改進(jìn)設(shè)計教具 組織《聲音的強(qiáng)與弱》實驗教學(xué)

◇張旭梅 趙茂婷 葉 超 喻文靜 王朝君（四川：樂山師范學(xué)院教育科學(xué)學(xué)院）

教具是科學(xué)教學(xué)的有利工具，基于現(xiàn)存教具的不足進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，既能提升教師專業(yè)能力，又能提高教學(xué)效果。研究以《聲音的強(qiáng)與弱》這節(jié)課為例，闡述了小學(xué)科學(xué)教具的改進(jìn)設(shè)計與應(yīng)用，分析了應(yīng)用效果。

一、問題的提出

教科版小學(xué)科學(xué)四年級上冊“聲音”單元中第5 課《聲音的強(qiáng)與弱》的核心內(nèi)容，是探究聲音強(qiáng)弱與振動幅度的關(guān)系。教科書中共呈現(xiàn)了3 個探究活動供教師參考，但在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，原型實驗教具存在一些不足之處。下文將對原型實驗教具進(jìn)行深入分析，并基于其不足，闡述改進(jìn)教具的設(shè)計思路、創(chuàng)新之處、制作材料和制作過程。

二、小學(xué)科學(xué)教具的改進(jìn)設(shè)計

（一）教具一的改進(jìn)設(shè)計與說明

教科書中探究活動3是用不同的力量敲擊鼓面，當(dāng)鼓面發(fā)出強(qiáng)弱不同的聲音時，觀察鼓面振動幅度的變化，從而建構(gòu)兩者之間的關(guān)系。對于這個活動，在實踐過程中發(fā)現(xiàn)：鼓聲明顯，易對比強(qiáng)弱，但鼓面振動的變化難用肉眼直接觀察，振動幅度也就不顯性化，無法比較振動幅度，無法建構(gòu)聲音強(qiáng)弱與振動幅度的關(guān)系。

鑒于如上情況，筆者對教具進(jìn)行了改進(jìn)。主要有如下幾點(diǎn)創(chuàng)新之處：

將振動幅度顯性化。在鼓面上放一粒小紙屑，當(dāng)敲擊鼓面時，鼓面振動，從而將紙片彈起來。紙屑彈跳的高度代表鼓面振動的幅度，當(dāng)學(xué)生用不同力度敲擊鼓面時，通過比較聲音強(qiáng)弱和紙屑彈跳高度，即可建構(gòu)聲音強(qiáng)弱和振動幅度的關(guān)系。

對比明顯。通過對比米粒、黃豆、白色紙屑、彩色紙屑等多種材料，由于豆粒容易滾落，白色紙屑與鼓面顏色相近，彩色紙屑顏色明顯，最終選擇藍(lán)色紙屑作為放大鼓面振動現(xiàn)象的物品，以有利于學(xué)生觀察和比較。

5 寸的牛皮鼓1 個；1 對鼓槌；直徑0.8cm的圓形藍(lán)色紙屑1粒。

用藍(lán)色卡紙裁剪1粒直徑為0.8cm的圓形紙屑，放在鼓面上，作為觀察對象。

第一，將藍(lán)色紙屑放在鼓面中間，手持鼓槌，以較輕的力度敲擊鼓面中間，觀察紙屑跳動高度，同時感受聲音的強(qiáng)弱。

第二，將藍(lán)色紙屑再次放在鼓面中間，加大敲擊力度。

第三，觀察、比較，以敲擊力度輕、較重、重三個力度依次敲擊三次。

（二）教具二的改進(jìn)設(shè)計與說明

教科書中探究活動2是將橡皮筋固定在木板的兩根釘子上，用不同力度撥動橡皮筋，讓橡皮筋發(fā)出強(qiáng)弱不同的聲音，觀察橡皮筋在發(fā)出強(qiáng)弱不同的聲音時，振動幅度的變化。通過實踐發(fā)現(xiàn)振動幅度很明顯，但存在以下幾點(diǎn)不足之處。

聲音小。橡皮筋本身振動發(fā)出的聲音就較小，對比不明顯，加之在課堂教學(xué)中有其他聲音的干擾，對比聲音強(qiáng)弱更加困難。

存在安全隱患。小學(xué)四年級學(xué)生天性好動，在撥動橡皮筋過程中，特別是大力撥動時，很容易彈到手指，傷到自己和他人。

不能實現(xiàn)關(guān)系的動態(tài)建構(gòu)。在該活動中，學(xué)生重復(fù)地?fù)軇酉鹌そ睿荒芡ㄟ^短時發(fā)聲和振動現(xiàn)象來建構(gòu)關(guān)系，而不能建構(gòu)聲音強(qiáng)弱隨振動幅度變化的動態(tài)過程。

一位小學(xué)教師曾設(shè)計變頻揚(yáng)聲裝置替代教科書原有教具，用于探究音高與振動頻率的關(guān)系，通過變頻改變聲音的高低，同時在揚(yáng)聲器上放上米粒等物體，通過觀察其跳動變化，進(jìn)一步鞏固關(guān)系。受此啟發(fā)，筆者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。該教具主要有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

聲音對比明顯。喇叭揚(yáng)聲器的工作原理是接入電源后，電流會通過喇叭上的線圈，并產(chǎn)生磁場反應(yīng)。當(dāng)接入的是交流電源時，由于電流方向會不斷改變，導(dǎo)致產(chǎn)生的電磁方向也會不斷變化，根據(jù)同性相吸、異性排斥規(guī)則，線圈會一收一擴(kuò)，從而帶動紙盆振動，同時反復(fù)拉伸和壓縮周圍的空氣，產(chǎn)生聲波，發(fā)出的聲音要比橡皮筋大很多，對比起來更加明顯。

小球不會掉落。由于揚(yáng)聲器喇叭的圓形紙盆是一個凹槽，所以小球會向四面八方跳動，而在紙盆邊緣固定一個亞克力透明半球罩，就能保證小球只在半球罩內(nèi)跳動，便于觀察。

可實現(xiàn)動態(tài)建構(gòu)。只要一直接通電源，喇叭就會持續(xù)發(fā)聲，同時里面的小球會不斷跳動，當(dāng)改變電壓后，磁極大小改變，紙盆振動、小球跳動高度也會隨之改變。因此，在接通電源的情況下，改變電壓大小，可通過喇叭的持續(xù)發(fā)聲和小球的持續(xù)跳動來建構(gòu)振動幅度和聲音強(qiáng)弱的動態(tài)關(guān)系。

10 寸的喇叭1 個；16V、長20cm、寬15cm、高8cm 的學(xué)生電源1 個；直徑1.5cm 的彩色棉小球1 粒；直徑240mm 的亞克力透明半球罩1 個；長20cm 的U 型導(dǎo)線2 根；絕緣膠帶若干；電烙鐵1個；烙鐵架1個；錫線50g；熱熔膠槍1個。

第一，將彩色棉小球放在揚(yáng)聲器喇叭的凹槽里，用熱熔膠槍將亞克力透明半球罩固定在喇叭紙盆上，只需固定邊緣對角的四個點(diǎn)即可，保證小球不會跳出來，同時空氣能夠進(jìn)入半球罩內(nèi)。

第二，先將2 根導(dǎo)線一端的U 型接口剪去，再將包裹的塑料絕緣層剪去，留下1cm 的銅芯線，按照同樣的方法，將揚(yáng)聲器喇叭上的接線也進(jìn)行處理；隨后將導(dǎo)線和喇叭接線的銅芯線手動纏繞在一起，再用電烙鐵固定，用絕緣膠帶纏繞所有露出的導(dǎo)線進(jìn)行再次固定，防止在拉扯中斷裂；最后將2 根導(dǎo)線剩余的U 型接口連接在學(xué)生電源的交流接口處。

第一，先將學(xué)生電源的插頭插在插座上，打開電源開關(guān)，觀察小球跳動高度。

第二，緩慢順時針轉(zhuǎn)動電壓調(diào)節(jié)開關(guān)，比較聲音強(qiáng)弱的同時，觀察小球跳動高度變化，每改變1個電壓值之間，可停留10 秒及以上時間，用于觀察。

第三，將電壓轉(zhuǎn)回到最小之后，關(guān)閉電源開關(guān)，取下插頭。

（三）教具三的改進(jìn)設(shè)計與說明

關(guān)于探究聲音強(qiáng)弱和振動幅度關(guān)系，教科書上主要的探究活動是將一把鋼尺（或塑料尺）的一部分伸出桌面大約20厘米，用一只手壓住鋼尺的一端，另外一只手撥動鋼尺的另一端。通過輕輕撥動鋼尺與用力撥動鋼尺，討論鋼尺發(fā)出的聲音和它的振動幅度之間的關(guān)系。該活動雖然材料易得，操作簡單，但存在以下幾點(diǎn)不足。

鋼尺與桌面碰撞會發(fā)出干擾聲音?；顒右笥靡恢皇謮鹤′摮叩囊欢?，但學(xué)生很容易因操作不當(dāng)或不規(guī)范，使得鋼尺一端并沒有緊緊貼在桌面上，鋼尺會與桌面發(fā)生碰撞而產(chǎn)生聲音。如此一來，學(xué)生不易分清是鋼尺碰撞的聲音，還是撥動使其振動產(chǎn)生的聲音，難以對比聲音強(qiáng)弱。

聲音不明顯。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，無論是鋼尺還是塑料尺，撥動發(fā)出的聲音都較小，強(qiáng)弱對比不明顯。

存在安全隱患。該活動要求學(xué)生用手固定鋼尺，在撥動過程中很容易因固定不牢而發(fā)生鋼尺彈出的現(xiàn)象，造成學(xué)生受傷。

鑒于如上情況，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)騰俊玲對教科書中原有實驗進(jìn)行了改進(jìn)：用鋼條替代鋼尺，將反光條貼在橡皮筋中間和鋼條的頂端，用轉(zhuǎn)速儀對準(zhǔn)反光條，用于測出橡皮筋和鋼條振動的快慢。受此啟發(fā)，加之音叉箱的原理啟示，對實驗進(jìn)行了改進(jìn)。該教具主要有如下幾個創(chuàng)新之處。

聲音更加明顯。將鋼尺換成金屬條，更加容易撥動，且聲音較明顯，加之共振箱的作用，聲音較大。

觀察簡便，且能定量建構(gòu)。在鋼條頂端固定一個紅色的二極管，確定一個觀察點(diǎn)，再在鋼條后面固定一個刻度板，可實現(xiàn)將振動幅度數(shù)值化。只需撥動鋼尺到不同位置，觀察二極管上下振動的距離，即可知曉振動幅度的大小，同時比較聲音的強(qiáng)弱，即可定量建構(gòu)兩者對應(yīng)關(guān)系。

科學(xué)性更強(qiáng)。該教具唯一的變量是振動幅度，符合實驗操作過程中的單一變量原則，更加嚴(yán)謹(jǐn)，且能引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同該原則的價值。

長17cm、寬1cm 的金屬條1 根；長11.5cm、寬10cm、高1cm 的木板1 塊；長17cm、寬10cm、高1cm 的木板1 塊；長30cm、寬11.5cm、高1cm 的木板2 塊；長30cm、寬10cm、高1cm 的木板2 塊；長6cm、寬3cm、高1cm 的木條1 根；長4.5cm、寬3cm、高2cm 的木塊2 個；長18cm、寬4cm、高0.3cm 的KT 板1 塊；直尺1 把；黑色記號筆1 只；502 膠水6 瓶；木工鋸1 把；透明膠帶若干。

第一，按照尺寸，用記號筆在大木板上勾勒線條，用木工鋸進(jìn)行割據(jù)，再用502 膠水將6 塊木板邊緣粘在一起，制成一個空心的長方體木箱。

第二，先將金屬條的一端平行放在一塊木塊的最大面中間位置，滴上502 膠水，迅速將另一塊木塊粘在上面，使兩塊木塊對齊，等待10 秒，再將502 膠水沿著縫隙滴入木塊，再次固定；將一個紅色二極管的兩根引線架剪掉，將剩余部分的平面粘在金屬條的另一端。

第三，將固定了金屬條的木塊的最大面用502膠水粘在木箱上面中間位置。

第四，在木箱側(cè)面找到金屬條垂直往下對應(yīng)位置，在往后1cm處，將木條的一端粘牢。

第五，先將KT 板裁成對應(yīng)大小，將其貼在木條靠近金屬條的一側(cè)，找到與金屬條平行的地方并做上記號，取下，用記號筆和直尺畫上刻度，等待字跡風(fēng)干，用透明膠帶纏繞，最后將刻度板粘在木塊上，使0刻度與金屬條水平。

第六，用灰色墻紙貼在所有木塊露出部分，進(jìn)行美化裝飾。

第一，對應(yīng)刻度尺，先輕輕撥動金屬條露出的一端，使其振動幅度到達(dá)0.5cm 處，松開手指，仔細(xì)聽金屬條振動發(fā)出的聲音。

第二，加大撥動力度，將金屬條一端撥動到對應(yīng)刻度尺1cm處，松開手指，仔細(xì)聽聲音。

第三，以此類推，逐漸加大撥動力度，增大振動幅度，比較聲音。

三、小學(xué)科學(xué)教具的改進(jìn)設(shè)計與反思

基于上述的教具改進(jìn)，筆者將改進(jìn)的教具應(yīng)用于教學(xué)中。實踐結(jié)果顯示：三個教具在使用過程中的現(xiàn)象都能說明振動幅度和聲音強(qiáng)弱之間的關(guān)系。但在實驗過程中也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處。

教具二的制作材料較貴，體積偏大，難以廣泛應(yīng)用，在實際教學(xué)中也因此不足，只限于作為教師的演示教具。

在使用教具三過程中，雖然有了共振箱放大聲音，但聲音仍然較小，作為教師演示教具，后排學(xué)生不易聽到聲音；金屬條長度不夠，導(dǎo)致不能大幅度改變振動幅度，且撥動較困難，但如果長度過長，聲音又會很低沉，更加難以分辨，因此怎樣選取一個恰當(dāng)?shù)拈L度，是一個有待解決的問題；教具三只能用于探究振動幅度和聲音強(qiáng)弱之間關(guān)系的演示教具，怎樣改進(jìn)，使其既能探究音量和振動幅度，又能探究音高和振動快慢關(guān)系呢？這些問題還有待研究。

本研究詳細(xì)分析了教材原型教具的不足，改進(jìn)設(shè)計并制作了教具，具體闡述了制作方法、過程、創(chuàng)新點(diǎn)以及使用方法，并且將自制教具于實踐，希望能為廣大一線科學(xué)教師提供一定的參考。