搭建科學支架，突破學習難點
——以《聲音的高與低》一課的教學為例

□ 陳 斌

教科版《科學》四年級上冊“聲音”單元是小學科學課程中疑難較多的一個單元。經(jīng)調(diào)查，科學教師認為其中的《聲音的高與低》一課是本單元中學習難度較大的一課。從學生的角度進行分析，可以得出本課難學的原因主要有三點。一是聲音的高低“聽不清”。對于標準的樂音，學生區(qū)分高低時問題不大，但是對于本課中鋼尺發(fā)出的聲音，大部分學生難以識別其高低。二是聲音的強弱和高低“分不清”。為了降低難度，避免學生混淆聲音的強弱和高低，教材設置了兩課內(nèi)容。即便如此，學生在學習聲音的高低時，仍時常提到“聲音強弱”，說明他們很難分清聲音的強弱和高低。三是振動快慢“看不清”。很多發(fā)聲物體的振動（如鋁片琴的振動），學生很難觀察清楚。沒有直觀的現(xiàn)象作為證據(jù)，要比較出振動的快慢確實存在較大難度。

為了解決以上難點，教師在教學過程中為學生搭建了解決問題的各種支架，幫助學生由表及里地開展科學探究，拾級而上，在深度學習中建構(gòu)起“聲音”與“振動”之間的聯(lián)系。

一、搭建概念支架，鞏固基礎認知

在進入課堂之前，學生對即將學習的科學事物和現(xiàn)象已經(jīng)有了一定的認知，這些前概念有的是接近實際的，有的是浮于表面的，還有的甚至與科學原理是完全相悖的。教師要先了解學生的學習出發(fā)點，據(jù)此搭建支架，使學生對研究對象形成更清晰的認識。

（一）溫舊知，分清聲音的強弱與高低

對于《聲音的高與低》這節(jié)課，如果一開始就直奔主題，讓學生感受聲音的高低變化，探究其形成原因，很容易就會使他們混淆聲音的強弱、高低兩個概念。如果學生的關(guān)注點不聚焦在對聲音高低的研究上，整個探究活動就會低效甚至無效。為避免這些問題，在課堂的導入環(huán)節(jié)，教師先用不同的力敲擊大鋁片琴，讓學生分辨強弱不同的聲音，初步形成對聲音強弱的認識，鞏固聲音強弱與振動幅度的關(guān)系，再把這些內(nèi)容寫在黑板上，與之后要探究的“聲音的高低”這一概念區(qū)分開來。

（二）聽音階，感知聲音的高低變化

音階是學生最熟悉的認識音高變化的載體，因此讓學生聽一聽、唱一唱，感知聲音從低到高、從高到低的變化很有必要。教師借助音階，向?qū)W生提問：“你是怎么分辨出高的聲音和低的聲音的？”學生根據(jù)自身的經(jīng)驗，回答道：“高的聲音是尖的、刺耳的；低的聲音是粗的、低沉的?！币龑W生用這些詞匯描述聲音的高低，可以提高他們對聲音高低的辨別能力，為后續(xù)辨別鋁片琴、不銹鋼管、尺子等物體發(fā)出的高低不同的聲音打下基礎。

（三）比高低，明確音高是比較的結(jié)果

事實上，聲音的高與低并不是絕對的，而是比較出來的。這里指向的是聲音的內(nèi)涵，對于學生來說是隱藏的知識。為了讓學生認識到這一點，教師設計了如下教學環(huán)節(jié)。

教師敲5音，提問：這個音是高還是低？

生1：我覺得是高的。

生2：我覺得不是很高也不是很低，處于中間的位置。

師：一個音能分出高低嗎？

生：不能，聲音的高低是比較出來的。

生4：較高。

師：我們用四個詞來表示聲音的高低。（板貼：高、低、較高、較低）

二、搭建材料支架，提升探究效力

教材中，有的實驗材料存在著一些先天不足的問題，導致操作不方便，實驗現(xiàn)象不明顯，學生無法通過觀察獲取證據(jù)。這就需要教師改進實驗器材，創(chuàng)新探究活動，促使學生更好地搜集證據(jù)，建立概念。

（一）改進學具，排除實驗干擾

“聲音”單元中，《聲音是怎樣產(chǎn)生的》《聲音的強與弱》《聲音的高與低》等都涉及到了撥動鋼尺的實驗。這看似是一個簡單的實驗，實際上卻很難獲得理想的效果。原因在于學生沒有沿著桌邊按緊鋼尺，實驗中發(fā)出的聲音由鋼尺和桌面撞擊產(chǎn)生，而不是由鋼尺振動產(chǎn)生。這會影響學生對聲音的強弱與高低的判斷。

基于這些思考，教師改進了鋼尺實驗的學具（如圖1）。學具的上半部分放一個薄木塊，下半部分放一個厚木塊，用螺絲釘固定住上下兩個木塊。木塊中間留出空隙，插入鋼尺，如圖1。

圖1

改進后的學具優(yōu)點有三：一是用手按住木塊，鋼尺就牢牢地夾在兩個木塊之間，發(fā)出的聲音基本是由尺子本身的振動產(chǎn)生的；二是鋼尺可以自由地插進和拿出，且可根據(jù)實驗需要調(diào)整振動部分的長度，非常方便；三是在探究鋼尺發(fā)出的聲音高低和振動快慢的關(guān)系時，如果把鋼尺按到底，那么鋼尺的振動幅度就是厚木塊的高度（如圖2），因此只要每次發(fā)聲時鋼尺的振動幅度保持相同，聲音的強弱就能保持一致。

圖2

（二）實物板貼，形象展示結(jié)論

學生在得出高低不同的聲音與發(fā)聲物體長短之間的關(guān)系后，進入交流討論環(huán)節(jié)。教師將鋁片琴中的4 片鋁片拆卸下來，并粘上磁鐵，作為板貼使用，如圖3。

圖3

用長短不同的鋁片用作板貼并與實驗現(xiàn)象進行匹配，能夠更加形象地把實驗結(jié)論表達出來，幫助學生深入理解。

（三）創(chuàng)新實驗，遷移應用新知

《聲音的高與低》一課中，學生主要用“高、較高、較低、低”等字來描述聲音的高低，用“快、較快、較慢、慢”等字來表述振動的快慢。在遷移應用環(huán)節(jié)，教師引入了一個創(chuàng)新實驗：往一個玻璃容器中倒水，邊倒水邊敲擊玻璃杯壁（如圖4），隨著水量增多，玻璃杯壁發(fā)出的聲音由高到低慢慢變化。這就使聲音的變化和物體振動快慢之間的關(guān)系清晰呈現(xiàn)出來，幫助學生建立“物體振動得越快，發(fā)出的聲音越高”的科學概念。

圖4

三、搭建思維支架，實現(xiàn)深度學習

《義務教育科學課程標準（2022 年版）》對于科學課程的培養(yǎng)目標進行了明確定位，著重強調(diào)了科學思維這一核心維度。在教學過程中，教師要設計一些能產(chǎn)生思維沖突的教學環(huán)節(jié)，最大限度地激發(fā)學生的學習動機，點燃學生的思維火花，促使學生主動參與學習并獲得思維發(fā)展。

（一）制造沖突，迸發(fā)思維火花

科學課上，學生是否真正在進行深度學習，取決于其思維參與程度的高低。而要提升學生思維的參與度，就要想方設法創(chuàng)造認知沖突，點燃他們的思維火花。本節(jié)課中，當學生通過鋁片琴和鋼尺實驗得出“物體越長，發(fā)出的聲音越低；物體長短一樣，發(fā)出的聲音高低也一樣”的結(jié)論時，教師適時出示長短一樣、粗細不同的四根不銹鋼管（如圖5）以及大小不同的編鐘（如圖6）。學生猛然發(fā)現(xiàn)：長短一樣，但粗細不同、大小不同的物體發(fā)出的聲音的高低也是不同的；物體發(fā)出的聲音的高低與物體的長短、粗細、大小都有關(guān)系。

圖5

圖6

（二）二次實驗，尋找關(guān)鍵證據(jù)

通過實驗，學生發(fā)現(xiàn)物體發(fā)出聲音的高低和物體的長短、粗細、大小都有關(guān)系，之后漸漸地將聲音的高低與物體的振動聯(lián)系起來。課堂上，一個學生提出物體發(fā)出聲音的高低可能和振動的快慢有關(guān)系，因為他在第一次實驗中就發(fā)現(xiàn)鋼尺發(fā)出的聲音高低不同時，振動的速度也是不同的。教師及時肯定這個學生的發(fā)現(xiàn)，并提出每一個同學都可以再次觀察鋼尺發(fā)出高低不同的聲音時振動的快慢情況。鋼尺在本節(jié)課中一共使用了兩次，第一次使用讓學生初步認識到鋼尺長短和聲音高低的關(guān)系，其實已經(jīng)為深入探究振動快慢和聲音高低的關(guān)系埋下了伏筆。

（三）由表及里，助推思維深入

對于《聲音的高與低》一課，教材的編寫意圖是先讓學生通過觀察了解鋁片琴、口琴發(fā)出聲音的高低和發(fā)聲物體的長短存在聯(lián)系，再改變鋼尺的伸出長度，讓學生研究其與振動快慢之間的關(guān)系，然后來解釋聲音高低與發(fā)聲物體的粗細、長短也存在著關(guān)系。教師對本節(jié)課的教學順序做了一些調(diào)整：先觀察鋁片琴、鋼尺，初步探究長度與聲音高低的關(guān)系，然后引導學生發(fā)現(xiàn)物體的粗細、大小也影響著聲音的高低。此時學生就聯(lián)想到“聲音是由物體振動產(chǎn)生的”，從表層的發(fā)現(xiàn)逐漸深入到科學的本質(zhì)，進而探究聲音的高低與鋼尺振動快慢之間的關(guān)系。在第二個探究活動中，教師帶領學生對尺子的長度、聲音的高低、振動的快慢進行對比觀察，加深學生的整體認知，具體如表1。這樣的邏輯順序更符合學生的認知規(guī)律。學生的過程拾級而上，逐步推進。

表1 物體發(fā)聲的高低與振動快慢的關(guān)系探究

四、搭建技術(shù)支架，輔助建立概念

在日常的科學教學中，有不少實驗很難呈現(xiàn)直觀的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。信息技術(shù)的應用打破了這種限制，它可以很好地揭示實驗現(xiàn)象內(nèi)部的發(fā)展變化，使一些不易觀察到的事物形象直觀地呈現(xiàn)出來，從而達到事半功倍的教學效果。

（一）播放慢速視頻，對比振動快慢

上文提到，《聲音的高與低》這節(jié)課的第三個難點為振動快慢“看不清”。要解決這個難點，需要借助現(xiàn)代信息技術(shù)手段，幫助學生看到發(fā)出高低不同聲音的物體振動速度的區(qū)別。教師用放慢32倍的慢鏡頭拍攝視頻，拍完后先逐個出示鋼尺伸出長度為10厘米、13厘米、16厘米、19厘米時的振動情況的視頻，再將四組視頻放在同一界面上同時播放，對比它們的振動速度。慢速視頻的播放效果十分明顯。學生很快發(fā)現(xiàn)“鋼尺伸出的長度越短，振動得越快，聲音越高”，如圖7。

圖7

（二）使用音頻軟件，化現(xiàn)象為數(shù)據(jù)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的普及和發(fā)展，科學教學中的實驗也不可避免地向自動化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。比如，在上《聲音的高與低》一課時，學生看不到物體振動速度的差別。教師可以借助一些手機軟件來測出聲音的頻率，比如調(diào)音器軟件，如圖8、圖9。

圖8

圖9

音頻軟件的使用，使得原本看不到的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)據(jù)。學生對測得的“聲音每秒鐘振動的次數(shù)”這個數(shù)據(jù)進行分析并得出結(jié)論，使得科學實驗更具說服力。數(shù)字化實驗開拓了學生的視野，也使學生懂得同一實驗結(jié)論可采用多種方法進行證明。

總體而言，教師可以通過搭建支架，多角度、多方式幫助學生攻克學習難點。學生在深層體驗、深層理解的深度學習過程中不斷提升學習力，最終明確“聲音高低”與“振動快慢”之間的關(guān)系，在思維螺旋發(fā)展的過程中提升科學核心素養(yǎng)和綜合能力。