核心素養(yǎng)目標(biāo)下“聲音的特性”DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

張旺 汪志榮

關(guān)鍵詞：DIS實(shí)驗(yàn)：聲音的特性：聲波圖：教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

“聲音的特性”是在介紹聲音的產(chǎn)生與傳播知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)聲音性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，對(duì)初中聲學(xué)內(nèi)容起到引領(lǐng)和鋪墊的重要作用。教學(xué)中要讓學(xué)生了解聲音的特性，最好的方法是動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過(guò)真切的感受去認(rèn)識(shí)。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，運(yùn)用DIS進(jìn)行本節(jié)探究活動(dòng)設(shè)計(jì)，結(jié)合直觀(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和信息可視化功能，幫助學(xué)生從振動(dòng)圖像特征的角度去理解聲音特性的概念，將聲音響度的大小、音調(diào)的高低以及音色的差異，與聲波波形圖的高低、疏密和形狀等性質(zhì)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析，將有利于學(xué)生形成描述聲音特性的相關(guān)物理概念。

物理核心素養(yǎng)集中體現(xiàn)了物理學(xué)科的教育價(jià)值，是三維課程目標(biāo)的整合、提煉與發(fā)展，為了發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，本節(jié)教學(xué)將DIS數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和中國(guó)傳統(tǒng)樂(lè)器結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)“聲音的特性”探究教學(xué)活動(dòng)。

1情境導(dǎo)入

首先，欣賞一段《保衛(wèi)黃河》交響樂(lè)，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題探究情境。引導(dǎo)學(xué)生思考，這段音樂(lè)時(shí)而亢奮，時(shí)而平穩(wěn)，其中的聲音有何不同？交響樂(lè)演奏當(dāng)中用到哪些樂(lè)器？這些樂(lè)器發(fā)出的聲音有何不同？其中有男生合唱和女生合唱，這兩種聲音又有何不同？進(jìn)而提出如何認(rèn)識(shí)不同聲音的特性？由此開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)活動(dòng)。

2DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1探究響度及其影響因素

教師首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示：用不同大小的力敲擊音叉，讓學(xué)生辨別音叉先后兩次發(fā)聲有何不同？引導(dǎo)學(xué)生分辨出聲音的強(qiáng)弱不同，進(jìn)而指出，物理中用響度來(lái)表示聲音的強(qiáng)弱，即聲音的大小。然后，讓學(xué)生列舉生活中有關(guān)響度差異和變化的聲音現(xiàn)象，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)響度概念的理解。

教師追問(wèn)：影響聲音響度大小的因素是什么？

圍繞上述問(wèn)題，開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)：依次用很小的、較小的和較大的力敲擊音叉，并讓音叉接觸懸吊在鐵架臺(tái)上的乒乓球。引導(dǎo)學(xué)生聽(tīng)音叉三次發(fā)聲的響度和觀(guān)察乒乓球的振動(dòng)幅度，指出乒乓球振動(dòng)有何不同？三組聲音的響度有何差異？

進(jìn)一步說(shuō)明，敲擊音叉，音叉振動(dòng)發(fā)聲，但是振動(dòng)很微弱，肉眼無(wú)法觀(guān)察，所以運(yùn)用轉(zhuǎn)化法和放大法，將振動(dòng)的音叉輕觸乒乓球，乒乓球便在音叉的作用下振動(dòng)。乒乓球振動(dòng)的幅度越大，反映音叉振動(dòng)的幅度也就越大。由此指出，物理學(xué)中，用振幅表示物體振動(dòng)的幅度。

分析演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論：聲音的響度與振幅有關(guān)，振幅越大，響度越大;振幅越小，響度越小。

探究響度的影響因素，除了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)外，還可以應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)裝置。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，用較大的、較小的和很小的力敲擊音叉，通過(guò)聲波傳感器依次采集音叉發(fā)出的聲音，用電腦顯示三段聲音形成的波形圖（圖1），并無(wú)線(xiàn)投屏到講臺(tái)上的大屏幕。

通過(guò)觀(guān)察、分析波形圖可知，不同響度的聲音形成的波形圖高低不同，波形圖越高，說(shuō)明振幅越大，則聲音的響度越大。

應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)探究聲波振幅，利用圖像進(jìn)行表征，不僅有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)振幅概念的理解，認(rèn)識(shí)振幅和響度的關(guān)系，同時(shí)還能夠引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)通過(guò)物理圖像分析聲音特性的研究方法，為進(jìn)一步探究音調(diào)和音色的影響因素奠定認(rèn)知基礎(chǔ)。同時(shí)，結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用，能夠激發(fā)學(xué)生的探究興趣。

教師進(jìn)一步追問(wèn)學(xué)生：聲音的響度除了與聲源振幅有關(guān)，還可能與什么因素有關(guān)？并列舉聲源距離和分散程度引起聲音的響度變化，引導(dǎo)學(xué)生理解聲音響度還與聲音的傳播距離和分散程度有關(guān)。

2.2探究音調(diào)及其影響因素的DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

教師首先播放一段用古代編鐘演奏《東方紅》的音樂(lè)視頻，讓學(xué)生猜想古人用編鐘演奏的聲學(xué)道理。為了讓學(xué)生認(rèn)識(shí)編鐘演奏的原理，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，用不同長(zhǎng)度的合金管制作了簡(jiǎn)易合金管“編鐘”，如圖2所示。讓學(xué)生用木棍由長(zhǎng)到短依次敲擊合金管，保持敲擊力度大致相同，讓學(xué)生感受長(zhǎng)短不一的合金管發(fā)出聲音的差異，體會(huì)其中音樂(lè)演奏的道理。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生辨認(rèn)聲音的高低不同，引出音調(diào)的概念，在物理學(xué)中，用音調(diào)表示聲音的高低特性。

創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境：教師再次用木棍依次敲擊合金管，由長(zhǎng)到短，合金管發(fā)出的聲音逐漸變得尖銳，即聲音的音調(diào)逐漸變高，提問(wèn)音調(diào)的高低與什么因素有關(guān)？

接著開(kāi)展隨堂小實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生撥動(dòng)直尺，直尺振動(dòng)發(fā)聲，改變直尺伸出桌面的長(zhǎng)度，再次撥動(dòng)直尺，兩次操作發(fā)現(xiàn)直尺振動(dòng)的快慢不同。由此指出，在物理中用頻率表示物體振動(dòng)的快慢。頻率是物體每秒內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)，單位是赫茲（Hz）。

2.2.1定性探究音調(diào)的影響因素

古代樂(lè)器排簫是由長(zhǎng)短不同的蕭排列組合而成，如圖3所示。排簫發(fā)聲穩(wěn)定，吹奏長(zhǎng)度不同的簫管，發(fā)出聲音的音調(diào)不同。因此，可用排簫和DIS實(shí)驗(yàn)定性探究音調(diào)的影響因素。

教師演示排簫發(fā)聲：選擇四根簫管，由長(zhǎng)到短地均勻用力吹奏，用力大小相當(dāng)，讓學(xué)生辨認(rèn)幾組聲音的音調(diào)差異。

同時(shí)，用聲波傳感器采集上述實(shí)驗(yàn)的四組聲音，并將電腦顯示的聲波圖（圖4）投屏到大屏幕，引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察，比較分析振動(dòng)特點(diǎn)的差異，得出音調(diào)的影響因素。

實(shí)驗(yàn)表明，隨著排簫的蕭管長(zhǎng)度變短，發(fā)出聲音的音調(diào)變高。分析DIS顯示的聲波圖可知，隨著排簫長(zhǎng)度變短，發(fā)出聲音所形成的波形圖逐漸密集。波形圖的縱坐標(biāo)表示振幅，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，由于頻率與周期成反比關(guān)系，所以波形圖的疏密程度反映了振動(dòng)頻率的大小，波形越密，頻率越大;波形越疏，頻率越小。

2.2.2定量探究音調(diào)的影響因素

通過(guò)“聽(tīng)”和“看”進(jìn)行定性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究，能初步得出音調(diào)與頻率的關(guān)系，但該結(jié)論的精確性和普遍性還需要定量探究。

（1）設(shè)計(jì)方案和實(shí)施探究

DIS聲振功能界面不僅能顯示聲音的波形圖，還能顯示發(fā)聲物體振動(dòng)的具體頻率值。排簫共有14根長(zhǎng)短不同的簫，為了凸顯數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，按照由長(zhǎng)到短的順序每隔一根選取一根簫為研究對(duì)象，共選擇7根簫，對(duì)它們從1到7進(jìn)行編號(hào)，測(cè)量其長(zhǎng)度。由教師吹奏排簫，同時(shí)開(kāi)啟DIS實(shí)驗(yàn)裝置，用聲波傳感器依次采集這些排簫發(fā)聲的頻率，學(xué)生依次辨別和記錄各自發(fā)聲的音調(diào)特征，并記錄數(shù)據(jù)。以下記錄了3組實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，如表1所示。

（2）科學(xué)觀(guān)察和數(shù)據(jù)分析，總結(jié)結(jié)論

聽(tīng)7根簫發(fā)聲的音調(diào)，定性尋找音調(diào)與排簫長(zhǎng)度的關(guān)系特征，記錄7根簫發(fā)聲時(shí)空氣柱振動(dòng)頻率數(shù)據(jù)，定量分析排簫發(fā)聲音調(diào)與排簫長(zhǎng)度、振動(dòng)頻率之間的關(guān)系特征。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，三組實(shí)驗(yàn)均表明從長(zhǎng)到短依次吹奏排簫，聲振的頻率越來(lái)越高，聲音的音調(diào)也越來(lái)越高，說(shuō)明聲音的音調(diào)與發(fā)聲體振動(dòng)的頻率有關(guān)，頻率越大，音調(diào)越高;頻率越小，音調(diào)越低。

（3）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行科學(xué)解釋

關(guān)于音調(diào)決定于聲源的振動(dòng)頻率，應(yīng)從發(fā)聲的物理機(jī)制進(jìn)行解釋?zhuān)U明物理原理。吹奏排簫，氣流進(jìn)入管內(nèi)，與管的內(nèi)壁發(fā)生摩擦和碰撞，空氣柱振動(dòng)發(fā)出聲音，由于每根簫的長(zhǎng)度不同，管內(nèi)空氣柱振動(dòng)的快慢不同，即頻率不同，管越長(zhǎng)，管內(nèi)空氣柱振動(dòng)越慢，頻率越低，所以發(fā)出聲音的音調(diào)越低。

2.3探究音色及其影響因素

理解音色概念及其影響因素的物理內(nèi)涵是本節(jié)的教學(xué)難點(diǎn)。對(duì)于音色的影響因素，各版教科書(shū)中都未做過(guò)多描述，只提到“不同發(fā)聲體結(jié)構(gòu)材料不同，發(fā)出聲音的音色不同”。物體振動(dòng)發(fā)聲，振幅影響響度，振動(dòng)頻率影響音調(diào)，所以討論音色的影響因素時(shí)，自然會(huì)想到聲源振動(dòng)的某一屬性。

運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)，從圖像的角度去分析不同材料結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方式不同，很容易突破音色這一教學(xué)難點(diǎn)。

教師通過(guò)播放音頻，讓學(xué)生辨別二胡、鼓和笛子發(fā)出的聲音，學(xué)生可辨別出這3種樂(lè)器發(fā)出聲音的特色、品質(zhì)不同。由此可以指出，物理中用音色表示聲音的特色與品質(zhì)。同時(shí)列舉聞聲辨人等例子，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)音色概念的理解。

設(shè)問(wèn)：不同樂(lè)器發(fā)出聲音的音色不同，那音色的影響因素是什么？

演示：敲擊合金管“編鐘”和吹奏排簫，兩次發(fā)聲的音色不同。

追問(wèn)：合金管“編鐘”由金屬制作，屬于打擊樂(lè)器，排簫由竹子制作，屬于管樂(lè)器，這兩種樂(lè)器的材料和結(jié)構(gòu)不同。為什么發(fā)聲體的材料和結(jié)構(gòu)不同，發(fā)出聲音的音色不同呢？

運(yùn)用類(lèi)比方法，設(shè)計(jì)DIS實(shí)驗(yàn)，分析這些聲音所形成的波形圖。教師先敲擊音叉發(fā)出聲音，再依次播放笛子、二胡的獨(dú)奏樂(lè)曲，用聲波傳感器依次采集這三組聲音，讓學(xué)生觀(guān)察這三組聲音所形成的波形圖，如圖5所示。

現(xiàn)象分析：3列聲波圖的形狀不同。很明顯，音叉發(fā)聲的波形圖形狀更平滑，更規(guī)則;相比較之下，笛子和二胡發(fā)聲的波形圖形狀不規(guī)則，但是也具有周期性，這是什么原因造成的呢？

引導(dǎo)啟發(fā)：音叉、二胡和笛子等振動(dòng)的方式各不相同。音又是金屬振動(dòng)發(fā)聲;二胡發(fā)聲是拉動(dòng)弓弦與琴弦摩擦使琴弦振動(dòng)而發(fā)聲：笛子發(fā)聲是氣流進(jìn)入笛管內(nèi)，與笛管內(nèi)壁發(fā)生摩擦、碰撞而使空氣柱振動(dòng)發(fā)聲。音叉作為特制的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，金屬材質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)稱(chēng)，所以振動(dòng)方式較為穩(wěn)定，從而形成的聲波圖形狀比較規(guī)則，呈周期正弦波圖形，即使振動(dòng)衰減，聲音的響度變小，其形狀規(guī)范性不變。相比較之下，二胡是多根琴弦振動(dòng)，其振動(dòng)方式較為復(fù)雜，所形成聲音的波形圖不規(guī)則。同樣，引起笛子發(fā)聲的空氣柱振動(dòng)方式也比較復(fù)雜，聲波圖也不規(guī)則。

通過(guò)應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)顯示聲波圖的方式設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，能夠引導(dǎo)學(xué)生真正體會(huì)到由于聲源的材料和結(jié)構(gòu)不同，其振動(dòng)方式和振動(dòng)性質(zhì)有差別，因而導(dǎo)致發(fā)聲的音色不同。這種針對(duì)音色的概念教學(xué)，能夠促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)其物理本質(zhì)。

3傳統(tǒng)聲樂(lè)文化教育

中國(guó)古代傳統(tǒng)樂(lè)器文化博大精深，其中蘊(yùn)含著豐富物理聲學(xué)和樂(lè)律學(xué)知識(shí)，通過(guò)運(yùn)用合金管“編鐘”和排簫開(kāi)展探究活動(dòng)體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生進(jìn)行中國(guó)古典聲樂(lè)文化教育。編鐘是古代大型打擊樂(lè)器，其聲音洪亮、形態(tài)雄渾、堅(jiān)固耐用，正因?yàn)槿绱耍瑲v朝歷代都把編鐘尊為宮廷樂(lè)器之首。據(jù)史料記載，早在商朝就有了青銅編鐘，具有代表性的是1978年出土的曾侯乙編鐘，是人類(lèi)青銅時(shí)代最偉大的藝術(shù)作品，也是有史以來(lái)音樂(lè)考古學(xué)上罕見(jiàn)的重大發(fā)現(xiàn)，被譽(yù)為“世界第八大奇跡”，全套編鐘由多達(dá)65件單體青銅樂(lè)鐘組成，有著三層八組的宏大構(gòu)造，總用銅量達(dá)4421.48千克。排簫是中國(guó)最早出現(xiàn)的編管樂(lè)器，最早出現(xiàn)于遠(yuǎn)古社會(huì)末期，是一件具有民族特色的樂(lè)器，其形制、音色都體現(xiàn)著中國(guó)傳統(tǒng)音樂(lè)的審美理念，是中國(guó)悠久傳統(tǒng)音樂(lè)文化的象征。

教師進(jìn)行聲音特性的教學(xué)活動(dòng)前，可以簡(jiǎn)要介紹中國(guó)古代傳統(tǒng)樂(lè)器，開(kāi)展傳統(tǒng)聲樂(lè)文化教育。這種活動(dòng)設(shè)計(jì)，不僅僅介紹大型編鐘和排簫的歷史資料，還讓學(xué)生運(yùn)用合金管“編鐘”模仿編鐘演奏古代樂(lè)曲，通過(guò)實(shí)際操作體驗(yàn)，增進(jìn)對(duì)編鐘的了解。學(xué)生根據(jù)排簫的發(fā)聲原理，可以在課下用吸管自制排簫，體驗(yàn)運(yùn)用排簫演奏樂(lè)曲的樂(lè)趣，激發(fā)學(xué)生對(duì)中國(guó)古代文化的興趣。

4結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用DIS傳感系統(tǒng)和中國(guó)傳統(tǒng)樂(lè)器開(kāi)展探究活動(dòng)設(shè)計(jì)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。一方面，運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)開(kāi)展聲音的特性探究活動(dòng)，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，學(xué)生同步觀(guān)察到聲音的動(dòng)態(tài)波形，對(duì)比分析不同聲音的波形圖，能夠促進(jìn)對(duì)音調(diào)、響度和音色等物理概念內(nèi)涵及其影響因素的理解，認(rèn)識(shí)其物理本質(zhì)，更好地形成科學(xué)的物理觀(guān)念。另一方面，在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中注重滲透方法，通過(guò)轉(zhuǎn)換、放大、圖像法和控制變量法的應(yīng)用，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解釋和評(píng)估活動(dòng)，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究和科學(xué)思維能力。此外，運(yùn)用編鐘、排簫等樂(lè)器開(kāi)展探究活動(dòng)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行中國(guó)傳統(tǒng)聲樂(lè)文化教育，有利于陶冶學(xué)生的藝術(shù)情操，彰顯中國(guó)古代的文化自信，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。