探究影響聲音強弱變化的原因

□ 主講人：徐敬洪

教學(xué)背景

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》要求，小學(xué)3～4年級學(xué)生應(yīng)知道聲音有高低和強弱之分，能解釋聲音的產(chǎn)生與物體振動的關(guān)系，以及聲音高低、強弱的改變與振動幅度變化的關(guān)系。

在傳統(tǒng)的教學(xué)中，學(xué)生往往是通過敲擊音叉進行實驗，從而探究影響聲音強弱變化的原因。敲擊音叉時，音叉振動并發(fā)出聲音，從而說明聲音是通過振動產(chǎn)生的。用不同的力度敲擊音叉，音叉振動幅度越大，發(fā)出的聲音越大，從而說明聲音的強弱變化與物體的振動幅度有關(guān)。傳統(tǒng)實驗雖然能比較好地呈現(xiàn)音叉的振動幅度，但是無法對聲音的強弱進行量化，我們只能通過感官主觀地判斷聲音的強弱，使得實驗結(jié)果缺乏數(shù)據(jù)，不夠客觀。

在本次案例中，我們將借助行空板、模擬聲級計等開源硬件對聲音的強弱進行量化，把實驗結(jié)果更加直觀、客觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生更加清晰地理解聲音強弱變化和物體振動幅度之間的關(guān)系。

教學(xué)目標(biāo)

科學(xué)觀念：通過觀察和跨學(xué)科實驗，知道物體振動幅度的變化能引起聲音強弱的變化。

科學(xué)思維：能在教師指導(dǎo)下，以“敲擊越用力，振動幅度越大，聲音分貝值越高”為證據(jù)，說明聲音強弱的變化與物體振動幅度的關(guān)系。

探究實踐：能夠利用多種感官以及跨學(xué)科的工具，如模擬聲級計等，描述聲音強弱的變化。

態(tài)度責(zé)任：具有敢于探究身邊事物特性的勇氣，提高探究科學(xué)的濃厚興趣。

教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點：知道物體振動幅度的變化能引起聲音強弱的變化。

教學(xué)難點：能說明聲音強弱的變化與物體振動幅度的關(guān)系。

教學(xué)準(zhǔn)備

一、材料準(zhǔn)備

行空板1塊、模擬聲級計1個、音叉一套、杜邦線若干。

二、制作實驗裝置

本實驗裝置的制作比較簡單，學(xué)生可利用杜邦線將模擬聲級計連接到行空板上。為了避免實驗過程中產(chǎn)生其他變量，需要把模擬聲級計固定在音叉上，并且在實驗過程中保持位置不變。實驗裝置搭建如圖1所示。

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圖1

三、編寫硬件程序

程序界面設(shè)計如圖2所示，行空板的程序主要用于記錄音叉振動后聲音的分貝大小，通過聲音的分貝大小反映聲音的強弱。由于音叉被敲擊后，振動產(chǎn)生的聲音是動態(tài)變化的，為了更加準(zhǔn)確地記錄音叉振動產(chǎn)生的聲音數(shù)據(jù)，我們點擊“開始測試”按鈕后，程序?qū)⒊掷m(xù)記錄聲音的分貝值，直到“結(jié)束測試”按鈕被按下。當(dāng)學(xué)生結(jié)束測試后，程序會自動提取測試期間的最大分貝值，作為該次測試的最終分貝值。完整程序如圖3所示。

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圖3

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)入

教師播放生活中有關(guān)聲音的視頻，如鳥叫聲、火車行駛聲、汽車鳴笛聲、學(xué)生讀書聲等，讓學(xué)生認(rèn)真聆聽這些聲音，并進一步引導(dǎo)學(xué)生說出自己身邊其他常見的聲音，體會聲音在日常生活中的無處不在。

教師提出問題：這些聲音是怎么產(chǎn)生的？這些聲音之間有什么不一樣的地方？

學(xué)生分小組進行討論并由代表進行回答。

教師小結(jié)：通過剛才的討論，我們知道這些聲音既有“嘰嘰喳喳”，也有“轟轟轟”，不同人說話的聲音也不一樣，而這種聲音表現(xiàn)出來的差異我們稱作“音色”。除此之外，我們聽到的這些聲音還有“大小”的不同，我們把聲音的“大小”稱為聲音的“強弱”。

二、實驗探究

1.教師講解實驗裝置的使用方法

教師示范正確連接裝置的操作后，需要向?qū)W生強調(diào)的是模擬聲級計的位置不僅要固定好，且實驗過程中不能發(fā)生變動，避免模擬聲級計的位置發(fā)生變化而產(chǎn)生其他影響實驗結(jié)果的變量。

實驗開始后，教師點擊“記錄環(huán)境分貝”按鈕，記錄當(dāng)前環(huán)境的聲音分貝值，以此作為空白對照組數(shù)據(jù)。接著點擊“開始測試”按鈕后，程序便會不斷地記錄環(huán)境的分貝值。教師開始敲擊音叉，學(xué)生就可以觀察到音叉的振動。等待音叉發(fā)出的聲音完全消失后，師生再次觀察音叉，會發(fā)現(xiàn)音叉振動也隨之消失，此時點擊“結(jié)束測試”按鈕，程序自動顯示測試過程中記錄到的最大聲音分貝值。

教師繼續(xù)試驗，并不斷改變敲擊音叉力度的大小，學(xué)生通過反復(fù)觀察，并結(jié)合音叉的振動情況與實驗中所聽到的聲音大小，以及記錄到的準(zhǔn)確的聲音分貝值，就能總結(jié)并分析得到實驗結(jié)論。

2.學(xué)生自主探究實驗

學(xué)生以小組為單位，結(jié)合教師的示范操作與提示，展開實驗。在本實驗中，教師要引導(dǎo)學(xué)生做好小組的分工，明確實驗操作員、實驗記錄員等不同人員的職責(zé)。由于敲擊音叉的力度是主觀的，每組學(xué)生可以自行定義敲擊力度為“較輕”“中等”“較大”三種，將每種敲擊力度產(chǎn)生的振動幅度和聲音分貝值記錄下來。除此之外，音叉的振動幅度同樣無法量化，學(xué)生需要認(rèn)真觀察，準(zhǔn)確用語言來描述和記錄。教師可以提前引導(dǎo)學(xué)生定義能準(zhǔn)確區(qū)分振動幅度的形容詞，分別為“較大”“一般”“較小”三種。

環(huán)境中的聲音容易對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，因此教師需要要求學(xué)生在實驗過程中保持絕對的安靜，小組之間也應(yīng)該拉開一定的間隔，防止不同小組在實驗探究過程中互相產(chǎn)生干擾。最后，學(xué)生填寫如下實驗記錄表格。

實驗記錄表

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三、分享總結(jié)

學(xué)生以小組為單位在課堂上分享實驗數(shù)據(jù)及小組實驗結(jié)論。分享過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生正確描述實驗過程中敲擊音叉力度的變化、音叉振動幅度的變化、聲音分貝值的變化，并讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識和實驗數(shù)據(jù)，初步分析物體的振動幅度變化與聲音強弱變化之間的關(guān)系。

學(xué)生通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)敲擊音叉的力度越大，音叉振動的幅度就越大，產(chǎn)生的聲音分貝值也越大。由此說明，當(dāng)物體的振動幅度發(fā)生變化后，聲音的強弱也會發(fā)生變化，振動幅度越大，聲音的分貝值也越大，反之，聲音的分貝值越小。即物體的振動幅度由大變小，所產(chǎn)生的聲音則由強變?nèi)酰粗?，則聲音由弱變強。

教學(xué)反思

本案例圍繞“生活中的聲音”這一情境展開，教師通過創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生了解聲音的“音色”“強弱”等概念，讓學(xué)生對聲音的特性有了初步的認(rèn)識。之后，教師進一步引導(dǎo)學(xué)生開展實驗，探究影響聲音強弱變化的原因。

本案例是一個以音叉為主要實驗器材的經(jīng)典探究實驗。為了解決傳統(tǒng)實驗過程中聲音無法量化的問題，我們借助了一些開源硬件，在一定程度上把傳統(tǒng)實驗數(shù)字化，讓實驗結(jié)果更直觀。

在實際開展教學(xué)的過程中，實驗的操作難點主要是如何控制環(huán)境的聲音、如何正確描述敲擊音叉力度的變化以及音叉振動幅度。因此，在課堂探究實驗過程中，教師必須要求學(xué)生做到絕對的安靜，維持班級的紀(jì)律，控制學(xué)生小組之間的距離，最大限度地減少環(huán)境對實驗結(jié)果的干擾。在實驗開始以及總結(jié)階段，教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生正確描述敲擊音叉的力度以及音叉的振動幅度。