自制教具優(yōu)化“聲音的強(qiáng)與弱”實(shí)驗(yàn)

趙一凡

教科版小學(xué)科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)教材第一單元第5課《聲音的強(qiáng)與弱》中，有一個(gè)探究活動(dòng)是有關(guān)聲音的強(qiáng)與弱實(shí)驗(yàn)。教材設(shè)計(jì)的這個(gè)實(shí)驗(yàn)總體而言是操作簡(jiǎn)單、容易理解的，但在實(shí)際教學(xué)后卻發(fā)現(xiàn)受材料所限，振幅模糊不清;受學(xué)生身體力量所限，雜音干擾強(qiáng)烈;受制于教材框定，用力界限不清。通過自制聲學(xué)教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，使振幅“清晰可見”、按壓“輕而易舉”、力度“精準(zhǔn)可控”，以期提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：將一把鋼尺伸出桌面大約20厘米，用一只手壓住鋼尺的一端，另外一只手撥動(dòng)鋼尺的另一端。先輕輕撥動(dòng)鋼尺，聽一聽鋼尺發(fā)出的聲音，并觀察鋼尺是怎樣振動(dòng)的;再用力撥動(dòng)鋼尺，鋼尺發(fā)出的聲音和它的振動(dòng)幅度有什么變化。（見圖1）

一、實(shí)驗(yàn)存在的弊端

（一）受材料所限，振幅模糊不清

工欲善其事必先利其器。一套好的實(shí)驗(yàn)材料，能有效降低操作難度，提升實(shí)驗(yàn)精度，從而更好地呈現(xiàn)知識(shí)與探究活動(dòng)的內(nèi)在邏輯，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念和原理的深入理解。目前市面上與小學(xué)科學(xué)課程配套的實(shí)驗(yàn)材料中，有一部分材料有較大的優(yōu)化空間，比如我校原先采購(gòu)的器材箱中的鋼尺是15厘米的，長(zhǎng)度極短。筆者帶領(lǐng)學(xué)生在對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際操作后發(fā)現(xiàn)，若鋼尺伸出桌面較短，撥動(dòng)以后鋼尺振動(dòng)的速度會(huì)非?？?，沒一會(huì)兒便停止振動(dòng)，學(xué)生用不同的力撥動(dòng)鋼尺時(shí)，由于鋼尺前后兩次振動(dòng)的速度都很快，且持續(xù)時(shí)間極短，學(xué)生幾乎看不出振幅大小的差別。尤其是少數(shù)學(xué)生在操作時(shí)，出現(xiàn)了前后兩次按壓力度差不多的情況，這就更難發(fā)現(xiàn)鋼尺振動(dòng)幅度的變化了。鋼尺自身的弊端導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯，學(xué)生也因此得出錯(cuò)誤的結(jié)論，繼而在研討環(huán)節(jié)中出現(xiàn)了極大的爭(zhēng)議，出于時(shí)間考慮，筆者只好稍作解釋便草草結(jié)束。

（二）受學(xué)生力量所限，雜音干擾強(qiáng)烈

結(jié)構(gòu)優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)材料，除了要呈現(xiàn)直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也要便于學(xué)生操作。要想清晰地聽到鋼尺振動(dòng)的聲音，學(xué)生在操作時(shí)需將鋼尺緊緊按住，否則發(fā)出的一般都是鋼尺拍打桌子的聲音，而鋼尺自身的振動(dòng)聲音則被完全掩蓋。四年級(jí)小學(xué)生上肢的力量有限，很難有效壓住鋼尺，雜音的產(chǎn)生難以避免，并且在撥動(dòng)鋼尺的力度相差不大的情況下，鋼尺拍打桌子的音量聽起來也是差不多的。這就對(duì)實(shí)驗(yàn)效果造成了極大的影響，學(xué)生根本無法聽出前后兩次聲音的差別，而他們通常意識(shí)不到這些問題。而且在實(shí)際操作時(shí)，由于教室嘈雜，教師也很難分辨出學(xué)生的操作是否規(guī)范，無法及時(shí)干預(yù)，即便在實(shí)驗(yàn)前百般提醒，此種情況也難以避免。

（三）受教材規(guī)定所限，用力界限不清

新課改要求教師實(shí)現(xiàn)從“教教材”到“用教材教”的轉(zhuǎn)變，教師要形成超越教材的視野和精準(zhǔn)育人的理念，不可受制于教材的框定。要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)和學(xué)生的能力發(fā)展水平，對(duì)教材進(jìn)行多樣化解讀，并進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充、修改、拓展和延伸。在本課的實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生先輕輕撥動(dòng)鋼尺，再用力撥動(dòng)鋼尺，觀察鋼尺聲音和振動(dòng)幅度的變化。筆者認(rèn)為，教材中所描述的“輕輕”與“用力”，界限不是很清晰，這讓學(xué)生在操作的時(shí)候不太好把握撥動(dòng)力度，當(dāng)實(shí)際操作時(shí)，“輕輕”與“用力”的差別不是特別大時(shí)，則又會(huì)受到前面兩個(gè)因素的干擾。

二、實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化

聲音的強(qiáng)弱、高低是四年級(jí)學(xué)生在學(xué)習(xí)“聲音”這一單元時(shí)的難點(diǎn)，教師難教，學(xué)生難理解。因此，教師需對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，通過呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的探究材料，設(shè)計(jì)學(xué)生樂于操作、便于理解的活動(dòng)，使教學(xué)從定性走向定量。筆者結(jié)合上述聲音單元的實(shí)驗(yàn)弊端和自己的思考，自制了一個(gè)能體現(xiàn)聲音高低強(qiáng)弱的實(shí)驗(yàn)教具（見圖2），期望通過該教具對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念和原理的理解。

（一）焊接激光頭，振幅“清晰可見”

受限于材料自身的弊端及學(xué)生操作的不規(guī)范等因素，筆者思考：如何才能讓振幅從“看得見”走向“看得清”，從而使振幅變得可以測(cè)量？通過自制的聲學(xué)教具，就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。在設(shè)計(jì)該教具時(shí)，筆者選擇的是長(zhǎng)度為30厘米的鋼尺，在鋼尺上端，配備了一個(gè)3V點(diǎn)狀激光頭，可以持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)射光線。在電源的選擇上，筆者最初考慮的是干電池搭配干電池盒，但在安裝過程中發(fā)現(xiàn)，將電源固定在鋼尺上，其重量會(huì)影響鋼尺的振動(dòng)，固定在木材上，則又需要提供更長(zhǎng)的導(dǎo)線用于鋼尺的抽拉。在幾次改進(jìn)迭代之后，最終選擇搭配3V的紐扣電池及紐扣電池盒，用熱熔膠槍焊接在鋼尺上。相比于干電池，采用紐扣電池固定在鋼尺上，這樣的電路裝置更為輕便，不影響鋼尺的抽拉和振動(dòng)。以不同大小的力撥動(dòng)鋼尺時(shí)，刻度紙上會(huì)顯示光點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的距離區(qū)間，即振幅大?。ㄒ妶D3），如此一來，振幅情況一目了然。

（二）主體上開槽，按壓“輕而易舉”

為了讓學(xué)生在操作過程中更為省力，勢(shì)必要摒棄直接在課桌上按壓的操作方式，需將鋼尺固定在適當(dāng)?shù)奈矬w中。為使教具更具推廣性，同時(shí)考慮造價(jià)成本，筆者認(rèn)為將鋼尺固定在木材中進(jìn)行操作不失為一個(gè)好辦法。在制作該教具的主體部分時(shí)，需要在木材合適的位置開槽以放置鋼尺，為使鋼尺能夠向下按到一定幅度，開槽位置需選在中間偏上，由于電路裝置的存在，槽的深度需小于30厘米（鋼尺自身的長(zhǎng)度）。最終，筆者在木材的上半部分向內(nèi)開了一個(gè)25厘米深的槽。除了深度，槽的縱向厚度也需嚴(yán)格控制，太寬會(huì)壓不緊鋼尺，導(dǎo)致?lián)軇?dòng)鋼尺時(shí)會(huì)產(chǎn)生擊打木頭的聲音，而太窄又會(huì)使得鋼尺的抽拉不夠靈活。在多次切割和測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，最佳厚度為1毫米，既能夠讓鋼尺在其中靈活地抽拉，按壓木頭時(shí)，也能夠把鋼尺壓緊。學(xué)生在使用該教具時(shí)，只需輕輕按壓木頭，便可消除雜音，此時(shí)便不再有鋼尺振動(dòng)聲以外的聲音。

（三）增加刻度板，力度“精準(zhǔn)可控”

為解決教材實(shí)驗(yàn)的弊端，分清“輕輕”與“用力”的界限，筆者在教具的側(cè)面配備了一塊帶有刻度的木板（見圖4），可以作為參照，讓學(xué)生精準(zhǔn)控制自己撥動(dòng)鋼尺的力度。在授課時(shí)，教師可以事先做好規(guī)定，“輕輕”按就是把鋼尺按到第一個(gè)刻度，“用力”按就是把鋼尺按到最后一個(gè)刻度，精準(zhǔn)可控的操作過程讓教師能夠更好地引導(dǎo)學(xué)生自主參與探究活動(dòng)，有效降低了實(shí)驗(yàn)難度，同時(shí)提升了實(shí)驗(yàn)的精確性。

此外，該教具在第6課《聲音的高與低》中也可應(yīng)用，側(cè)面木板的刻度可以作為參照，使每一次按壓的力度保持不變。學(xué)生可以小組合作，改變鋼尺伸出桌面的長(zhǎng)度，比如分別為14厘米、12厘米、10厘米、8厘米等，然后使用具有“慢動(dòng)作”拍攝功能的手機(jī)，拍下鋼尺的振動(dòng)過程，數(shù)出一定時(shí)間內(nèi)鋼尺振動(dòng)的次數(shù)，使得振動(dòng)的快慢像振動(dòng)幅度一樣可以測(cè)量。以華為手機(jī)的“慢動(dòng)作”拍攝為例，其拍攝持續(xù)時(shí)間為7秒，教師可以根據(jù)不同手機(jī)的功能差異，自由決定拍攝持續(xù)時(shí)間，但要控制4種情況下的拍攝持續(xù)時(shí)間一致。

三、教學(xué)效果

在使用該教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生對(duì)于撥動(dòng)鋼尺的力度把控得非常精確，在操作過程中最大限度地避免了其他聲音對(duì)鋼尺振動(dòng)聲音的干擾，能夠清晰地感受到鋼尺聲音強(qiáng)弱的變化。除此之外，在觀察鋼尺的振幅情況時(shí)，學(xué)生只需觀察刻度紙上的光點(diǎn)。光點(diǎn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出來的是一條直線，學(xué)生一眼就能看出，鋼尺振動(dòng)幅度越大，聲音越強(qiáng)，反之，鋼尺振動(dòng)幅度越小，聲音越弱（見圖5）。鋼尺振動(dòng)時(shí)的振幅從原本的“看得見”成功走向“看得清”，實(shí)驗(yàn)效果顯著提升。

教材中有關(guān)聲音高低強(qiáng)弱的實(shí)驗(yàn)屬于定性實(shí)驗(yàn)，定性教學(xué)只是關(guān)注認(rèn)知的表象。筆者自制的聲學(xué)教具，可進(jìn)行定量教學(xué)，讓振幅、振動(dòng)的快慢可以測(cè)量，幫助學(xué)生追尋概念形成的本質(zhì)，指向知其然且知其所以然的目標(biāo)。教師精心思考，設(shè)計(jì)學(xué)生樂于操作、便于理解的活動(dòng)，精心優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使教學(xué)從定性走向定量，有助于攻破聲音單元的教學(xué)難點(diǎn)。