以傳感器代替人耳的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例

郁志蕓

案例背景筆者曾在《物理課程與教學(xué)論》一書中看到了這樣一段話：美國教育技術(shù)CEO論壇第3屆（2000）報(bào)告明確指出：“培養(yǎng)21世紀(jì)的能力素養(yǎng)，學(xué)校必須將數(shù)字化內(nèi)容與學(xué)科課程相整合.”這里所強(qiáng)調(diào)的“數(shù)字化內(nèi)容與學(xué)科課程相整合”.就是我們國內(nèi)通常所說的“信息技術(shù)與學(xué)科課程相整合”.（信息技術(shù)就是對數(shù)字化信息進(jìn)行處理的技術(shù)，其處理結(jié)果都是“數(shù)字化內(nèi)容”）也就是說，信息技術(shù)與學(xué)科課程相整合是方法，教育改革和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是我們要達(dá)到的目標(biāo).這給筆者很大的啟示.

近幾年筆者所在的學(xué)校配備了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)體系是一個(gè)適合教學(xué)、革新教學(xué)的全新教學(xué)手段和互動(dòng)媒介，它利用傳感器收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)信息，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)教師的遠(yuǎn)程操控與指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的快速提交、共享與交流，這正是數(shù)字化內(nèi)容與學(xué)科課程相整合的契機(jī)，要把數(shù)字化資源充分運(yùn)用在物理教學(xué)中.

所以，致力于用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)常規(guī)課堂上的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過程有更深刻的體驗(yàn)，進(jìn)一步提高學(xué)生的設(shè)計(jì)與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的能力，現(xiàn)象觀察力和結(jié)論的歸納總結(jié)能力，甚至是對新技術(shù)的學(xué)習(xí)與掌控能力.

問題敘述以“比較材料的隔聲性能”這個(gè)綜合實(shí)踐活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)為例（圖1），在以往的教學(xué)中，我們一直按照書上的方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)對于隔聲效果的判斷方法有兩種設(shè)計(jì)：一是利用控制變量的方法用各種不同材料隔聲后，聽鈴聲的強(qiáng)弱來判斷；二是書上推薦的方法，用聽不到聲音時(shí)人與聲源的距離進(jìn)行比較.

經(jīng)過對比分析后，大家選擇了第二種方法，因?yàn)楸绕鹬苯佑萌硕袛嗦曇舻捻懚龋蝗鐚⒙曇舻捻懚绒D(zhuǎn)化和量化為聽不到聲音時(shí)人與聲源的距離.這個(gè)方法確實(shí)比第一種方法的誤差要小得多，而且量化為數(shù)據(jù)，更容易進(jìn)行比較，減少了聲強(qiáng)判斷的許多主觀因素.在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上，課本上的方法確實(shí)指導(dǎo)了學(xué)生如何更科學(xué)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)誤差較小.然而這兩個(gè)方法利用的都是人耳，每個(gè)人對于不同頻率的聲音有不同的聽閾（即人在某個(gè)頻率剛能聽到的最小聲強(qiáng)的聲音），而不同的人對同一頻率的聲音聽閾也不同，那么同一個(gè)人對于同一頻率的聲音聽閾就一定穩(wěn)定嗎？對于剛好聽不見聲音的這一瞬間的判斷，也仍然會(huì)有許多主觀因素所導(dǎo)致的誤差，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)用人耳來判斷，就難以避免生理因素的影響，引起主觀判斷導(dǎo)致的誤差.而這就是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)芨锩越鉀Q的問題.

處理對策在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，我們可以用聲音傳感器代替人耳（圖2）.

筆者面向尚未參與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的這一屆的部分學(xué)生，他們已經(jīng)上過常規(guī)教學(xué)的初二物理課，見過一些演示實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化改進(jìn)，卻仍未嘗試過數(shù)字化分組實(shí)驗(yàn).而正是面對過渡階段的這一屆學(xué)生，向他們普及數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更能讓我們深刻體會(huì)數(shù)字化與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的革新之處，也更能鍛煉學(xué)生新技術(shù)的運(yùn)用能力和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的設(shè)計(jì)能力.

筆者帶領(lǐng)學(xué)生先學(xué)習(xí)用聲音傳感器測量環(huán)境噪音，在他們學(xué)會(huì)使用聲音傳感器后，向他們提出了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，“比較材料的隔聲性能”，并且向他們提出了以下問題：

（1）你們以前做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)嗎？

（2）你們是怎么做的呢？

（3）現(xiàn)在有了聲音傳感器，你們打算怎么改進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

學(xué)生們回顧了以前的兩種設(shè)計(jì)方法，介紹了他們選擇第二種方法“比較聽不到聲音時(shí)人與聲源距離”的原因.很快，就有學(xué)生提出這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在可以利用傳感器了……

方法一有人提出用聲音傳感器代替人耳，將聲音傳感器逐漸遠(yuǎn)離被隔聲材料包裹的聲源，直到傳感器接收到的聲音響度降為0 dB.

這個(gè)方法很快就被其他同學(xué)推翻了，因?yàn)榇蠹以跍y環(huán)境噪音時(shí)在教室比較安靜的情況下環(huán)境噪音都在六十幾分貝，傳感器接收到的聲音響度根本不可能降為0 dB.于是出現(xiàn)了方法二.

方法二有同學(xué)說既然傳感器能直接測出聲音的響度得到的是數(shù)據(jù)，那就不需要用遠(yuǎn)離聲源測距離這樣的方法，直接用聲音傳感器測響度大小就行了.大家都非常支持，還有同學(xué)補(bǔ)充說要控制傳感器與聲源的距離不變，比如5厘米，要有穩(wěn)定的聲源……

于是筆者應(yīng)同學(xué)們的要求，給他們提供了穩(wěn)定的聲源——蜂鳴器（圖3）.

大家開始嘗試，在鞋盒分別里塞滿海綿、報(bào)紙、塑料袋、毛巾等等，保持鞋盒和傳感器的位置不變，看得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何變化.

學(xué)生的實(shí)驗(yàn)波形可以隨時(shí)截圖，通過網(wǎng)絡(luò)提交到講臺(tái)教學(xué)電腦，于是我們看到了這組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示.

筆者立即和大家分享了這組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有不少組都有同感，幾次實(shí)驗(yàn)傳感器接收到的聲音響度非常不穩(wěn)定，而且區(qū)別也不大，于是筆者請大家再討論一下，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是什么？這個(gè)實(shí)驗(yàn)方法還可以如何改進(jìn)？

有同學(xué)分析，剛才教室安靜時(shí)環(huán)境噪音都有六十多分貝，現(xiàn)在大家一起做實(shí)驗(yàn)，環(huán)境噪音可能都提高到七十多分貝，傳感器測到的不單純是盒子里聲源的聲音，更多的是環(huán)境噪音，所以三種材料隔聲后得到的聲音響度差異不大，而且非常不穩(wěn)定.那么現(xiàn)在要解決的問題就是怎樣能讓傳感器穩(wěn)定地接收聲源被隔聲后的聲音，而盡量少受環(huán)境影響呢？

同學(xué)們都覺得要減小傳感器與鞋盒的距離，甚至有同學(xué)提出將傳感器放到鞋盒里，但立刻有同學(xué)反對，說放到鞋盒里傳感器就在隔聲材料中，如何控制材料厚度相同呢？

筆者帶領(lǐng)孩子們一起分析，我們當(dāng)初的設(shè)計(jì)，為什么要用鞋盒，而不是直接用材料包裹聲源？于是很多同學(xué)說，鞋盒塞滿材料，聲源放在正中間，就是為了控制隔聲材料的厚度相同，所以傳感器一定不能放進(jìn)鞋盒.但為了減少外界噪音的影響，我們確實(shí)要減小傳感器與鞋盒之間的距離……于是有同學(xué)提出將傳感器的聲音接收孔緊貼鞋盒，但也有同學(xué)顧慮，這會(huì)受到鞋盒在桌面上微小振動(dòng)的影響，因?yàn)樽尳邮湛拙o貼鞋盒感覺好像在測鞋盒發(fā)聲似的.這時(shí)，有同學(xué)發(fā)現(xiàn)自己帶來的鞋盒上面有一個(gè)孔，如果用傳感器接收口對著這個(gè)孔會(huì)如何？鞋盒本身就不必作為隔聲材料，這時(shí)的隔聲材料完全就是填充在鞋盒里的材料，這不是更嚴(yán)謹(jǐn)嗎？于是，方法三就這樣誕生了.

方法三利用鞋盒側(cè)面的洞，沒有洞的盒子可以自行開個(gè)直徑兩厘米左右的洞，用材料將鞋盒填滿，蜂鳴器置于正中，并且保證洞與蜂鳴器完全被材料隔開，將傳感器接收口對準(zhǔn)并緊貼洞口進(jìn)行測量，測出同一蜂鳴器被相同厚度的不同材料包裹時(shí)洞口接收到的聲音響度（圖5）.

于是大家再次分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到了許多小組提交的數(shù)據(jù)如圖6所示.

這次，通過圖線，大家基本都可以分辨出每一次接收到的聲音響度了，確實(shí)減少了許多外界噪音的影響，同學(xué)們激烈的討論，一步步地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，真的解決了許多問題，實(shí)驗(yàn)效果越來越好，筆者能感受到同學(xué)們和我一樣很有成就感，同學(xué)們都愉悅地根據(jù)自己得到的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象，寫出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，根據(jù)隔聲性能由好到差的排列著自己帶來的不同材料.然后，通過分享，大家也不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在大家的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很明顯，傳感器的誤差也比人耳的小多了，但是為什么大家得到的結(jié)論不盡相同呢？

對此筆者例舉了的兩份數(shù)據(jù)（圖7），一組同學(xué)說海綿隔聲性能最好，另一組推舉紙的隔聲效果最好，這又是怎么回事呢？是傳感器的測量出錯(cuò)了嗎？這又引發(fā)了同學(xué)們新的思考和討論……

教學(xué)反思利用聲音傳感器可以直接測量出聲音的響度，取代人耳進(jìn)行更客觀準(zhǔn)確的判斷.這是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的革命性突破，也正是設(shè)備的革新，鍛煉了老師和學(xué)生對于新技術(shù)的運(yùn)用能力，對于常規(guī)實(shí)驗(yàn)的大膽嘗試與改進(jìn)的能力.

對于最后出現(xiàn)的結(jié)論不一致的問題，我們也可以科學(xué)地去看待，結(jié)論不一致并不一定是實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)，本來學(xué)生帶來的材料不同，紙質(zhì)不同，填塞方式不同，海綿是整塊還是碎塊，這些都會(huì)影響隔聲效果，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)?zāi)馨l(fā)現(xiàn)這些，從而對實(shí)驗(yàn)有了新的思考，甚至是課后新的探索，這些都是我們課堂最難能可貴的生成，這極大地提高了同學(xué)們對物理探究的興趣，也提高了他們對思考和實(shí)踐、討論與創(chuàng)新的興趣，這是學(xué)習(xí)物理多么可貴的動(dòng)力.

“比較材料的隔聲性能”的實(shí)驗(yàn)雖然只是一個(gè)案，但是帶領(lǐng)學(xué)生利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)是有意義的，我們希望數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)芨嗟刈呷氤Ｒ?guī)課堂，能讓更多的同學(xué)收益，得到能力上的提高.

當(dāng)然，我們面臨的問題是學(xué)生能力參差不齊，不是所有學(xué)生都能得心應(yīng)手地使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材，有些學(xué)困生甚至常規(guī)實(shí)驗(yàn)都沒有掌握好，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱崞鹚麄兊呐d趣，但他們的學(xué)習(xí)能力未必能跟上數(shù)字化教學(xué)的節(jié)奏.所以，我們的研究目前只針對學(xué)情較好的部分學(xué)生，讓他們得到更多的提高，而我們所希望的是能設(shè)計(jì)更多更好的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，把問題分得更細(xì)，臺(tái)階鋪的更低，能讓更多的同學(xué)參與進(jìn)來，讓他們在我們的數(shù)字化物理課上開拓視野，邁上新的臺(tái)階.