利用波形圖可視化探究“以聲消聲”的可行性

聞壹兵

摘? ? 要：隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，利用智能手機(jī)自帶的傳感器可以設(shè)計(jì)探究性物理實(shí)驗(yàn)。文章利用智能手機(jī)上安裝的Oscilloscope應(yīng)用程序，根據(jù)聲波波形圖的振幅、疏密和形狀特征與聲音響度、音調(diào)和音色的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了蘇科版《物理》八年級上冊第一章第三節(jié)課后閱讀材料介紹的“以聲消聲”這個噪音消除技術(shù)的可行性。拓展了學(xué)生對聲音波形特征的理解和應(yīng)用，為物理教學(xué)素材選取和教學(xué)情境預(yù)設(shè)提供了新思路，為中學(xué)物理教育滲透科學(xué)本質(zhì)觀提供了新的教學(xué)案例。

關(guān)鍵詞：聲波;波形圖;以聲消聲;科學(xué)本質(zhì)觀

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）10-0064-4

不同時代背景下的科學(xué)發(fā)展具有不同的歷史性和價值性，我們所處時代的科學(xué)知識只是這個時代暫時盛行的科學(xué)知識?，F(xiàn)階段中學(xué)物理教學(xué)迫于升學(xué)壓力，“去背景化”教學(xué)大行其道，只注重講解公式和定理以及解決物理問題，忽略了學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的培養(yǎng)，使得學(xué)生對科學(xué)的認(rèn)識過于片面化?？茖W(xué)本質(zhì)觀要求學(xué)者對科學(xué)問題有著本質(zhì)的認(rèn)識，包括科學(xué)世界觀、科學(xué)探究和科學(xué)事業(yè)三個主要部分[1]。隨著社會的發(fā)展，將科學(xué)本質(zhì)觀滲透到物理課堂教學(xué)中，培養(yǎng)具有科學(xué)本質(zhì)觀的學(xué)生日趨重要。

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，建議教師采用整合教學(xué)素材、多元化實(shí)驗(yàn)儀器、開發(fā)多樣性實(shí)驗(yàn)資源、智能化實(shí)驗(yàn)器材等方法，拓展學(xué)生視野，更好地啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考，培養(yǎng)學(xué)生從物理視角認(rèn)識客觀事物本質(zhì)以及內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律的能力[2]。對于物理初學(xué)者而言，物理實(shí)驗(yàn)是其獲得對事物本質(zhì)認(rèn)識和培養(yǎng)科學(xué)本質(zhì)觀的重要途徑之一。初中物理內(nèi)容屬于經(jīng)典物理學(xué)范疇，通過拓展教學(xué)素材，在學(xué)習(xí)過程中啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，通過開展探究實(shí)驗(yàn)給予學(xué)生一定的體感感受，從而讓學(xué)生緊跟當(dāng)前社會科技化進(jìn)程，成為具有科學(xué)本質(zhì)觀的人才[3]。

1? ? 利用智能手機(jī)采集音頻信息

在蘇科版《物理》八年級上冊第一章第三節(jié)的“生活 物理 社會”部分介紹了一種“以聲消聲”噪音消除技術(shù)。初學(xué)者對聲音只有聽覺上的認(rèn)知，而筆者在課堂教學(xué)中借助智能手機(jī)上的一款應(yīng)用程序——Oscilloscope（圖1），讓初學(xué)者可視化認(rèn)識聲音的三大特性，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“以聲消聲”噪音消除技術(shù)的可行性。

1.1? ? 音頻采集實(shí)驗(yàn)裝置

師：同學(xué)們，智能手機(jī)的功能有哪些啊？我相信很多同學(xué)都會用它看視頻、刷抖音和打游戲吧。

生：（相視而笑）哈哈，我們還用它打電話，查資料……

師：那能不能用它來做物理實(shí)驗(yàn)，探究物理問題呢？

生：（遲疑）可以吧。

師：今天我們將利用智能手機(jī)自帶的一款聲波監(jiān)測應(yīng)用軟件——Oscilloscope進(jìn)行一個物理實(shí)驗(yàn)。打開軟件，將手機(jī)接近聲源即可記錄聲音信息。今天，我為各位同學(xué)準(zhǔn)備了手機(jī)、鐵架臺、大小音叉（圖2左圖）和維吾爾族一種彈弦樂器——熱瓦普（圖2右圖）。請各位同學(xué)利用以上物品，搭建如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置采集聲音的波形圖。

1.2? ? 實(shí)驗(yàn)操作與記錄

在盡可能降低實(shí)驗(yàn)室噪聲的情況下，將音叉放在鐵架臺前的聲音接收區(qū)內(nèi)，分別用力和輕輕敲打音叉，開啟Oscilloscope程序，設(shè)置參數(shù)后采集聲波圖形并截屏記錄數(shù)據(jù)（圖4-圖6）。然后，用相同方法采集熱瓦普彈奏的兩個單音節(jié)的聲波數(shù)據(jù)（圖7-圖9）。

2? ? 在聲波波形圖教學(xué)中滲透科學(xué)本質(zhì)觀

2.1? ? 展示聲波波形圖，引出聲波的特征

師： 從聲波波形圖可以發(fā)現(xiàn)不同種類聲源產(chǎn)生的聲波波形圖有什么區(qū)別？

生：音叉發(fā)聲的波形圖形狀非常相似，民族樂器熱瓦普發(fā)出的不同聲音的波形圖也很相似。但音叉和熱瓦普的聲波波形圖的形狀和疏密相差甚遠(yuǎn)。

師：是的。猜想一下，這些波形圖的特征與聲音的特性有沒有聯(lián)系呢？

甲生：波形圖的振幅可能與聲音的響度有關(guān)。

乙生：對比圖4和圖5，可以看出波形圖的振動幅度（矩形線框內(nèi)波形曲線最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高度差）與響度的大小有關(guān)。聲音響度越大，波形圖的振幅就越大。

丙生：我也是這樣認(rèn)為的。熱瓦普不同響度的波形圖（圖7、圖8）也具有同樣的特征。

師：三位同學(xué)觀察得非常仔細(xì)。波形圖的振幅對應(yīng)著聲音的響度，振幅越大，響度也就越大。接下來，我們對比一下以上聲波波形圖的疏密程度，同學(xué)們能發(fā)現(xiàn)什么樣的特點(diǎn)？波形圖的疏密程度與聲音的特性有聯(lián)系嗎？

生：同一個大音叉產(chǎn)生的聲波雖然振幅有區(qū)別，但疏密程度基本是相同的，而小音叉產(chǎn)生的聲波波形更加密集。另一方面，熱瓦普同一個音節(jié)不同強(qiáng)度的波形圖（圖7、圖8）的疏密程度十分相近，但高音節(jié)的波形圖更加密集（圖9）。由此可以看出，波形的疏密程度與聲調(diào)有著密切的關(guān)系。

師：波形圖的疏密程度與聲音的音調(diào)有關(guān)，且波形越密集其頻率越高，對應(yīng)聲音的音調(diào)越高。為什么音叉和熱瓦普的波形圖形狀迥異，而大小音叉的波形圖形狀卻十分相似呢？大家可以根據(jù)所學(xué)聲音的三大特性（響度、音調(diào)和音色）大膽猜測一下。

生：我認(rèn)為聲波波形圖的形狀與聲音音色有關(guān)。大小音叉的音色相近，所以波形基本一致，而音叉與熱瓦普的音色相差很遠(yuǎn)，所以波形也大不相同。

師：對比大小音叉和熱瓦普的聲波波形圖，我們可以發(fā)現(xiàn)不同樂器發(fā)出聲音的波形是不同的，即聲音的音色（品質(zhì)）不同。由于大小音叉的材料相同，結(jié)構(gòu)相似，所以大小音叉的音色即波形基本一致。而熱瓦普與音叉的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)截然不同，所以波形差異很大。

2.2? ? 延伸教學(xué)素材，滲透科學(xué)本質(zhì)觀

師：我們已經(jīng)知道聲音在介質(zhì)中以波的形式進(jìn)行傳播，不同的聲波疊加能不能起到相互抑制的作用呢？

生：如果兩種聲音的波形恰好互補(bǔ)的話，我們聽到的聲音應(yīng)該可以被抑制。

師：那你認(rèn)為這兩種聲音應(yīng)該具有什么特征呢？

生：這兩種聲音的音色、音調(diào)和響度應(yīng)該相似，最好是同一種聲音。

師：是的。那同學(xué)們能不能利用現(xiàn)有的設(shè)備探索抑制聲音的可行性呢？請說明一下你的理由。如果可以，那該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

生：只需要改變器材的位置即可。讓兩個音叉發(fā)音腔相對，將手機(jī)放置在兩個音叉連線的中間位置進(jìn)行聲音監(jiān)測。沿著連線左右移動手機(jī)位置，收集不同位置處的聲波波形圖即可。

師：你能確保每一次音叉發(fā)聲的響度是一樣的嗎？又如何確定手機(jī)接收到的聲音響度是削弱的呢？請同學(xué)們思考優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的方案。

甲生：可以采用兩個固定響度的聲源，比如用兩部手機(jī)同時錄制同一音叉發(fā)出的聲音，然后再同時播放。

乙生：可以利于回聲。利用封閉區(qū)間制作一個回音腔，就可以得到兩個完全一樣的聲源了。

師：同學(xué)們的思路很不錯。為了更好地驗(yàn)證“以聲消聲”的可行性，錄制同一個音叉發(fā)出的聲音為聲源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的效果更好。老師為大家提供了同一個音叉的錄制音頻，請各位同學(xué)按照自己的想法設(shè)計(jì)和開展 “以聲消聲”的實(shí)驗(yàn)，下一節(jié)課由同學(xué)們展示自己實(shí)驗(yàn)探索的成果。

2.3? ? “以聲消聲”開放式實(shí)驗(yàn)探究

三位學(xué)生利用老師錄制的同一個音叉的音頻文件為聲源（圖10）分別開展實(shí)驗(yàn)，然后展示了在兩個聲源連線中間不同位置處錄制的聲波波形圖，如圖11-圖13所示。

師：三位同學(xué)都利用Oscilloscope得到聲源的波形圖和“以聲消聲”后的波形圖。根據(jù)波形圖，你們認(rèn)為“以聲消聲”是否可行？“以聲消聲”在降低噪聲方面是否有用？

生：從波形圖中可以看出“以聲消聲”的效果十分明顯，能有效降低聲音的響度，將“以聲消聲”應(yīng)用于降低噪聲應(yīng)該可以有效地抑制噪聲。但是在消聲過程中，如果使用“不當(dāng)”反而會增強(qiáng)噪聲，如學(xué)生甲在實(shí)驗(yàn)過程中還觀測到了圖14所示的“異象”。

師：同學(xué)們分析得很到位?！耙月曄暋笔菍⒙暡úㄐ吻€的波峰（波形曲線的正向最大點(diǎn)）和波谷（波形曲線的負(fù)向最大點(diǎn)）相互疊加而抵消，從而達(dá)到消聲或抑制聲音的作用。如果波峰（谷）和波峰（谷）相疊加，波形曲線振動幅度會變大，聲音響度反而會增大。聲音在我們的生活中不可或缺，聲音可以傳播信息，也可以傳播能量?，F(xiàn)代生活中噪聲的來源有很多，為了營造適宜的日常生活、學(xué)習(xí)和工作環(huán)境，“以聲消聲”的技術(shù)就更加值得我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

3? ? 初中時期滲透科學(xué)本質(zhì)觀的重要性

傳統(tǒng)科學(xué)本質(zhì)觀和現(xiàn)代科學(xué)本質(zhì)觀是科學(xué)本質(zhì)觀演變的兩個階段。觀察事物，實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)，收集數(shù)據(jù)，運(yùn)用相應(yīng)的處理手段，繼而根據(jù)這些事實(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出定律和理論，這就是傳統(tǒng)科學(xué)本質(zhì)觀所說的“知識是經(jīng)過實(shí)證檢驗(yàn)的，是具有永恒性的”。初中物理教學(xué)內(nèi)容多是演繹傳統(tǒng)科學(xué)本質(zhì)觀時期的物理定律和理論，如牛頓的經(jīng)典力學(xué)體系，麥克斯韋的電磁學(xué)理論體系等。這些理論體系的絕對性和永恒性深入學(xué)生內(nèi)心。

現(xiàn)代科學(xué)本質(zhì)觀主流是建構(gòu)主義的科學(xué)本質(zhì)觀。該觀點(diǎn)認(rèn)為：科學(xué)知識的獲得是科學(xué)家根據(jù)原有知識和現(xiàn)有理論來建構(gòu)科學(xué)知識。它強(qiáng)調(diào)的是知識的暫時性、主觀性和建構(gòu)性?？茖W(xué)知識是被不斷推翻和修正，而歸納和實(shí)證等處理方式獲得的物理知識不一定完全正確，不是永恒和絕對的?？v觀物理學(xué)科發(fā)展的過程，科學(xué)知識都是在不斷被推翻和完善?，F(xiàn)代科學(xué)觀要求學(xué)生對物質(zhì)世界有著自己的見解[4]，學(xué)生能利用客觀性的科學(xué)知識對科學(xué)世界進(jìn)行審問和判斷。在傳統(tǒng)科學(xué)本質(zhì)觀的教育下，固化的物理知識體系將影響學(xué)生對科學(xué)世界的認(rèn)知，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，以及對未知區(qū)域的求知欲和好奇心。如今，教師將前沿物理科技引入中學(xué)物理教學(xué)，滲透現(xiàn)代科學(xué)本質(zhì)觀的教育，使學(xué)生對科學(xué)世界有了更為全面的認(rèn)識。一方面，刺激了學(xué)生對未知領(lǐng)域的好奇心和探索欲望;另一方面，使得學(xué)生能正確認(rèn)識日益科技化世界的本質(zhì)，從而正確對待并合理使用科技產(chǎn)品。

當(dāng)今社會生活節(jié)奏快速，快餐式社會文化大行其道，智能手機(jī)的使用在某種程度上大大禁錮了青少年學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。社會需要創(chuàng)新型人才，教師在課堂傳播知識過程中要滲透現(xiàn)代科學(xué)本質(zhì)觀，引導(dǎo)學(xué)生敢于創(chuàng)新和嘗試，善于利用身邊的器材去探索這個有趣的世界。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡其勇，靳玉樂.科學(xué)的本質(zhì)與學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的培養(yǎng)[J].課程·教材·教法，2008（09）：69-74.

[2]吳政.異常處探出能力，過程中生成品質(zhì)——實(shí)驗(yàn)異常探究中培養(yǎng)核心素養(yǎng)二例[J].物理教師，2020，41（01）：55-57.

[3]鄭青岳.為促進(jìn)學(xué)生的理解而教（3）——物理學(xué)習(xí)理解的證據(jù)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（09）：1-5.

[4]周彬，張文明.多媒體視角下物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)與改革[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（02）：50-51.

（欄目編輯? ? 邱曉燕）

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