科學(xué)結(jié)論不能建立在錯誤的實驗現(xiàn)象基礎(chǔ)上

尹傲 王敏媛 劉水河

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生通過觀察和實驗，探究聲音的產(chǎn)生和傳播、聲音的高低與強弱，了解聲音的高低、強弱與物體振動的關(guān)系。在使用教科版小學(xué)科學(xué)教材對“聲音”單元進行教學(xué)時，發(fā)現(xiàn)“鋼尺振動發(fā)聲”實驗的理論建設(shè)存在問題：學(xué)生在實驗時，能觀察到鋼尺振動，但聽見的聲音并不是由觀察到的鋼尺振動產(chǎn)生的。用“鋼尺振動發(fā)聲”實驗探究聲音是由鋼尺振動產(chǎn)生的一系列實驗，是建立在“錯誤的實驗現(xiàn)象”基礎(chǔ)之上的。鑒于此，提出基于實驗器材和操作方法兩方面的改進與創(chuàng)新，力求構(gòu)建現(xiàn)象清晰、操作嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實驗設(shè)計。

小學(xué)科學(xué)課程是一門實踐性課程。實驗探究活動是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的重要方式，能夠使學(xué)生初步了解與之認(rèn)知水平相適應(yīng)的基本科學(xué)知識。教師在使用教科版小學(xué)科學(xué)教材進行教學(xué)實踐中獲得豐富經(jīng)驗，同時也發(fā)現(xiàn)教材存在部分科學(xué)實驗的理論與現(xiàn)象不相符的情況，阻礙學(xué)生的思維發(fā)展與科學(xué)概念的建構(gòu)，具有改進與創(chuàng)新的必要性。本研究以教材中的“鋼尺振動發(fā)聲”實驗為例，結(jié)合日常教學(xué)中的實際情況，對教材中與之相關(guān)的實驗進行實踐研究與反思。在此基礎(chǔ)上，以學(xué)生為出發(fā)點，圍繞實驗探究目標(biāo)對實驗進行改進與創(chuàng)新，從而解決這部分知識教學(xué)的難點，提高課堂教學(xué)效果，滿足學(xué)生實際探究活動的需要。

一、教材中的“鋼尺振動發(fā)聲”實驗分析

在教科版小學(xué)科學(xué)教材四年級上冊“聲音”單元中，《聲音是怎樣產(chǎn)生的》《聲音的強與弱》和《聲音的高與低》三課中都有“鋼尺振動發(fā)聲”相關(guān)的實驗。

第二課《聲音是怎樣產(chǎn)生的》中的實驗：把鋼尺壓在桌面，讓其一端伸出桌面。輕輕撥動鋼尺，讓鋼尺發(fā)出聲音。用手輕輕觸摸還在發(fā)聲的鋼尺，感受鋼尺的振動。用手捏住鋼尺伸出桌面的部分讓其振動停止，發(fā)現(xiàn)聲音同時也停止了。教材意圖通過學(xué)生看到尺子振動的同時聽到聲音，尺子停止振動的同時聲音消失，讓學(xué)生初步建立“聲音是由于物體振動而產(chǎn)生的”科學(xué)概念。第五課《聲音的強與弱》的實驗：將鋼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。保持伸出桌面部分的長度不變，用大小不同的力撥動，學(xué)生通過觀察鋼尺發(fā)出的聲音和鋼尺振動幅度的變化，建立振幅與音量的關(guān)系。第六課《聲音的高與低》的實驗：改變鋼尺伸出桌面的長度，學(xué)生通過觀察鋼尺發(fā)出的聲音和振動快慢（頻率）的變化，建立振動快慢與音高的關(guān)系。

從實驗操作的角度思考：三個實驗中設(shè)計了“用書壓住尺子”和“直接用手指壓住尺子”兩種壓住尺子的方法。在實踐研究中發(fā)現(xiàn)，用這兩種壓住尺子的方法進行實驗存在三種聲源：1.觀察到的鋼尺振動產(chǎn)生的聲音;2.鋼尺振動時碰撞桌面產(chǎn)生的聲音;3.手指撥動鋼尺時，手指與鋼尺摩擦產(chǎn)生的聲音。實驗中的主要研究對象“觀察到的尺子振動產(chǎn)生的聲音”極易受到后兩種聲音的干擾，尤其是第二種聲音。這就給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來困擾，難以得出科學(xué)結(jié)論。所以這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)經(jīng)常成為教學(xué)難點。

從實驗研究主體的角度思考：這三個探究聲音的實驗，學(xué)生觀察的“振動”應(yīng)以“撥動鋼尺后，觀察到的尺子振動”為研究對象，聽到的“聲音”也應(yīng)以“觀察到的尺子振動產(chǎn)生的聲音”為研究對象。然而在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)：學(xué)生能觀察到尺子振動，但聽見的聲音并不是由看到的尺子振動產(chǎn)生的，并且存在其他不明確的干擾聲音。在學(xué)生剛從科學(xué)的角度開始認(rèn)知“聲音是由物體振動產(chǎn)生的”科學(xué)概念時，就選擇讓學(xué)生研究對相關(guān)知識的學(xué)習(xí)容易引起誤導(dǎo)的實驗，有悖于循序漸進的學(xué)習(xí)原則，也超出了小學(xué)生的思維理解水平，因此是不合適的。

從實驗設(shè)計的角度思考：在探究鋼尺發(fā)出的聲音高低與振動快慢的關(guān)系實驗中，當(dāng)鋼尺伸出桌面部分短時，撥動鋼尺后的振動頻率高，持續(xù)時間短，學(xué)生無法直接觀察到鋼尺振動快慢。當(dāng)鋼尺伸出桌面部分長時，撥動鋼尺后的振動頻率低，延續(xù)時間長，宜于學(xué)生觀察。由于受到視覺停留效應(yīng)的影響，學(xué)生容易得出“鋼尺露出桌面部分長時振動得快”的錯誤結(jié)論，從而影響到整堂課教學(xué)目標(biāo)的順利實現(xiàn)。

二、“鋼尺振動發(fā)聲”實驗的頻率研究

為研究鋼尺振動發(fā)聲實驗中“聽到的聲音是否為觀察到的鋼尺振動發(fā)出來的”這一科學(xué)問題，首先通過手機拍攝慢倍速視頻的方式來探究觀察到的鋼尺的振動頻率。準(zhǔn)備不同規(guī)格的鋼尺，一部華為P40pro手機。利用華為手機的256倍慢動作拍攝記錄鋼尺振動發(fā)聲的全過程。鋼尺在振動過程中，可近似看成簡諧振動。通過視頻回放，記錄鋼尺在偏離平衡位置最高處的起始時間t1和振動一次后重新回到最高處的時間t2，可得出鋼尺完成一次完整振動的時間為（t2-t1）。根據(jù)物體振動的頻率（f）與其周期關(guān)系滿足f=256/（t2-t1），可計算得出鋼尺振動的頻率。重復(fù)三次實驗，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

將長15.5厘米、寬1.9厘米的不銹鋼尺，伸出桌面部分15厘米，256倍慢動作拍攝鋼尺振動過程。鋼尺在偏離平衡位置最高處的起始時間為第6秒，重新回到最高處的時間為第21秒。根據(jù)公式計算得出鋼尺振動頻率f約為17赫茲（Hz）。由于人耳能聽到的聲音頻率范圍在20?Hz?～20000?Hz。在這種情況下，人耳聽不到鋼尺振動發(fā)出的聲音。

按照同樣的方法，將長50厘米、寬2.8厘米的不銹鋼尺，伸出桌面部分15厘米，鋼尺在偏離平衡位置最高處的起始時間為第4秒，重新回到最高處的時間為第14秒。計算得出鋼尺振動頻率f為26?Hz。這時尺子振動發(fā)出的聲音近于人耳聽到聲音的極限頻段，通常情況下感知不到這種頻率的聲音。調(diào)整鋼尺伸出桌面部分為20厘米，記錄鋼尺在偏離平衡位置最高處的起始時間為第5秒，重新回到最高處的時間為第22秒。此時的鋼尺振動頻率f約為15?Hz。這種情況下，人耳無法聽到鋼尺振動發(fā)出的聲音。

分析上述實驗結(jié)果可知：在教材設(shè)計的常規(guī)實驗操作下，觀察到的鋼尺振動頻率低于或處于人耳能聽到的聲音頻率范圍極限，人耳幾乎聽不見。

那么，鋼尺振動發(fā)聲實驗中聽到的聲音來源于哪里？本研究借助手機軟件商店免費的音頻探測軟件Oscilloscope檢測出聲音的頻率與波形。通過辨識不同聲音的波形特征從而判斷出鋼尺振動發(fā)聲的聲源。

Oscilloscope是一款聲音示波器軟件，它能靈敏地捕捉手機周圍發(fā)出的聲音，將聲波可視化成波形，同時屏幕左下角的數(shù)字顯示出聲音的頻率。按照上述同樣的實驗操作方法，結(jié)合Oscilloscope軟件，重復(fù)三次以上實驗后檢測出手指撥動鋼尺時產(chǎn)生的聲音的振動頻率和波形，以及鋼尺敲擊桌面時產(chǎn)生的聲音的振動頻率和波形。手指撥動鋼尺松開的一瞬間，鋼尺與手指摩擦的聲音頻率范圍在102.8?Hz?～2838.8?Hz，處于人耳能聽見聲音的范圍內(nèi)。鋼尺振動敲擊桌面產(chǎn)生的聲音頻率在62.0?Hz?～1998.2?Hz，完全覆蓋人耳能聽見的聲音范圍。

通過觀察Oscilloscope屏幕顯示的波形可知，鋼尺振動發(fā)聲并不是某一單一頻率，而是存在多種聲音的復(fù)合頻率。由于Oscilloscope軟件捕捉周圍聲音的高靈敏度，實驗過程中無法避免周圍噪聲信號的干擾，因此屏幕顯示的波形也存在周圍噪聲的波形。

通過上述所有的實驗分析可得：“鋼尺振動發(fā)聲”實驗中，鋼尺振動本身產(chǎn)生的是學(xué)生無法聽見的次聲波，或很難辨別的低頻聲波。學(xué)生能夠聽見的聲音是由“手指與鋼尺摩擦”和“鋼尺振動與桌面碰撞”產(chǎn)生的。因此，通過“鋼尺振動發(fā)聲”實驗建構(gòu)的“聲音是由鋼尺振動產(chǎn)生的”“物體振動越慢，產(chǎn)生的聲音越低”等概念，是建立在錯誤的實驗現(xiàn)象基礎(chǔ)上的。

三、“振動發(fā)聲”實驗的改進方案

鑒于鋼尺振動發(fā)聲實驗存在的諸多問題，筆者結(jié)合教學(xué)實踐，借助轉(zhuǎn)換放大法對振動發(fā)聲實驗進行了創(chuàng)新與改進。

音叉是一種振動發(fā)聲器材，能夠發(fā)出人耳頻段范圍內(nèi)單一頻率的聲音。利用音叉結(jié)合激光筆，將不容易看到的音叉振動現(xiàn)象，轉(zhuǎn)換成清晰可見的振動波形。實驗器材如圖1所示。將音叉和激光筆固定在一塊木板上，音叉的一端粘貼反光鏡，激光筆照射在鏡面上的光能反射到墻上，形成光斑。將上述實驗設(shè)備安裝在三腳架上，使之整體能自由轉(zhuǎn)動。敲擊音叉，原本很難直接觀察到的音叉振動，通過光的反射，轉(zhuǎn)換成光斑在墻上的大幅度振動，形成一條“線段”。轉(zhuǎn)動三腳架的手柄，使實驗裝置轉(zhuǎn)動，墻上就會出現(xiàn)一段連續(xù)的“振動波形”。如此，便可將音叉微弱的振動可視化，利于學(xué)生建立“聲音是由物體振動產(chǎn)生的”科學(xué)概念。這一實驗設(shè)計可以讓學(xué)生在聽到聲音的同時觀察音叉的振動情況，便于學(xué)生探究聲音是怎樣產(chǎn)生的，徹底解決了非主要因素對學(xué)生探究過程的干擾，為學(xué)生的實驗探究提供保障。

學(xué)生在探究第五課《聲音的強與弱》實驗中，也可以使用上述實驗裝置進行教學(xué)，實驗結(jié)果如圖1所示。用力敲擊音叉，音叉的聲音強，振動波形的幅度大。隨著音叉的聲音減弱，音叉的振動波形幅度減小，從而順利地建構(gòu)“聲音強弱與振動幅度有關(guān)”的科學(xué)概念。在此過程中，音叉的波數(shù)始終保持不變，證明聲音強弱與振動頻率無關(guān)。通過改進實驗的材料與操作方法，排除了次要因素“快慢”的干擾，只剩下強弱與振幅的關(guān)系，實驗的可觀察性增強，學(xué)生能夠?qū)⒏嗟木ν度肟茖W(xué)探究的過程中，提高了科學(xué)實驗效率。

第六課《聲音的高與低》中的核心實驗是鋼尺振動發(fā)聲實驗，也是讓學(xué)生探究音高與振動頻率關(guān)系的唯一實驗。一個音叉的振動波形雖能反映聲音強弱與振動幅度的關(guān)系，但仍無法反映聲音高低與振動頻率的關(guān)系。進一步改進實驗裝置如圖2所示：將兩個音叉固定在木板上，讓兩個音叉近乎同時發(fā)聲，轉(zhuǎn)動三腳架上的實驗裝置，通過觀察光斑的運動間接判斷音叉的振動情況。實驗結(jié)果如圖2所示：小音叉振動的波形密，振動的頻率快，聲音高。大音叉振動的波形疏，振動的頻率慢，聲音低。學(xué)生能直觀地感受到聲音的高低是由物體振動的頻率決定的，從而建立“振動頻率越快的物體，發(fā)出的聲音越高”的科學(xué)概念。實驗器材和實驗操作方法兩方面的改進與創(chuàng)新，真實地反映物體振動的頻率與聲音高低的關(guān)系。同時，實驗的改進也擴展了學(xué)生思維的深度，培養(yǎng)了學(xué)生觀察與推理的能力。

四、結(jié)論與反思

教學(xué)實踐證明，實驗的質(zhì)量直接影響到課堂教學(xué)目標(biāo)的順利實現(xiàn)，進而影響學(xué)生探究科學(xué)的積極性和科學(xué)概念的建構(gòu)。本文通過定量的數(shù)據(jù)有力地證明了“鋼尺振動發(fā)聲”實驗中聽見的聲音是由“手指與鋼尺摩擦”和“鋼尺振動與桌面碰撞”產(chǎn)生的，而觀察到的鋼尺振動產(chǎn)生的聲音人耳聽不見。鑒于此，提出教科版小學(xué)科學(xué)教材中的“鋼尺振動發(fā)聲”實驗設(shè)計不夠嚴(yán)謹(jǐn)，易誤導(dǎo)學(xué)生將正確的科學(xué)結(jié)論建立在錯誤的實驗現(xiàn)象基礎(chǔ)之上。

為解決上述的關(guān)鍵性問題，提出的可行性改進方案通過借助音叉、三腳架、反光鏡、激光筆等材料，將原本不明顯的音叉振動發(fā)聲現(xiàn)象進行可視化放大，讓學(xué)生在聽到聲音的同時能夠看到音叉的振動情況。這樣，有利于學(xué)生建立“聲音與物體振動之間的關(guān)系”“音量與物體振幅的關(guān)系”和“音高與物體振動頻率的關(guān)系”等科學(xué)概念，減少實驗中不良因素給教學(xué)帶來的影響，提高科學(xué)實驗的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，為學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

【本文系基金項目：深圳市福田區(qū)教育科學(xué)規(guī)劃項目（FTJY3015）、深圳市福田區(qū)教育科學(xué)規(guī)劃項目（FTJY16060）、2021年度深圳市福田區(qū)教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題研究成果（FTJYYB2021098）】