優(yōu)化材料取精確 量化視覺(jué)促概念

楊寧贊+樂(lè)瀅瀅

摘 要 小學(xué)科學(xué)教科版四年級(jí)上冊(cè)聲音單元學(xué)生通過(guò)撥動(dòng)鋼尺、橡皮筋，敲擊音叉來(lái)感性認(rèn)知聲音的強(qiáng)弱高低，因環(huán)境等各方面因素的影響，學(xué)生不能準(zhǔn)確做出判斷。通過(guò)重構(gòu)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化材料，利用數(shù)字化傳感器將定性認(rèn)知轉(zhuǎn)化為定量學(xué)習(xí)，嘗試對(duì)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 小學(xué)科學(xué)；數(shù)字化傳感器；實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G623.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）23-0148-04

1 問(wèn)題聚焦

小學(xué)科學(xué)教科版四年級(jí)上冊(cè)聲音單元第三課“聲音的變化”，這一經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)探究課在聲音單元起著承前啟后的關(guān)鍵作用。本課教學(xué)內(nèi)容由兩部分組成。

第一部分：觀察比較聲音強(qiáng)弱的變化。學(xué)生通過(guò)撥動(dòng)伸出桌面的鋼尺，了解物體振動(dòng)幅度越大，聲音越強(qiáng)；振動(dòng)幅度越小，聲音越弱。

第二部分：觀察比較聲音高低的變化。學(xué)生通過(guò)用小棒敲擊4個(gè)水位不同的玻璃杯，發(fā)現(xiàn)聲音高、較高、低、較

低。學(xué)生通過(guò)撥彈粗細(xì)不同的橡皮筋，敲擊長(zhǎng)短與粗細(xì)不同的鐵釘、粗細(xì)不同的鋼管、長(zhǎng)短不一的PC管和彈撥琴弦，發(fā)現(xiàn)物體振動(dòng)得越快，聲音就越高；物體振動(dòng)得越慢，發(fā)出的聲音就越低。

從活動(dòng)的結(jié)構(gòu)上和密度上，編者充分考慮了四年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知水平和思維能力，并且能以階梯式螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，鋪開(kāi)教學(xué)。但展開(kāi)教學(xué)后，四年級(jí)9個(gè)班的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，卻發(fā)現(xiàn)以下3個(gè)問(wèn)題。

問(wèn)題一：聲音強(qiáng)弱難聽(tīng)清。這一課在教學(xué)中，學(xué)生能夠辨別聲音的強(qiáng)弱變化是關(guān)鍵，但是在實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生組與組之間撥動(dòng)鋼尺的聲音互為干擾，學(xué)生討論爭(zhēng)辯則形成第二層聲音干擾，兩層干擾之下，聽(tīng)清鋼尺發(fā)出的聲音難上加難。

問(wèn)題二：聲音高低難辨別。第二個(gè)環(huán)節(jié)中，敲擊4個(gè)水位不同的玻璃杯后，發(fā)出的聲音高低區(qū)別度不大，難以辨別。第二個(gè)活動(dòng)中，給每組提供的3個(gè)長(zhǎng)度、大小或面積不等的生活材料，由于受干擾因素太多，發(fā)出的音高變化、區(qū)分度更是不明顯，而且敲擊不同位置，聲音也不同。學(xué)生的錯(cuò)誤前概念則容易在這難以辨析的聲音中混淆強(qiáng)化。

問(wèn)題三：物體振動(dòng)難看清。這兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)不僅要讓學(xué)生辨別聲音，還需要學(xué)生看見(jiàn)物體發(fā)聲時(shí)的振動(dòng)幅度和振動(dòng)快慢。而桌面鋼尺因其材料較硬，振幅大小變化很難看清；撥動(dòng)橡皮筋、琴弦，振動(dòng)快慢勉強(qiáng)看清，但是鐵釘、PC管、鋼管振動(dòng)的快慢基本看不見(jiàn)。然而，“聲音強(qiáng)弱與振幅大小以及聲音高低與振動(dòng)頻率有關(guān)”，這恰恰是本課的重難點(diǎn)，“聲音與物體振動(dòng)的關(guān)系”更是本單元核心概念。

綜上可見(jiàn)，經(jīng)典設(shè)計(jì)、材料和普通的觀察方法很難突破本課的重難點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，促成效

對(duì)此，對(duì)“聲音強(qiáng)弱與振幅大小關(guān)系”和“聲音高低與振動(dòng)頻率關(guān)系”這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化材料，并合理采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，利用傳感器突破重難點(diǎn)，最后拓展課堂外延，讓學(xué)生感受科學(xué)和藝術(shù)結(jié)合的魅力，使學(xué)生在知識(shí)、技能與情感三個(gè)維度上都有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

改進(jìn)一：增加輔助材料共鳴（盒放大聲音、聲音導(dǎo)管接聽(tīng)聲音、C型夾固定），讓“聽(tīng)覺(jué)”更敏銳

1）原型實(shí)驗(yàn)：觀察比較聲音強(qiáng)弱的變化。具體步驟：

①讓學(xué)生用一只手壓住鋼尺一端在桌面上，另一端伸出桌面10～12厘米；

②用另一只手輕輕撥動(dòng)伸出桌面的鋼尺一端，觀察尺上下振動(dòng)的幅度有多大，發(fā)出的聲音有多強(qiáng)，并用振動(dòng)幅度大或小、聲音強(qiáng)或弱做記錄；

③增大用力，方法同前。

實(shí)驗(yàn)要求：準(zhǔn)確描述振動(dòng)幅度越大，聲音越強(qiáng)；振動(dòng)幅度越小，聲音越弱。

經(jīng)過(guò)多次教學(xué)，不足之處有三：

①同時(shí)實(shí)驗(yàn)，教室吵，相互干擾大，音量大小難聽(tīng)清；

②用力撥動(dòng)鋼尺時(shí)，四年級(jí)學(xué)生無(wú)法讓鋼尺與桌面緊貼，導(dǎo)致聽(tīng)到的聲音是鋼尺與桌面碰撞的聲音；輕輕撥動(dòng)時(shí)避免了鋼尺與桌面碰撞，能看到尺子的振幅，但音量很小，難聽(tīng)清聲音；

③鋼尺彈力不強(qiáng)。

2）創(chuàng)新設(shè)計(jì)：利用共鳴箱、聲音導(dǎo)管、錳鋼尺等放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生的“聽(tīng)覺(jué)”更加敏銳。如圖1所示，先用共鳴箱將錳鋼尺壓緊在桌子邊緣，并用C型夾固定；撥動(dòng)錳鋼尺懸空部分，用聲音導(dǎo)管接聽(tīng)聲音。

共鳴箱雖小，效果卻好，不僅可以將聲音通過(guò)共鳴放大，還可以直接通過(guò)聲音導(dǎo)管匯聚到學(xué)生的耳朵，清晰明確，避免了組與組之間以及組內(nèi)討論的干擾。共鳴箱下的淺槽將錳鋼尺扣在凹槽里面，不會(huì)滑動(dòng)；C形夾則解決了鋼尺與桌面碰撞，看似高級(jí)，卻經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，一個(gè)小小的固定夾，便可以解放學(xué)生的雙手；而教學(xué)用的鋼尺用錳材料代替，彈性更強(qiáng)，聽(tīng)到的聲音也更清楚。

通過(guò)改進(jìn)材料，優(yōu)化細(xì)節(jié)，放大了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生直觀感受到振動(dòng)幅度越大，聲音越強(qiáng)；振動(dòng)幅度越小，聲音越弱，很好地達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

改進(jìn)二：利用數(shù)字化傳感器，將“視覺(jué)”化“數(shù)據(jù)”

原型實(shí)驗(yàn)一：觀察比較聲音高低的變化。如圖2所示，用1、2、3、4給盛有滿(mǎn)杯、約3/4杯、約1/2杯、約1/4杯水的玻璃杯標(biāo)上號(hào)，并用小棒敲擊，預(yù)測(cè)它們發(fā)出的聲音會(huì)有什么不同？并用聲音高、較高、較低、低排序，做好記錄。根據(jù)從1號(hào)杯到4號(hào)杯或從4號(hào)杯到1杯的順序，反復(fù)敲擊杯口，比較它們發(fā)出的聲音有什么不同，再與小組的預(yù)測(cè)進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)要求：能區(qū)分聲音高、較高、較低、低，并記錄。

原型實(shí)驗(yàn)二：用多種材料觀察比較聲音高低的變化。如圖3所示，撥彈不同松緊度的橡皮筋和小提琴琴弦，敲擊長(zhǎng)短不同的3根鐵釘、3根PC管、3根粗細(xì)不同的鋼管。

實(shí)驗(yàn)要求：讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)物體振動(dòng)得越快，發(fā)出的聲音就越高；物體振動(dòng)得越慢，發(fā)出的聲音就越低。

這兩個(gè)原型實(shí)驗(yàn)不足有三（圖4）。

①通過(guò)用小棒敲擊4個(gè)水位不同的玻璃杯，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)聲音高、較高、低、較低。浙江省教研員喻伯軍老師曾召集專(zhuān)家在省里專(zhuān)門(mén)研究，大家的解釋都不一樣，因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)的變量實(shí)在太多。

②當(dāng)敲擊鐵釘、鋼管和PC管這些材料時(shí)，無(wú)法用肉眼看到它們?cè)谡駝?dòng)，區(qū)分振動(dòng)快慢成為空話(huà)。

③生活中的材料受干擾因素太多，所以敲擊時(shí)它們的頻率會(huì)發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)長(zhǎng)鐵釘比短鐵釘?shù)念l率更大的情境（圖5）。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)：在音階中辨析聲音高低，用傳感器量化振動(dòng)現(xiàn)象。正因?yàn)閷W(xué)生聽(tīng)的“音高”、觀察的“振動(dòng)頻率”無(wú)法明顯辨別，所以從“專(zhuān)業(yè)樂(lè)器”和“數(shù)字化傳感器”兩方面共同入手?！皵?shù)字化傳感器”中的“振動(dòng)頻率傳感器”能把現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為圖示、數(shù)據(jù)，進(jìn)一步精確且直觀地幫助學(xué)生識(shí)別物體發(fā)聲的振動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)了1+1>2的實(shí)效。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)點(diǎn)1：利用樂(lè)器替換生活材料（圖6）。生活材料雖然隨手可得，但材料的密度不均勻，音高并不穩(wěn)定。因此，提供的材料為樂(lè)器和學(xué)生自制樂(lè)器，因?yàn)樗哪昙?jí)學(xué)生在“1234567”的音階中更容易找到音高，而且材質(zhì)多元化，涉及木頭、空氣柱、金屬、皮質(zhì)，又涉及粗細(xì)、大小、長(zhǎng)短各不相同，讓學(xué)生能夠更豐富、更精確地獲得感性材料，幫助學(xué)生排除次要因素的干擾，更快揭示研究對(duì)象的本質(zhì)，有效建構(gòu)科學(xué)概念。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)點(diǎn)2：利用“數(shù)字傳感器”，將“視覺(jué)”的不可辨別轉(zhuǎn)化為“數(shù)據(jù)”（圖7）。這一課的“數(shù)字傳感器”主要利用兩種：“振動(dòng)幅度傳感器”和“振動(dòng)頻率傳感器”。連接電腦后，屏幕上就會(huì)即時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)幅度大小、頻率快慢的圖像和數(shù)字。

“振動(dòng)幅度傳感器”主要應(yīng)用在“觀察比較聲音強(qiáng)弱的變化”實(shí)驗(yàn)中，輔助學(xué)生進(jìn)一步通過(guò)圖像的形式看到鋼尺發(fā)出強(qiáng)弱音時(shí)的振動(dòng)幅度區(qū)別。當(dāng)學(xué)生撥動(dòng)鋼尺，發(fā)出聲音時(shí)，借助聲音振幅傳感器和電腦，屏幕上會(huì)出現(xiàn)在一條線(xiàn)上用不同顏色記錄實(shí)時(shí)振幅，將原本直接用肉眼看不易區(qū)分的振幅比較，轉(zhuǎn)化為清晰可見(jiàn)的振幅圖示，結(jié)果一目了然，減少歧義，避免了學(xué)生之間的無(wú)效爭(zhēng)論。

“振動(dòng)頻率傳感器”則應(yīng)用在“觀察比較聲音高低的變化”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過(guò)聽(tīng)到的音高、看到的波紋線(xiàn)密集度和頻率數(shù)大小進(jìn)行比較，輔助學(xué)生通過(guò)圖像和數(shù)據(jù)看到發(fā)聲物體發(fā)聲時(shí)的振動(dòng)頻率（圖8）。

通過(guò)圖9所示8組數(shù)字和圖像，學(xué)生顯而易見(jiàn)就能得出“尺子振動(dòng)得越快，發(fā)出的聲音就越高；振動(dòng)得越慢，發(fā)出的聲音就越低”，輕松解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法解決的問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)高效，促生成

綜上，“聲音的變化”一課中，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的改進(jìn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的優(yōu)化，使實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)更加細(xì)致；通過(guò)利用聲波傳感器采集數(shù)據(jù)和圖像，從定性走向定量，使實(shí)驗(yàn)更加精確；通過(guò)細(xì)致的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、精確的數(shù)據(jù)，更加直觀形象地讓學(xué)生內(nèi)化了科學(xué)概念，對(duì)聲音與振動(dòng)的關(guān)系有了本質(zhì)化的認(rèn)識(shí)，使實(shí)驗(yàn)走向深入，不但解決了教學(xué)中的三大難處，而且大大激發(fā)了學(xué)生制作樂(lè)器的熱情（圖10）。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的來(lái)臨，人類(lèi)社會(huì)從建立數(shù)學(xué)模型分析食物到發(fā)明計(jì)算機(jī)加速模型運(yùn)算，到今天進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)觀察時(shí)代?！艾F(xiàn)在14納米傳感器技術(shù)在不斷改進(jìn)，很快會(huì)進(jìn)入10納米，直到8納米。”Teradata天睿公司首席技術(shù)官Stephen Brobst在“2015Teradata大數(shù)據(jù)峰會(huì)”上特別強(qiáng)調(diào)這些細(xì)如塵沙的傳感器對(duì)數(shù)字世界的巨大影響。反觀小學(xué)科學(xué)課堂，需要在一些定性認(rèn)知模糊的實(shí)驗(yàn)中適時(shí)加入“數(shù)字化傳感器”的應(yīng)用，讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果更精確、直接、明了，為學(xué)生深入思維交流、共享贏得更為廣闊的時(shí)間和空間。

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