基于可視化“聲音的特性”的教具創(chuàng)新研究

李中豪 田博雅 王卓異 江超 王小蘭

摘 要：為了提升“聲音的特性”這節(jié)課教學(xué)效果，筆者應(yīng)用一組將聲現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可視化的演示教具，用于定性探究影響聲音音調(diào)與響度的因素.本文創(chuàng)新研究了“聲音的特性”教學(xué)內(nèi)容的背景、實(shí)驗(yàn)組成元素、實(shí)踐操作步驟和教學(xué)實(shí)際應(yīng)用.這種將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)儀器突破傳統(tǒng)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中更好地培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：可視化;聲音的特性;教具創(chuàng)新研究

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）20-0036-03

基金項(xiàng)目：湖北省高等學(xué)校2020年湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練省級(jí)項(xiàng)目“‘我愛(ài)物理——物理教師服務(wù)平臺(tái)創(chuàng)設(shè)”（項(xiàng)目編號(hào)：202009170068）;黃岡師范學(xué)院研究生工作站“5G背景下黃岡革命老區(qū)農(nóng)村中學(xué)物理課堂有效教學(xué)策略研究”.

作者簡(jiǎn)介：李中豪（2000-），男，湖北鐘祥人，本科在讀，研究方向：大、中學(xué)物理教育教學(xué)研究.

通訊作者：王小蘭（1965-），女，湖北紅安人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：教師教育及物理課程與教學(xué)論.

1 教學(xué)內(nèi)容分析

聲音的特性是人教版初中物理八年級(jí)上冊(cè)聲現(xiàn)象這一章節(jié)的重點(diǎn)與核心內(nèi)容，2011年版義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于這節(jié)內(nèi)容的要求為：了解樂(lè)音的特性，了解現(xiàn)代技術(shù)中聲學(xué)知識(shí)的一些應(yīng)用.教材第二章圍繞聲現(xiàn)象展開(kāi)，揭示聲音的本質(zhì)及特性.本節(jié)內(nèi)容在學(xué)生理解了聲音的本質(zhì)之后，在生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上構(gòu)建相關(guān)概念，屬于知識(shí)的遷移與應(yīng)用.在教材中涉及音調(diào)、響度和音色三部分內(nèi)容，通過(guò)鋼尺、示波器、音叉、乒乓球等工具認(rèn)識(shí)影響聲音三個(gè)特性的因素.學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)聲音的產(chǎn)生與傳播等知識(shí)，且由于聲現(xiàn)象與生活實(shí)際聯(lián)系較為緊密，同學(xué)們普遍對(duì)聲音的現(xiàn)象充滿(mǎn)濃烈的好奇心.通過(guò)前面的分析可以確定聲音的特性這一節(jié)教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)在于音調(diào)與響度的概念與其對(duì)應(yīng)的影響因素，學(xué)生們學(xué)習(xí)的難點(diǎn)是對(duì)于不同特性聲音的波形的理解.

2 教學(xué)資料分析

在以往的初中物理課堂當(dāng)中，教師通常會(huì)使用一些教材中的教具用于演示，例如教材中使用直尺探究頻率決定音調(diào)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，不過(guò)此實(shí)驗(yàn)存在的最大缺陷是：直尺兩次振動(dòng)的幅度很難保持一致，因?yàn)樵谶@兩次振動(dòng)中，直尺伸出桌面的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，要使直尺振動(dòng)幅度保持一致，必須用不同大小的力量去撥動(dòng)，這會(huì)使得學(xué)生自己在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)感覺(jué)是其所用力的大小不同導(dǎo)致的變化.這必然誤導(dǎo)學(xué)生認(rèn)為是力的大小決定音調(diào)的高低，引起知識(shí)性理解的錯(cuò)誤，造成學(xué)習(xí)困難.但這部分知識(shí)卻是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn).許多學(xué)生需要通過(guò)在課本和習(xí)題當(dāng)中的聲音波形圖進(jìn)行區(qū)分與理解，對(duì)于這一點(diǎn)，一些教師會(huì)將示波器用于教學(xué)中展示聲音的波形，通過(guò)探究不同音調(diào)、不同響度聲音波形圖的形狀引導(dǎo)學(xué)生理解影響音調(diào)和響度的因素.可示波器展示效果較差，在班級(jí)教學(xué)中難以做到良好的展示效果.

為了更好地培養(yǎng)同學(xué)們聲音的物理觀念，筆者應(yīng)用以下教具，在教學(xué)中讓聲音可視化，讓同學(xué)們通過(guò)肉眼看見(jiàn)聲音，幫助同學(xué)們突破對(duì)于不同特性聲音的波形的理解難點(diǎn).

3 基于可視化的教具創(chuàng)新研究

3.1 發(fā)音齒輪

3.1.1 教具器材

三個(gè)半徑相同齒數(shù)分別為40、60、80的齒輪，履帶，轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)盤(pán)，支架，硬紙片.

3.1.2 教具組成（如圖1所示）

3.1.3 教具原理與使用方法

搖動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)履帶帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸使得三個(gè)齒輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將硬紙片靠近齒輪，紙片會(huì)由于齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)被撥動(dòng)著振動(dòng)起來(lái)，振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生聲音，靠近不同齒數(shù)的齒輪，紙片振動(dòng)的頻率不同，齒數(shù)越大，振動(dòng)頻率越大，紙片所發(fā)出的聲音音調(diào)越高.

3.2 聲波演示器

3.2.1 教具器材

八面鏡、八面鏡支架、電源、振動(dòng)頻率為512Hz的音叉、振動(dòng)頻率為256Hz的音叉、激光手電、可調(diào)節(jié)方向的手電支架、音錘、鏡片.

3.2.2 教具組成（如圖2所示）

3.2.3 教具原理與使用方法

采用物理學(xué)中轉(zhuǎn)換的思想將音叉的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為激光的光信號(hào).

激光通過(guò)音叉表面的反射鏡反射到旋轉(zhuǎn)八面鏡上，由于入射光線與反射光線具有一定夾角，當(dāng)音叉振動(dòng)時(shí)，運(yùn)用光杠桿原理將振動(dòng)效果放大，通過(guò)音叉表面的反射鏡反射出去所形成的光點(diǎn)會(huì)上下振動(dòng)，振動(dòng)軌跡會(huì)由于人眼的視覺(jué)后像觀察到一個(gè)光斑.

當(dāng)旋轉(zhuǎn)八面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)八面鏡表面的鏡片反射出去的光點(diǎn)就會(huì)隨著八面鏡旋轉(zhuǎn)的方向運(yùn)動(dòng)，由于人眼的視覺(jué)后像，就會(huì)在顯示面上看到一條光線.如圖3所示.

在八面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)敲擊音叉，由于音叉振動(dòng)而反射出去的光斑，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)著的八面鏡的反射，就會(huì)具有一個(gè)橫向速度.最后在顯示面上的光點(diǎn)在音叉和八面鏡的同時(shí)作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡所造成的視覺(jué)后像就是一條美麗的波紋.如圖4所示.

在八面鏡旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定的情況下，光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)受音叉振動(dòng)的頻率和振幅的影響.

4 基于可視化教具的教學(xué)創(chuàng)新研究

4.1 探究影響音調(diào)的因素

教師在課堂中使用發(fā)音齒輪探究影響音調(diào)的因素.轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，將硬紙片分別靠近不同齒數(shù)的齒輪，可以觀察到隨著齒輪齒數(shù)的增大，硬紙片被撥動(dòng)所振動(dòng)發(fā)出的聲音越來(lái)越高.由于齒輪的齒數(shù)越大，紙片振動(dòng)越來(lái)越快，可以得出聲音的音調(diào)與發(fā)聲體振動(dòng)的快慢有關(guān).教學(xué)過(guò)程見(jiàn)表1.

4.2 區(qū)分不同音調(diào)聲音的波形

教師在課堂中使用波形演示器幫助同學(xué)們區(qū)分不同音調(diào)聲音的波形.分別敲擊振動(dòng)頻率高低不同的音叉可以觀察到頻率高的音叉所發(fā)出的聲音波形比較密集，頻率低的音叉所發(fā)出的聲音波形比較疏散.可以得出不同音調(diào)的聲音波形疏密不同.教學(xué)過(guò)程見(jiàn)表2.

4.3 區(qū)分不同響度聲音的波形

教師在課堂中使用波形演示器幫助同學(xué)們區(qū)分不同響度聲音的波形.分別用兩個(gè)大小不同的力敲擊同一個(gè)音叉，可以觀察到越大的力敲擊音叉，聲音的響度越大，波形更高.可以得出不同響度的聲音波形高低不同.教學(xué)過(guò)程見(jiàn)表3.

5 結(jié)束語(yǔ)

中學(xué)物理教學(xué)創(chuàng)新的關(guān)鍵點(diǎn)之一就是物理實(shí)驗(yàn)教具的創(chuàng)新，而這組基于聲現(xiàn)象可視化的實(shí)驗(yàn)教具可以很好地幫助學(xué)生理解有關(guān)聲現(xiàn)象物理觀念的內(nèi)涵.筆者利用物理學(xué)中轉(zhuǎn)換的思想方法，巧妙設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)教具，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，用自制“波形演示器”讓學(xué)生通過(guò)肉眼看見(jiàn)聲音的形狀，從感性的角度加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于聲音的物理觀念的認(rèn)識(shí);將當(dāng)堂實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得出結(jié)論，學(xué)習(xí)新知，讓學(xué)生更能體會(huì)到實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣.

在2021年7月在四川師范大學(xué)舉辦的“格致杯”物理師范生教學(xué)技能展評(píng)活動(dòng)中本教具榮獲二等獎(jiǎng).

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（收稿日期：2021-08-04）