摘? ?要：以聲音波形可視化的教學(xué)為例，通過對相關(guān)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)、優(yōu)化和創(chuàng)新，提高科學(xué)探究的信度、廣度、效度和深度，完成知識(shí)的建構(gòu)、內(nèi)化和升華，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；深度；可視化

“雙減”背景下“問、探、拓、矯”教學(xué)模式以立德樹人為根本導(dǎo)向，結(jié)合《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，對學(xué)生預(yù)期的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行思維層次分類，改進(jìn)教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生的價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。“問”指的是問題鏈：教師根據(jù)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備現(xiàn)狀和提出的問題，預(yù)設(shè)一組有中心、層層遞進(jìn)、相對獨(dú)立而又彼此關(guān)聯(lián)的問題鏈，喚醒學(xué)生記憶中碎片化的知識(shí)，完成知識(shí)的構(gòu)建、融合、應(yīng)用、創(chuàng)新，構(gòu)建思維型課堂，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維^{[ 1 ]}；“探”指的是實(shí)驗(yàn)探究：教師結(jié)合物理學(xué)發(fā)展史，重現(xiàn)科學(xué)家的探索歷程，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)探究方案，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的全過程，學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力、分析論證能力和用物理語言進(jìn)行精準(zhǔn)表述的能力；“拓”指的是創(chuàng)新性拓展：教師在新課結(jié)束后根據(jù)學(xué)生對知識(shí)的掌握情況，對學(xué)生的作業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新性拓展，設(shè)計(jì)家庭小實(shí)驗(yàn)、調(diào)查報(bào)告、研究性學(xué)習(xí)等，讓學(xué)生將自己課堂所學(xué)知識(shí)進(jìn)行深度加工，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力、與同伴有效合作能力、自我指導(dǎo)和反饋能力，同時(shí)有效地減輕學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)。“矯”指的是科學(xué)矯治：教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行診斷，判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)成果是否符合教學(xué)意向，采取補(bǔ)救性矯治措施，全面提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)?，F(xiàn)以聲音波形可視化的教學(xué)為例^{[ 2 ]}，探討如何通過有效的科學(xué)探究，進(jìn)行深度物理課堂教學(xué)，提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1? 挖掘探究內(nèi)容，思考科學(xué)探究信度

在滬科版八年級物理“聲音的特性”這一節(jié)課中，教材將音調(diào)的概念界定為發(fā)聲體振動(dòng)的快慢，并采用音調(diào)高低演示儀（如圖1所示）來說明音調(diào)與頻率的關(guān)系。三個(gè)齒數(shù)不同的同軸齒輪在飛輪的帶動(dòng)下以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，硬卡片分別與三個(gè)齒輪接觸，硬卡片振動(dòng)發(fā)聲，學(xué)生比較三次實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：齒數(shù)越多，卡片發(fā)出的聲音音調(diào)越高，音調(diào)的高低由振動(dòng)的快慢決定。由于卡片振動(dòng)較快，振動(dòng)的頻率無法定量測量，因此采用音調(diào)高低演示儀做演示實(shí)驗(yàn)，難以觀察清楚并得出準(zhǔn)確的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)效果不理想。

教師在教學(xué)過程中通常利用示波器將聲音的波形可視化，試圖通過讓學(xué)生觀察波形的疏密程度來加深的音調(diào)概念的理解。首先，輕敲音叉，讓學(xué)生聆聽音叉的聲音并觀察示波器里的波形（如圖2所示），隨著時(shí)間的推移，響度逐漸減弱，示波器上聲波的振幅減小，但音調(diào)不變，疏密程度不變；接著換用頻率不同的音叉再做一次實(shí)驗(yàn)。由此得出結(jié)論：音調(diào)的高低由頻率決定，與振幅無關(guān)。利用示波器教學(xué)將聲音的波形可視化，有助于學(xué)生對音調(diào)概念的理解，但也存在缺陷：學(xué)生難以理解聲音為什么可以轉(zhuǎn)化為波形；音叉的音量較小，學(xué)生對音叉的響度辨識(shí)不清。

以上兩種探究方案，科學(xué)探究的信度都有待提升。

2? 開拓自制教具，延伸科學(xué)探究的廣度

自制示波器的原理如圖3所示，通過紙杯和激光筆將人體的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，再通過旋轉(zhuǎn)的平面鏡將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為光的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行聽覺和視覺的同步展示。具體的制作過程如下。

（1）如圖4所示，用鐵絲和固定帽將激光筆固定在紙杯上，制成一個(gè)聲音收集器。接通激光筆電源，激光筆發(fā)射出激光，墻壁上出現(xiàn)一個(gè)光點(diǎn)。人體對著杯口發(fā)聲，紙杯發(fā)生振動(dòng)，激光筆也會(huì)跟著振動(dòng)，墻壁上的光點(diǎn)也隨之振動(dòng)。

（2）如圖5所示，將四塊平面鏡黏貼在長方體木塊的四個(gè)表面上，制成一個(gè)四面反光的立柱。將平面鏡立柱固定在轉(zhuǎn)速可調(diào)的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上。接通電源時(shí)，平面鏡立柱會(huì)隨著電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)一起勻速旋轉(zhuǎn)。

（3）將聲音收集器、平面鏡、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定在底座上（如圖5所示），接通激光筆和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的電源，激光筆發(fā)射的激光束照射到旋轉(zhuǎn)的平面鏡上發(fā)生反射，這時(shí)墻壁上出現(xiàn)一條平直的光線 （如圖6所示）。

（4）人體對著聲音收集器大聲發(fā)出“1（Do）”的聲音，墻壁上出現(xiàn)聲音的波形（如圖7所示）。

（5）控制人體發(fā)出的聲音響度相同，發(fā)出“5（so）”的聲音，可以在墻壁上觀察到波形的疏密程度不同，振幅相同。

自制示波器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲音的波形可視化，學(xué)生容易理解為什么聲音可以轉(zhuǎn)化為波形，也能深刻體會(huì)音調(diào)與頻率的關(guān)系。教學(xué)過程中可以邀請學(xué)生對著紙杯演唱歌曲，進(jìn)行聲音的采集，觀察自己聲音的波形，也可以在紙杯中植入揚(yáng)聲器，播放不同樂器的演奏，觀察不同樂器的聲音波形，延伸科學(xué)探究的廣度，提高科學(xué)探究的趣味性。

3? 使用數(shù)字技術(shù)，提高科學(xué)探究效度

與傳統(tǒng)的示波器相比，計(jì)算機(jī)操作更為簡單，功能也更加豐富。借助Audacity軟件，可以用計(jì)算機(jī)播放聲音并通過大屏幕展示聲音的波形，獲得的波形更加真實(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確。

（1）啟動(dòng)軟件，打開“生成單音”對話框（如圖8所示），輸入頻率200 Hz和振幅為1，單擊播放按鈕，就可以聽到這段聲音并在屏幕上觀察到所對應(yīng)的波形（如圖9所示）。

（2）將頻率調(diào)為400 Hz，振幅1，單擊播放按鈕，可以聽到聲音的響度不變，音調(diào)明顯變高。同時(shí)在屏幕上可以觀察到波形的振幅不變，但明顯變得密集許多（如圖10所示）。

（3）保持頻率400 Hz不變，振幅調(diào)整為0.5，單擊播放按鈕，可以聽到聲音的響度明顯減弱，但音調(diào)不變。同時(shí)在屏幕上可以觀察到波形的振幅變?yōu)樵瓉淼囊话?，但疏密程度不變（如圖11所示）。

使用數(shù)字媒介技術(shù)，可以獲取靜態(tài)的波形圖，學(xué)生能從圖像上獲取時(shí)間、振幅等關(guān)鍵信息^{[ 3 ]}。學(xué)生可以從圖像上計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)——聲波的頻率。有益于學(xué)生對頻率概念的理解，提高科學(xué)探究效度。

4? 創(chuàng)拓課后作業(yè)，提升科學(xué)探究深度

階段性課程結(jié)束后，要對學(xué)生的作業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新性拓展，讓學(xué)生將自己課堂所學(xué)知識(shí)進(jìn)行深度加工，延伸科學(xué)探究廣度。教師可提供相關(guān)器材，讓學(xué)生萌發(fā)出新的問題，自主設(shè)計(jì)科學(xué)探究方案，成為新問題的解決者，內(nèi)化和升華所學(xué)知識(shí)。培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力、與同伴有效合作能力、自我指導(dǎo)和反饋能力，同時(shí)有效地減輕學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)。

（1）教師提供線圈、磁鐵、靈敏電流計(jì)等讓學(xué)生自主探究。如圖12所示，將自制“聲音收集器”中的激光筆換成線圈，接入靈敏電流計(jì)，組成一個(gè)閉合回路。線圈的部分導(dǎo)體放在一個(gè)強(qiáng)磁場中。當(dāng)發(fā)聲體振動(dòng)時(shí)，線圈也會(huì)跟著振動(dòng)，線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流。通過靈敏電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)的快慢和角度，來驗(yàn)證音調(diào)和頻率的關(guān)系。若學(xué)生制作成功，可以進(jìn)行全班展示，并給予充分肯定，若制作失敗，也可以和學(xué)生一起分析問題產(chǎn)的原因，并提出改進(jìn)的方案。

（2）學(xué)生利用吉它、手機(jī)等器材來探究音調(diào)和頻率的關(guān)系^{[ 4 ]}。如圖13所示，手機(jī)下載并打開ＧuitarTuna調(diào)音軟件，撥動(dòng)吉他的Ｅ弦，琴弦振動(dòng)發(fā)聲，音調(diào)顯示為（-32），說明音調(diào)偏低；調(diào)緊E琴弦，重做一次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生聆聽并觀察軟件顯示的音調(diào)示數(shù)變化。

5? 結(jié)束語

“雙減”減的是義務(wù)教育階段學(xué)生的作業(yè)負(fù)擔(dān)和校外培訓(xùn)負(fù)擔(dān)，不是減教學(xué)質(zhì)量，這對教師的課堂教學(xué)提出了更高的要求。教師要做“優(yōu)”課內(nèi)：在更加有限的教學(xué)時(shí)間里，做好各類演示、分組實(shí)驗(yàn)并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)、優(yōu)化、創(chuàng)新，完成知識(shí)的構(gòu)建、內(nèi)化和升華，提高課堂教學(xué)的信度、效度、廣度和深度。學(xué)生的作業(yè)要控量高效：教師可布置拓展性作業(yè)，并讓學(xué)生嘗試撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理語言對所經(jīng)歷的探究情景進(jìn)行精準(zhǔn)地概括、演繹和歸納的能力。教師再根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行診斷，判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)成果是否符合教學(xué)意向，并采取補(bǔ)救性矯治措施，全面提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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福建省石獅市2022年基礎(chǔ)教育教學(xué)改革專項(xiàng)課題：“雙減”背景下深度物理課堂提質(zhì)增效實(shí)踐研究（SJGZX2022-83）研究成果