STEAM教學(xué)理念在聲音的特性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

龔杰

(銀川市第九中學(xué) 寧夏 銀川 750021)

汪成瑞

(寧夏大學(xué)附屬中學(xué) 寧夏 銀川 750021)

徐超凡

(南京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)學(xué)校 江蘇 南京 210023)

1 引言

隨著《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的公布，義務(wù)教育階段的物理課程標(biāo)準(zhǔn)也逐步開始修訂，幫助初中階段的學(xué)生建立物理學(xué)科核心素養(yǎng)理應(yīng)得到教師廣泛關(guān)注.這樣，怎樣將物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個維度有效統(tǒng)一便成了迫在眉睫的問題.

在教育鄰域STEAM理念并不是新興事物，早在上世紀(jì)70年代為加強(qiáng)美國K12關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程、以及數(shù)學(xué)的教育，美國學(xué)者Hurdz率先提出了STEM教育[1]，是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)4門學(xué)科英文首字母的縮寫，到2008年美國學(xué)者Georgette Yakman在此基礎(chǔ)上添加了對學(xué)生的藝術(shù)(Art)教育，便形成了今天我們所講的STEAM教育[2].STEAM教育理念強(qiáng)調(diào)將各學(xué)科融入到具體的實(shí)踐項(xiàng)目中，在實(shí)踐中鞏固理論，并且可以為學(xué)生創(chuàng)造真實(shí)的教學(xué)情境.因此將STEAM教育理念引入初中物理教學(xué)，結(jié)合DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)，完成實(shí)驗(yàn)探究，具有一定的實(shí)際意義.

2 “鳥笛”項(xiàng)目的制作

初中階段的學(xué)生，身心發(fā)展尚不完善，所以在項(xiàng)目設(shè)計(jì)上必須要考慮到學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與動手能力，不能過于復(fù)雜.用中性筆與棉簽制作鳥笛是中學(xué)生能夠完成的任務(wù)，而且材料廉價(jià)簡單易得.準(zhǔn)備好中性筆、棉簽、水等材料，將中性筆的兩個頂端打開，把棉簽沾濕，從一端塞入中性筆管內(nèi)，如圖1所示，這樣一個簡易版的鳥笛就制作完成.將空氣吹入筆管未封閉的一端，拉動棉簽便可聽到猶如鳥鳴的聲音，如發(fā)生漏氣現(xiàn)象可在管內(nèi)加入少許的水將其密封.

圖1 “鳥笛”示意圖

3 基于“鳥笛”項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)探究

聲音對于初中學(xué)生來說，既熟悉又陌生，經(jīng)過小學(xué)科學(xué)課與前期物理課的學(xué)習(xí)，對聲音已經(jīng)有了基本認(rèn)識，但是對聲音的3個特性:音調(diào)、響度與音色，沒有科學(xué)地認(rèn)識，尤其對于音調(diào)和響度難以區(qū)分.DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)是將傳感器、數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接起來共同測量物理量的裝置[3]，如圖2所示，可直接在計(jì)算機(jī)上顯示獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過圖表、圖線等直觀方式呈現(xiàn)數(shù)據(jù).我們將制作好的“鳥笛”與DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)結(jié)合，把抽象難以觀察的聲音信號可視化，強(qiáng)化學(xué)生對聲音特性的理解.

圖2 DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)示意圖

3.1 利用探究實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建立振動的觀念

在前期的學(xué)習(xí)中學(xué)生已經(jīng)知道，聲音是由物體振動產(chǎn)生，它的傳播是依靠介質(zhì)振動，但是學(xué)生對振動的了解僅停留在前概念階段，并不科學(xué)，也不系統(tǒng)，沒有形成與振動有關(guān)的圖式，不能將頻率、周期、振幅等概念與振動相關(guān)聯(lián).利用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)把學(xué)生看不見、摸不到的聲波可視化，從而幫助學(xué)生建立振動的觀念.

(1)實(shí)驗(yàn)儀器介紹

計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、聲音傳感器、音叉、自制鳥笛.

(2)實(shí)驗(yàn)方案

第一步，把聲音傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連接，在計(jì)算機(jī)中打開相應(yīng)軟件；第二步，敲動音叉采集數(shù)據(jù)生成音叉的聲波圖像，并讓學(xué)生仔細(xì)觀察音叉；第三步，吹動鳥笛用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)收集數(shù)據(jù).

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

學(xué)生通過觀察音叉，可以看到音叉發(fā)聲是由于音叉振動.DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)生成的圖像，如圖3、圖4，能夠清楚地看到振動的波形圖，聲音傳感器是在聲音的傳播路徑中，證明了聲音傳播需依靠介質(zhì)振動.仔細(xì)分析該振動波形圖(圖3)，可清楚地觀察出周期、頻率、振幅.完成一次全振動所需的時(shí)間叫做周期，即兩個橫坐標(biāo)之間所對應(yīng)的圖像為一個周期，圖中共經(jīng)歷了8個全振動，就有8個周期.單位時(shí)間內(nèi)完成全振動的次數(shù)叫做頻率，通常單位時(shí)間為1 s，即1 s內(nèi)振動的次數(shù)，此時(shí)頻率的單位為赫茲(Hz)，從圖中可以看出該音叉所發(fā)出聲波的頻率為505 Hz，這樣一個周期約為0.002 s.振幅是物體振動的幅度，在圖像中能夠直觀地反映出該聲波振動的幅度.從圖4中可以看出，鳥笛所發(fā)出的聲波同樣具有周期、頻率、振幅.

圖3 音叉發(fā)出聲波的圖像

圖4 鳥笛發(fā)出聲波的圖像

3.2 利用實(shí)驗(yàn)探究音調(diào)與頻率的關(guān)系

吹動鳥笛，來回拉動棉簽，讓學(xué)生感受聲音的變化，發(fā)現(xiàn)聲音有高有底，物理學(xué)中把這種聲音的高低叫做音調(diào).通常在沒有教師引導(dǎo)的情況下，學(xué)生并不能將音調(diào)與頻率相互聯(lián)系.利用數(shù)字化信息系統(tǒng)，采集聲音的頻率，使學(xué)生探究音調(diào)與頻率的關(guān)系.

(1)實(shí)驗(yàn)儀器介紹

計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、聲音傳感器、自制鳥笛.

(2)實(shí)驗(yàn)方案

第一步，如圖1所示，從插入棉簽端的端口開始，在筆管上每隔一定長度作出相應(yīng)標(biāo)記(圖中每隔1 cm作一次標(biāo)記)；第二步，把聲音傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連接，在計(jì)算機(jī)中打開相關(guān)軟件；第三步，先使棉簽固定在最底端的標(biāo)記點(diǎn)，吹動鳥笛收集數(shù)據(jù)；第四步，將棉簽向上移動到下一標(biāo)記點(diǎn)，吹動鳥笛收集數(shù)據(jù)；第五步，重復(fù)上述步驟，收集6次以上的數(shù)據(jù).

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，分別從最底端開始記錄，向上移動6次棉簽，共記錄了7組數(shù)據(jù)如表1所示.當(dāng)棉簽在最底端時(shí)，采集的頻率為763 Hz，聽到聲音的音調(diào)較低，在“鳥笛”內(nèi)空氣振動較慢.當(dāng)棉簽在最頂端時(shí)，采集第7次的頻率為1 636 Hz，聽到聲音的音調(diào)較高，在“鳥笛”內(nèi)空氣振動較快.

圖5 聲音頻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

表1 聲音頻率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.3 利用實(shí)驗(yàn)探究響度與振幅的關(guān)系

在用鳥笛“演奏”時(shí)，細(xì)心的學(xué)生其實(shí)就能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他用較弱的氣息吹動鳥笛時(shí)，鳥笛發(fā)出的聲音較小，用較強(qiáng)的氣息吹動鳥笛則聲音較大.但是聲波看不見，也摸不著，初中階段的學(xué)生通過教材(以人教版為例)中“撥動”直尺的實(shí)驗(yàn)雖能夠在振幅與響度兩物理量之間建立聯(lián)系，但采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，將抽象的聲信號轉(zhuǎn)換成直觀的圖形，可進(jìn)一步幫助學(xué)生將二者關(guān)聯(lián)，獲得更好的教學(xué)效果.

(1)實(shí)驗(yàn)儀器介紹

計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、聲音傳感器、自制鳥笛.

(2)實(shí)驗(yàn)方案

第一步，把聲音傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連接，在計(jì)算機(jī)中打開相應(yīng)軟件；第二步，使棉簽固定在任意位置，保證實(shí)驗(yàn)過程中棉簽位置不發(fā)生改變；第三步，用漸變的氣息吹動鳥笛，聽鳥笛聲音大小的變化，并記錄數(shù)據(jù).

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們采用從弱到強(qiáng)的氣息吹動鳥笛，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.從圖中可以清楚地看出，在氣息由弱到強(qiáng)的變化過程中，聲音的響度不斷變大，鳥笛所發(fā)出聲波的振幅也隨之不斷變化.0.60 s時(shí)聲波輕微振動，響度較小，1.20 s以后聲波振幅較大，響度較大.不難發(fā)現(xiàn)，聲波的振幅與響度有關(guān)，振幅越小，響度越小，振幅越大，響度越大.

圖6 聲音的響度與振幅實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3.4 利用實(shí)驗(yàn)感受音色

不同的人說話聲音不同，不同的樂器所發(fā)出的聲音也有差異，其實(shí)就是不同物體振動時(shí)發(fā)出的聲波不同.物理學(xué)中把這種聲音的特性叫做音色[4]，通常情況下我們能夠感受到音色的不同，結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，從波動的角度去理解音色，加深學(xué)生對聲音的認(rèn)識.

(1)實(shí)驗(yàn)儀器介紹

計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、聲音傳感器、自制鳥笛、鋼琴、葫蘆絲.

(2)實(shí)驗(yàn)方案

第一步，把聲音傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連接，在計(jì)算機(jī)中打開相應(yīng)軟件；第二步，采集鋼琴產(chǎn)生的聲波；第三步，采集自制鳥笛產(chǎn)生的聲波；第四步，采集葫蘆絲產(chǎn)生的聲波.

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

鋼琴發(fā)出的聲波圖像如圖7所示.

圖7 鋼琴發(fā)出聲波的圖像

葫蘆絲發(fā)出的聲波圖像如圖8所示.

圖8 葫蘆絲發(fā)出聲波的圖像

從圖4、圖7、圖8中可以看出，鳥笛、鋼琴、葫蘆絲3種樂器所發(fā)出聲音的頻率基本一致時(shí)(鳥笛886 Hz、鋼琴885 Hz、葫蘆絲881 Hz)，3者聲音的波形圖卻有很大區(qū)別，這便是它們的音色不同.

基于STEAM教學(xué)理念制成的鳥笛，與DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，讓“頑皮”的聲音顯出原形.結(jié)合直觀的圖形，能幫助學(xué)生透過表面現(xiàn)象從波動的角度去揭示聲音的本質(zhì)，探究聲音的音調(diào)、響度、音色這3個主要特性.

4 完善“鳥笛”

鳥笛雖然已經(jīng)制作完成，但不能夠區(qū)分具體音調(diào)，還不能演奏出悅耳的樂曲，因此要對鳥笛做進(jìn)一步完善.要想使鳥笛演奏出標(biāo)準(zhǔn)音調(diào)，就必須要清楚鳥笛中棉簽位置與聲音頻率的關(guān)系.利用Excel表格便可以簡單明了地發(fā)現(xiàn)棉簽在鳥笛中的位置與鳥笛發(fā)出聲音頻率之間的關(guān)系.把表1中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格中，以鳥笛發(fā)出聲音頻率為縱坐標(biāo)，棉簽在鳥笛中的位置為橫坐標(biāo)，繪制散點(diǎn)圖，如圖9所示，得出函數(shù)關(guān)系式y(tǒng)=146.86x+498.71,公式中y為頻率，x為距離端口(棉簽端)的位置，這樣便可知道某一位置的聲音頻率,也可以知道某一頻率所在位置.例如，在頻率表中查出高音3(mi)的頻率為1 318 Hz，帶入公式得出x的值約為5.58 cm，即在插入棉簽一側(cè)從端口開始量取5.58 cm，做好相應(yīng)標(biāo)記，將棉簽推動到該位置，吹動鳥笛，就可以演奏出高音3(mi).用這種方法，選一首較為簡單的樂曲，在頻率表中找到相應(yīng)音調(diào)所對應(yīng)的頻率，帶入公式計(jì)算出每個音調(diào)所在的位置，做好標(biāo)記，這樣一根可以演奏出優(yōu)美樂曲的鳥笛便制作完成.

圖9 鳥笛頻率與棉簽位置關(guān)系圖

5 結(jié)束語

STEAM教育理念重視學(xué)科間的融合,重視學(xué)生動手能力,以作品化的成果來評價(jià)學(xué)生.基于此教學(xué)理念，設(shè)計(jì)制作出鳥笛(這里的制作方式只是提供參考，可用其他的材料與方法完成制作)，用制成的鳥笛完成科學(xué)探究，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)與跨學(xué)科綜合能力，該實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的內(nèi)容如表2所示.綜上，將STEAM教學(xué)理念與物理探究實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，一方面踐行了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，另一方面展現(xiàn)了全方面培養(yǎng)學(xué)生的教育觀念.這樣的融合式實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)即能讓學(xué)生享受應(yīng)用知識解決實(shí)際問題的樂趣,又能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性, 培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、邏輯思維、批判性思維和創(chuàng)新性思維.同時(shí)，優(yōu)化了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的角度，深化了教學(xué)中的情境性，促進(jìn)學(xué)生對知識的理解，增加了課堂的趣味性.

表2 鳥笛STEAM實(shí)驗(yàn)涉及內(nèi)容