn)波形的原理也不清楚，示波器呈現(xiàn)的波形可視度也比較小。

對于響度與振幅的關(guān)系，教材是利用轉(zhuǎn)換法，將音叉的振動轉(zhuǎn)換為乒乓球被彈開的幅度。我們知道，乒乓球的振動并不等同于音叉的振動。能否將音叉的振動實時反映出來，將抽象的聲音的特性可視化？

3 實驗改進(jìn)與創(chuàng)新

3.1 實驗的改進(jìn)

學(xué)生對知識的理解少不了實驗，教師的演示實驗再精彩也替代不了學(xué)生親自動手操作。中學(xué)生正處于對事物充滿好奇和創(chuàng)新思維快速發(fā)展階段，他們喜歡動手操作，在初中物理教學(xué)中，教師要盡可能開展實驗活動，為學(xué)生提供展示自我的平臺，使學(xué)生在實踐中認(rèn)識、理解物理知識。

雖然鋼尺實驗作為演示實驗可視度較小，但不能因噎廢食，如果將鋼尺實驗改為學(xué)生分組實驗，讓學(xué)生自己動手探究音調(diào)與頻率、響度與振幅的關(guān)系，就可以解決可視度小的問題。需要注意的是，教師要引導(dǎo)學(xué)生掌握操作要領(lǐng)：在撥動鋼尺時，一定要用手指按壓住鋼尺與桌面邊緣接觸的位置，這樣避免鋼尺拍擊桌面發(fā)聲而影響實驗的效果；在探究響度與振幅的關(guān)系實驗時，鋼尺伸出桌面的長度不要過長，防止因頻率過低而得不出正確結(jié)論。

3.2 演示實驗教具創(chuàng)新

3.2.1 實驗器材

256 Hz、512 Hz音叉各一個(音叉?zhèn)让尜N有小鏡片)，兩把硬度完全相同的鋼尺，兩個塑膠球，紅、綠激光筆各一支，電動機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的四面鏡。

3.2.2 實驗原理及設(shè)計

實驗原理如圖1所示，用激光筆照射音叉上的小平面鏡，然后再次反射到四面鏡上，這時我們可以在屏幕上看見一個光點，敲擊音叉，我們可以看見光點上下振動，這時再將四面鏡旋轉(zhuǎn)起來，可以看到相當(dāng)于讓光點產(chǎn)生了一種橫向運(yùn)動的效果，這樣兩種運(yùn)動的疊加就看到了聲音的波形。

圖1

需要說明的是，將聲音的聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺緦嶒灢⒎鞘讋?chuàng)，從文獻(xiàn)上就可以查到聲音的特性教具和創(chuàng)新實驗。首先，已有研究中實驗用到八面鏡，八面鏡制作起來費(fèi)時費(fèi)力，非專業(yè)人員制作的裝置很難達(dá)到預(yù)期的效果，本實驗采用的是四面鏡，制作工藝相對簡單。其次，對于貼在音叉上的小平面鏡盡量選擇薄一點的，避免操作過程中波形衰減太快，不利于學(xué)生對實驗現(xiàn)象的觀察。再次，在已有文獻(xiàn)中，對音調(diào)與頻率的探究沒有嚴(yán)格做到控制變量，雖然敘述兩次用相同的力度敲擊，但在實際操作過程中的力度很難做到一致，這不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。其四，已有實驗研究中沒有同時出現(xiàn)兩個不同音調(diào)的波形，不能對比不同音調(diào)聲音的波形的差別。為了做到嚴(yán)格控制變量和同時對比波形圖，筆者進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，用兩把硬度和外觀完全相同的鋼尺，上端固定橡膠球，將鋼尺下端固定在共鳴箱上，且使鋼尺直立的長度一致，敲擊音叉時讓兩把鋼尺彎曲相同的角度，就可以做到敲擊兩支音叉的力度相同，實物裝置如圖2。最后，選擇電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不易過快也不易過慢，以每秒鐘一轉(zhuǎn)左右為宜，這樣呈現(xiàn)的波形很清楚。

圖2

3.2.3 實驗操作

為了讓學(xué)生區(qū)分不同頻率的音叉，這里用到了兩種不同顏色的激光筆。首先讓學(xué)生聆聽并辨別反射兩種不同顏色光的音叉發(fā)出聲音的音調(diào)高低。打開電動機(jī)電源驅(qū)動四面鏡，用相同的力度再次敲擊兩支音叉，就會發(fā)現(xiàn)屏幕上反射出兩種不同頻率音叉發(fā)出聲音的波形圖，學(xué)生能夠清晰地看出音調(diào)高的音叉發(fā)出聲音的波形更加密集(圖3)。

圖3

對于響度與振幅的關(guān)系，可以這樣探究，由于音叉振動的快慢實時反映在振動的波形上，我們可以敲擊一下音叉就會看到音叉振動的情況，隨著敲擊力度的減弱，聲音越來越弱，可以看見振幅越來越小，從而說明響度與振幅的關(guān)系。

4 教學(xué)設(shè)計

教師活動學(xué)生活動設(shè)計意圖 1. 音調(diào)與頻率引入:播放女高音和男低音的歌曲片段,聽起來有何區(qū)別?追問:聲音為何會有高低的區(qū)別?想想聲音是如何產(chǎn)生的?接下來通過實驗來探究音調(diào)與振動的關(guān)系。學(xué)生實驗:分組進(jìn)行鋼尺實驗,探究聲音高低與振動快慢的關(guān)系。 傾聽、思考后回答:聲音高低不同?；卮?聲音是由聲源的振動而產(chǎn)生。猜想聲音與振動的關(guān)系。 讓學(xué)生對聲音高低的區(qū)別有感性認(rèn)識。通過追問引發(fā)學(xué)生思考,溫故知新。鋼尺振動部分的長度鋼尺振動的快慢聲音的高低鋼尺全長的1/4鋼尺全長的1/2鋼尺全長的3/4提出問題:(1) 鋼尺伸出桌邊的長短跟振動快慢有什么關(guān)系?(2) 聲音高低跟振動快慢有什么關(guān)系?引入“頻率”概念,講解頻率的概念、單位、物理意義。初步得出音調(diào)與頻率有關(guān)的結(jié)論。假如聲音能夠“看得見”,那么它會是什么樣子?不同音調(diào)的聲音會有怎樣的區(qū)別?接下來看看演示實驗。簡單介紹實驗器材、實驗原理。先敲擊兩個不同頻率的音叉,引導(dǎo)學(xué)生觀看屏幕上兩個不同顏色的光點,請說出高低兩個不同的音叉分別對應(yīng)哪個顏色的激光筆。打開電動機(jī)開關(guān),驅(qū)動四面鏡旋轉(zhuǎn),用相同的力度敲擊音叉。觀看實驗時請大家思考以下問題:(1) 如何比較兩個聲音音調(diào)的高低?(2) 兩個聲音波形有什么區(qū)別?(3) 波形是如何反映音調(diào)高低的?2 響度與振幅聲音的大小與振動情況又有怎樣的關(guān)系?請同學(xué)們動手實驗,尋找答案。撥動鋼尺的力度振動幅度聲音大小較小力度較大力度實驗過程中,仍然要將桌子邊緣的鋼尺部分壓緊,控制變量,保證伸出桌邊的長度不變。演示實驗:探究響度與振幅的關(guān)系。提問:敲擊音叉,你聽到的聲音有何變化?看到的波形有何變化?能得出什么結(jié)論? 按照要求進(jìn)行分組實驗,并思考問題。得出結(jié)論:鋼尺伸出桌面的長度越長,鋼尺振動的越慢,音調(diào)越低。提出猜想。將音調(diào)高的音叉與紅色激光筆所發(fā)光束相對應(yīng),音調(diào)低的音叉與綠色激光筆所發(fā)光束相對應(yīng)。觀看實驗,回答問題:音調(diào)高的波形密集,頻率高;音調(diào)低的波形稀疏,頻率低。按要求分組實驗,初步感受到:振幅越大,響度越大;振幅越小,響度越小?；卮饐栴}:聽到的聲音越來越弱,看到波形的振幅越來越小。得出結(jié)論:聲音的振幅越大,響度越大。 激發(fā)學(xué)生的好奇心。為探究音調(diào)的影響因素做鋪墊。將看不見的聲音轉(zhuǎn)化為看得見的光跡,效果震撼。引領(lǐng)學(xué)生動手實驗,探究響度與振幅的關(guān)系。

5 結(jié)語

實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，它可以幫助學(xué)生對物理知識進(jìn)行驗證，同時提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。為使學(xué)生通過實驗養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，教師在設(shè)計實驗過程中必須嚴(yán)謹(jǐn)，不能敷衍了事。運(yùn)用演示實驗讓學(xué)生明白：要觀察什么？觀察到的現(xiàn)象說明了什么問題？設(shè)計的追問以及問題鏈都要符合學(xué)生的認(rèn)知特點。在學(xué)生分組實驗中要讓學(xué)生明確操作的要領(lǐng)，在教師的指導(dǎo)下放手讓學(xué)生探究。