“聲音的特性”高端備課

(首都師范大學物理系，北京 100048)

1 問題的提出與分析

聲音的特性作為初中聲現象一章的重點內容，是在學生學習了聲音產生與傳播的基礎上，從物理學角度更加深入地了解聲音、認識聲音。本節內容中名詞、概念繁多，一直以來都是初中物理教學的重點和難點。現行的教學設計并未彰顯物理本質，有鑒于此，我們從高端備課的視角對本節內容進行深入研究。

現行人教版教材“聲音的特性”一節采用實驗探究的方式，試圖通過演示實驗找出影響聲音特性的因素。教材首先給出音調、響度的概念，然后分別通過撥動伸出桌面的鋼尺，探究音調和頻率之間的關系。并通過示波器分析波形，進一步驗證上述探究實驗結論的正確性。隨后，教材通過發聲的音叉彈開乒乓球實驗，探究聲音的響度和振幅的關系。接著提出問題：音調、響度相同的不同物體發出的聲音不同。音色的概念隨即給出，并通過呈現不同樂器的波形來進一步深化學生對音色的理解[1]。

我們認為，教材的編排中有三個問題值得探討。第一，演示實驗的選取過于粗糙。教材選用鋼尺、音叉和乒乓球作為實驗器材，雖貼近學生生活，但實驗現象并不明顯，學生用肉眼觀察，很難得出準確的物理規律。第二，教材雖給出聲音的波形，但未建立起聲音的波形與聲音特性之間的內在聯系，沒有解釋為什么可以通過聲音的波形判斷聲音的特性，從而不能對聲音特性進行更深層次的理解。第三，教材所呈現的聲音三個特性是零散的，沒有體現出它們之間的相互聯系，致使學生不能很好地形成結構化的知識。因此，本節高端備課通過示波器演示實驗，介紹描述聲音波形的基本物理量，建立聲音特性與聲音波形之間的聯系，以期對聲音的特性教學有所啟示。

2 教學設計與闡釋

(1)生活鋪墊，初步鏈接聲音本質

聲音與生活的聯系非常緊密，然而對于剛接觸物理的初二學生，聲音三點特性的概念卻是陌生的。本節課伊始從音樂導入，可以調動學生對聲音的實際感知，婉轉悠揚的旋律可以為聲音三個特性的教學起到鋪墊和鏈接作用，有助于消解學生頭腦中對聲音特性的陌生感。同時可以向學生滲透物理學是對生活現象的歸納和概括的思想，從而使學生產生運用物理知識解釋生活現象的內在動機。

如前所述，教材所呈現的演示實驗不能顯示清晰明了的實驗現象，不利于學生對聲音特性的直觀把握，不利于建立聲音波形和聲音特性之間的聯系。有鑒于此，我們利用示波器做如下演示實驗。

圖1

演示實驗一：將任一音叉發出的聲音輸入示波器得到如圖1所示的波形，聲音是由物體振動產生的，聲音的本質是波。由于初中生第一次接觸波形圖，所以不宜講解的過于深入，只要求學生通過聲音的振動波形圖判斷出周期和振幅的大小，知道周期越小、頻率越大、振動越快即可。

(2)實驗對比，探析響度影響機制

由于聲音有響度、音調、音色三個特性，探究任一特性的影響因素時需要保證其它兩點特性完全相同，即比較要選取相同標準。比如探究影響音調的因素，則需保證聲音的響度和音色完全相同。在實驗過程中，需向學生說明“比較”的前提是排除無關變量的干擾，保證無關變量完全相同，將“比較要選取相同標準”的思想滲透在每一步操作中，讓學生充分體會和把握該思想的內涵。

圖2

演示實驗二：為保證頻率和音色相同，選用同一個音叉，用大小不同的力敲擊，將音叉發出的聲音信號輸入示波器，得到每次敲擊音叉發出聲音的波形圖(如圖2)。響度指聲音的強弱，根據示波器屏幕上顯示的波形，學生可非常直觀的觀察到聲音響度與振動幅度的正相關關系：同一個音叉波形的振動幅度越大，聲音響度越大。

(3)圖像分析，發掘音調制約條件

圖3

演示實驗三：選取兩個不同頻率的音叉，用相同的力敲擊，將音叉發出的聲音信號分別輸入示波器，得到每個音叉發出聲音的波形圖，如圖3所示。對比兩個聲音的振動圖像，可以非常直觀的發現音調的高低與波形的疏密程度有關。波形的疏密程度直接決定了頻率的高低，顯示在振動圖像上即為波形越密，頻率越高，音調越高；波形越疏，頻率越低，音調越低。

(4)波形演示，洞察音色決定因素

演示實驗四：音色是發聲體的一種感官屬性，可以通過它區別出相同音調、響度的不同發聲體的聲音。為了向學生介紹音色，將音調、響度相同的鋼琴、黑管發出的聲音信號輸入示波器，得到如圖4所示的波形圖，鋼琴、黑管發出聲音的波形圖體現了不同的特色。

鋼琴 黑管

3 研究總結與討論

縱覽以上高端備課，我們得到以下三點啟示：

(1)注意教學實驗的選取

在中學物理教學中，教學實驗的選取非常重要，特別是對于處在具體運算階段的初中生而言，生動直觀的實驗現象可以促進學生對晦澀難懂的物理規律進行深入理解。所以選取的教學實驗不僅要從視覺上給學生以直觀的感受，更要向學生呈現清晰、直觀的物理現象。本節高端備課從示波器演示實驗入手，將聲音的波形完整、直觀的呈現在屏幕上，實驗現象明晰、易見。

(2)重視展現“比較”的物理思想

本節課以“比較”的思想為指導進行實驗設計、操作和現象分析。通過比較相同條件下的兩組波形，找出其中的相同點和不同點，從而直觀的得出聲音三點特性的影響因素。通過凸顯“比較”思想，不但可以使初中生深刻理解聲音特性的影響因素，還可以促進學生形成實驗需要控制變量的意識，進一步培養學生解決物理問題的能力。

(3)注重物理概念的直觀化表述

高端備課通過直觀而明晰的實驗現象使學生清楚的判斷出影響聲音三點特性的因素，并將聲音響度的大小、音調的高低、音色的不同與波形的振動幅度、疏密程度和不同的波形特色結合起來，從而在得出物理規律的同時，對物理概念和規律進行了直觀表述。這樣的處理方式可以促進學生形成清晰的物理概念，掌握物理規律，從而更好的將知識納入到認知結構中，并最終達到促進認知水平發展的目的。

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.物理(八年級上冊)[M]北京：人民教育出版社，2012，：32～36.

[2]許國梁.中學物理教學法[M].北京：高等教育出版社，1996：119～125.

[3]邢紅軍,陳清梅,胡揚洋.科學方法納入《課程標準》：基礎教育課程改革的重大理論問題[J].教育科學研究，2013，(7).