以電腦示波代替人眼判斷的數(shù)字化實驗案例

郁志蕓

1案例背景

《物理課程與教學(xué)論》有這樣一段話：“美國教育技術(shù)CEO論壇第3度（2000）報告明確指出：‘培養(yǎng)21世紀的能力素養(yǎng)，學(xué)校必須將數(shù)字化內(nèi)容與學(xué)科課程相整合.”而“數(shù)字化內(nèi)容與學(xué)科課程相整合”就是我們通常所說的“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)是我們要達到的目標.我們擁有數(shù)字化實驗設(shè)備，我們要更好地去開發(fā)這些設(shè)備在一線教學(xué)中的運用與改進，讓更多的學(xué)生在數(shù)字化實驗中收益.

所以我們近年一直致力于用數(shù)字化實驗技術(shù)改進常規(guī)課堂上的傳統(tǒng)實驗，利用傳感器和電腦的顯像優(yōu)勢來彌補傳統(tǒng)實驗中的不直觀等不足，讓學(xué)生在實驗中有更準確更具可視性的體驗，從而提高學(xué)生的實驗操作能力， 培養(yǎng)學(xué)生的觀察力和數(shù)據(jù)分析能力，鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力，提高學(xué)生開拓物理實驗的興趣.

2問題敘述

蘇科版物理八上第一章第二節(jié)聲音的特性一節(jié)的教學(xué)，如圖1所示.

探究影響聲音強弱的因素時，實驗設(shè)計中要解決的一個問題就是如何顯示鼓面振動幅度，因為人眼無法看清鼓面的振動，于是我們運用轉(zhuǎn)化放大法，在鼓面上撒米粒或放置乒乓球，看米粒或乒乓球跳動的高度，來判斷鼓面的振動幅度，從而總結(jié)響度與振幅的關(guān)系.而在實際操作中，兩次聲音響度必須差異較大，才能明顯看出鼓面上物體跳動的高度差別，要想做三次甚至更多次實驗進行對比，得到普遍規(guī)律，就沒那么容易了，那么能否直接顯示出振動的幅度呢？

如果說這個實驗利用轉(zhuǎn)化放大法還是能較好地觀察現(xiàn)象，得出結(jié)論，那么探究音調(diào)與頻率的關(guān)系，學(xué)生的困惑就更多了.

在課堂上，學(xué)生改變鋼尺伸出桌面的長短（圖2），從而改變了發(fā)聲的音調(diào)，此時就有同學(xué)對刻度尺發(fā)聲的音調(diào)提出了質(zhì)疑，感到無法分辨哪次音調(diào)較高，而且好像控制了用力大小，可是響度還是不同，因為這個實驗，不僅僅是刻度尺振動發(fā)聲，可能同學(xué)們更多聽到的是刻度尺拍打桌面的聲音，聲源不止一個，音調(diào)區(qū)分也不能聽得非常清楚.而最大的問題是對振動頻率的觀察，不少學(xué)生說看不清刻度尺的振動快慢.確實，人眼對振動頻率的分辨能力有限，振動頻率高于一定值時，人眼是很難準確分辨出振動頻率的高低的.所以這個實驗最大的困難就是對振動頻率的觀察，如何能清楚地顯示振動頻率是實驗的關(guān)鍵點.

對于音色的介紹，課本上的活動是讓學(xué)生聽不同樂器的音色（圖3），然后給同學(xué)展示了不同樂器發(fā)聲的波形（圖4）.

我們能否真正顯示出不同樂器發(fā)聲的波形？

處理對策：利用數(shù)字化實驗設(shè)備，我們可以用聲音傳感器采集聲音（圖5）.

它的優(yōu)勢是可以通過采集聲音，在電腦上顯示出聲音的波形（圖6）.

縱坐標表示振幅，橫坐標表示時間.

2.1探究響度與振幅的關(guān)系

我們選用笛子進行實驗，因為聲音較刻度尺、音叉等更為穩(wěn)定（圖7）.

我們請同學(xué)分別用不同的力吹相同的音C調(diào)SO，第一次響度最小（紅線），第二次響度較大（藍線），第三次響度最大（綠線），觀察三次實驗的波形（圖8）.

可以從縱坐標聲波的振動幅度看出，紅色波（第一次）振幅最小，綠色波（第三次）振幅最大，從而得出振幅越大，響度越大的實驗結(jié)論.

歷經(jīng)困難：為什么會選取C調(diào)SO呢？我們在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，不是每個音調(diào)都適合利用傳感器做響度與振幅關(guān)系的實驗，笛子發(fā)較低的音調(diào)時，波形顯示的振幅都比較大，而較高音調(diào)時，哪怕很用力吹，顯示波形的振幅也并不太大，我們要找一個音，能夠在三次不同的力吹奏下在電腦上顯示出振幅區(qū)分度較大的波形，經(jīng)過多次實驗，我們選取了C調(diào)SO，從而得到了圖8的波形，完成了實驗.

2.2探究音調(diào)與頻率的關(guān)系

我們請同學(xué)用同樣的力吹C調(diào)SO（紅線）、高音DO（藍線）和高音SO（綠線）三個音，我們能很明顯地聽出音調(diào)的升高，而得到的波形（圖9）.

我們選中一個區(qū)域，相同的時間，紅色波振動了6次，藍色波振動了8次，而綠色波振動了12次，由于頻率等于振動的次數(shù)與時間的比值，所以相同的時間，振動次數(shù)越多，頻率越高，結(jié)合三次音調(diào)的高低也就說明頻率越高，音調(diào)越高.

歷經(jīng)困難：為什么選取這三個音？

通過一次次嘗試，我們發(fā)現(xiàn)如果音調(diào)差異較小的兩個音，頻率較接近，選取相同的時間，很難都數(shù)出完整個數(shù)的波形.所以音調(diào)區(qū)分度要稍大，這樣頻率區(qū)別更明顯.而更大的困難是保持相同的響度，也就是圖上三個波的振幅要盡可能相同，C調(diào)SO和高音DO用相同的力吹就能基本保持波形振幅相同，而高音SO如果也用相同的力吹，響度明顯沒有前兩個音大，振幅也明顯小，所以這里控制相同的力反而無法控制響度相同了，于是我們請同學(xué)用更大的力吹高音SO，直到控制振幅與前兩個波相同時為止.這是笛子這種樂器的特性所造成的.

2.3觀察不同樂器的發(fā)聲波形

我們請三位同學(xué)分別演奏二胡、笛子和小提琴，并且要求他們保持盡可能相同的響度，演奏同一個音C調(diào)SO，我們能明顯聽到三種樂器的音色不同，并且得到了三種樂器的波形（圖10）.

同學(xué)們能直觀地觀察到不同樂器的音色不同，波形也不同.

3教學(xué)反思

3.1數(shù)字化改進的優(yōu)勢

3.1.1現(xiàn)象更直觀

學(xué)生可以在電腦上直觀地看到聲音的波形，可以對比不同響度不同的振動幅度，可以比較不同音調(diào)不同的振動頻率，更能夠直接對比不同樂器不同音色聲音的波形.它不僅解決了學(xué)生肉眼看不清聲源振動的問題，而且更清晰地讓學(xué)生了解到聲音是一種波.

3.1.2聲源更穩(wěn)定

改用樂器進行實驗，能提供比音叉、刻度尺等更穩(wěn)定的聲源，得到穩(wěn)定響度、音調(diào)的聲音，從而提高實驗的準確性.

3.1.3實驗更有趣

請學(xué)生演奏，請學(xué)生收集，聲源貼近生活，一起分析波形，這樣的改進讓學(xué)生有新的體驗，對于能夠看到聲音的波形這一點，就讓學(xué)生產(chǎn)生了很大的興趣和新鮮感，并且還能通過對波形的分析得出結(jié)論，這也給了學(xué)生極大的成就感.

3.2數(shù)字化實驗的不足

3.2.1技術(shù)難度

參與數(shù)字化實驗，對學(xué)生提出了技術(shù)操作的要求，對于個體能力參差不齊的初中學(xué)生群體，不可能像刻度尺實驗?zāi)菢幼屆總€同學(xué)都在課堂上參與并完成.只能組織部分學(xué)習(xí)能力較強的同學(xué)以校本課程或夏令營的形式參與，對廣大學(xué)生的普及性較差.

3.2.2分析難度

學(xué)生在做頻率分析的時候要通過數(shù)相同時間內(nèi)的振動次數(shù)，這對于初中生來說，必須先透徹理解頻率的定義，再去理解相同時間振動次數(shù)多頻率就高，這是有一定難度的，并不是直接比較頻率值.

3.2.3聲源限制

在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)一個問題，不同樂器發(fā)聲波形不同，然而同一個樂器不同音調(diào)時波形也不一樣.比如鋼琴，由于每個鍵彈奏時琴錘敲擊的弦并不是同一組，得到的波形會有不同.我們最終選取笛子來完成第一、二個實驗，也是因為笛子的波形較為穩(wěn)定，也便于觀察.

3.3針對不足進行的改進

由于無法做到學(xué)生全員參與，筆者將此實驗做成了5分鐘的微課，在課上播放給學(xué)生看，作為這一節(jié)課學(xué)生實驗后的一個深入理解和鞏固.學(xué)生很感興趣，效率也很高，關(guān)鍵是學(xué)生更透徹地理解了聲音的特性，攻破了響度與振幅、音調(diào)與頻率的關(guān)系這個學(xué)生常混淆的知識點，取得了不錯的效果.