《聲音的產生》案例研究

《聲音的產生》一課要求學生了解聲音是由物體的振動產生的，能區分聲音的大小與高低，能夠解釋各種常見樂器的發聲方法。

韋鈺院士在《探究式科學教育教學指導》一書中，特別把聲音部分所涉及的概念做了詳細描述。通過閱讀韋鈺院士提供的有關聲音的概念圖，不難發現，建構有關聲音的所有概念幾乎都離不開振動這一概念，讓學生真正了解振動概念是“聲音”單元學習的基礎。從思維發展的角度看，學生基于不同物體的發聲實驗，在建構“聲音是由物體的振動產生的”這一科學概念的過程中，要多次運用比較、抽象、概括、推理等思維方法。

我們通過對多個地域多個班級的學生的課前調查發現，他們對于聲音并不陌生，絕大部分學生認為敲、打、吹、彈、撥等方式能夠產生聲音。也就是說，學生認為對物體施加力，物體就會產生聲音，但他們對于 “對物體施加力，引發物體振動，物體振動產生聲音”的邏輯認識明顯不足。

基于對學情的了解，我們在近四年的時間內，先后嘗試了兩種不同的教學思路，重點就如何促進學生推理思維的發展做了一些探討。

一、思路1：精心設計材料結構層次，引領學生的思維有序展開

針對“聲音是由物體的振動產生的”這一科學概念的建構，教師準備的分組實驗材料有塑料托盤、皮筋、尺子、音叉、鐵架臺、乒乓球、記錄單等，準備的演示材料有粘著帶線小球的手鼓、水、弦樂和管樂的圖片、相關視頻等。

將上述直接能夠發聲材料的特征進行簡單梳理，其材料結構和特點可用下表表示。

1.引導學生基于振動明顯的材料開展探究活動，初步嘗試歸納推理的方法

課上，教師出示尺子和皮筋，要求學生想一想有哪些方法能讓尺子和皮筋分別產生聲音，要求他們想出盡可能多的方法并匯報。

學生想到的辦法限于拉、打、敲等方法，教師在黑板上寫下《聲音的產生》課題名稱后，要求他們思考為什么拉、敲、擊打能產生聲音？學生提出各自的想法后，教師逐漸將話題引導到觀察皮筋和尺子在產生聲音時的形態變化上。

在學生討論的基礎上，師生共同商量具體觀察情況和記錄方法：把皮筋統一套在托盤上，平放在桌面仔細觀察；把尺子放在桌面上，伸出一半的長度，用一只手在桌子的邊緣緊緊壓住尺子，用另一只手撥動它。記錄皮筋和尺子發聲前什么樣？發聲的時候發生了怎樣的變化，停止發聲后又會怎么樣？教師特別提示學生可用畫圖和文字結合的方式表達觀察到的現象。

在學生匯報過程中，教師不僅啟發學生按發聲前、發聲時、發聲后的順序分別將皮筋和尺子的形態變化描述清楚，還鼓勵他們比較兩種物體發聲時形態變化的差異，用手勢將觀察到的變化模擬出來，如皮筋的上下左右顫動、尺子的上下來回擺動。同時，教師在黑板上逐漸完善學生所描述的現象。如下圖所示。

學生匯報時逐漸形成的板書

結合學生的體態描述和形象的板書設計，教師進一步引導學生用“振動”這一科學詞匯稱呼那種圍繞平衡位置的上下、左右、前后的來回運動方式。

明確了皮筋和尺子振動時會發聲的現象后，教師沒有急于讓學生推測其他物體是不是振動后也會發出聲音，而是讓他們思考在生活中還有哪些物體振動時會發出聲音。

學生互相啟發，很快就列舉出吉他、琵琶、古箏等許多弦樂器的琴弦振動，會發出聲音；也有學生想到樹枝來回擺動（振動）、書來回扇動（振動）也會發出聲音。在學生匯報過程中，教師適時播放相應樂器的圖片和發聲時琴弦振動的視頻特寫。

當學生積累了較多的典型事例后，教師利用板書內容指導學生用歸納推理的方式來推想聲音產生的原因：

尺子振動時會發出聲音；

皮筋振動時會發出聲音；

吉他、小提琴等樂器的弦振動時會發出聲音；

……

尺子、皮筋、各種弦樂器的弦都是物體，由此可以推想物體振動時會發出聲音。

2.啟發學生基于音叉的探究活動發散思維

在老師的啟發下，學生很快意識到有些物體發聲時并沒有看見它在振動。這時，教師順勢拿出音叉向學生做介紹，敲擊音叉發出聲音后，有學生說它沒有振動，有學生說它在振動。那么，音叉發聲時到底振動沒有呢？學生的分組觀察活動開始了。

學生活動2分鐘后，教師陸續給各組提供用線拴著的乒乓球、裝有水的培養皿……

匯報時，有學生說用手輕輕碰觸發聲的音叉會感覺到振動，仔細觀察可以看到音叉發聲時在輕微晃動；有的學生邊匯報邊用乒乓球接近發聲的音叉時會被彈起來，說明音叉在振動；有的學生則演示將正在發聲的音叉接近水面出現水花四濺的現象，說明音叉發聲時在振動……

音叉的出現，讓學生體會到可以用不同的方法間接地觀察物體的振動，這實際上是一種科學觀察方法，即放大法。從研究發聲時振動明顯的物體向發聲時振動不明顯的物體的過渡，音叉這一典型材料發揮了較好的中介作用。

3.引導學生基于其他振動不明顯材料的探究活動，強化歸納推理的方法

有了研究音叉的豐富經驗，學生自然會將這些經驗遷移到研究其他物體發聲時是否也會振動。他們借助一些輕小材料，發現軍鼓、桌面、瓶子中的空氣等很多物體發聲時都會振動，同時聯想到很多管樂器如笛子、小號、葫蘆絲、嗩吶等發聲時都要有空氣的振動。

對于液體的振動發聲，教師只是簡單列舉了一些實例，沒有要求學生實驗。至此，學生再次用歸納推理的方式確認聲音是由物體振動產生的？

音叉發聲是由音叉振動產生的；

鼓發聲是由鼓面振動產生的；

桌子發聲是由桌面振動產生的；

……

音叉、鼓面、桌面都是固體，所以，固體發聲是由振動產生。

固體發聲由振動產生；

液體發聲由振動產生；

氣體發聲由振動產生；

固體、液體、氣體是物體的三種基本形態，所以，聲音是由物體振動產生的。

4.引導學生基于部分典型材料的探究活動，用演繹推理的方法反證結論的正確

在接下來的教學中，教師先回顧教學開始時學生對物體產生聲音的解釋，啟發學生思考拉、敲、擊打、摩擦、碰、吹等方法實際是對物體用力，對物體用力后，使物體振動起來，同時產生聲音。停止用力后，有些物體的振動還會持續一段時間，聲音也相應地持續發出。

為進一步讓學生理解“聲音是由物體振動產生的”這一概念，教師問學生：“有什么辦法讓正在發聲的音叉馬上停止發聲？”

學生通過實際操作，很快找到讓音叉停止發聲的竅門：攥住音叉，讓它停止振動，聲音就會停止。教師讓學生用新學到的概念來解釋這一方法的道理，于是，他們在教師的提示下，用演繹推理的方式來解釋如何停止發聲：

聲音是由物體振動產生的；

音叉的振動停止了；

音叉的聲音也就自然停止了。

教師追問：讓音叉馬上停止發聲的方法找到了，道理也弄清楚了，這適用于其他物體嗎？

學生分別用不同物體嘗試，果然百試不爽。經過演繹推理的反證過程，學生進一步確認：聲音由物體振動而產生。

在上述案例中，教師重點引導學生用推理的方法建構“聲音是由物體振動產生的”這一概念，尤其是歸納推理方法的反復運用，成為本課的主要亮點。

歸納推理是從個別到一般的推理，這是廣大教師熟知的，具體方式不在這里贅述。皮筋和尺子在發聲時振動明顯且發聲持續，學生在認真觀察、比較、模仿的基礎上，逐漸將皮筋、尺子發聲時的運動方式抽象為“振動”，這是本課至關重要的一個環節。以此為基礎，學生能直觀判斷一系列典型的物體發聲時振動的具體事例，進而概括出這些物體發聲時都在振動，使最初的歸納推理過程得以實現。比較、抽象、概括、歸納推理等思維方法雖然沒有講給學生，但他們在實踐中運用著這些方法。

音叉發聲時振幅不明顯但發聲持續，可以認為是從典型材料向非典型材料的過渡，引起學生的認知沖突，推進概念的建構，在此階段積累的成功經驗，可以較好地遷移到研究其他非典型材料發聲時是否振動的活動中。這樣，有助于學生將振動觀點從發聲振動明顯的物體遷移到振動不明顯的物體上，從而形成完整的對物體發聲的認識。從思維角度看，學生能將研究音叉發聲時是否在振動的方法遷移到研究其他物體上，是類比推理方法的應用。隨著學生收集到的個別事實增多，且涉及固體、氣體和液體三種基本形態，再一次的歸納推理有了更為堅實的依托。

在反證環節，教師準備的材料再次發揮作用，通過演繹推理方法的實際運用，進一步強化了學生對于“聲音是由物體振動產生的”這一科學概念的認識。

在本課中，教師緊緊抓住整個單元的核心詞匯“振動”做文章，盡可能直接快速地聚焦問題。引導學生在對振動明顯的發聲材料的觀察基礎上，推測其他物體振動時也會發聲；以音叉為例引導學生觀察振動不明顯的發聲物體，確認推測成立；用反證的方式進一步強化聲音是由物體振動產生的認識。可以說，在良好材料結構的支撐下，教師的教學思路很清晰，較好體現了科學探究的基本過程，也較好地促進了學生科學概念的建構。

然而，從上述案例的描述過程中不難發現，材料的分層出現，導致學生的思維始終在教師的掌控之下，他們雖然有一些自由發揮的機會，但總體上處于一種被牽引的狀態。尤為遺憾的是，可謂精雕細琢的一節課上完后，總會有學生依然認為聲音是敲出來的、打出來的……對此，我們又嘗試了第二種思路。

二、思路2 ：充分發揮典型材料的作用，鼓勵學生積極主動地參與思維過程

怎樣讓學生將聲音與物體的振動盡快建立聯系，更有效地調動他們參與思維過程的積極性呢？我們在反復思考的基礎上，將發聲時振動持續且頻率不變的音叉作為典型探究活動材料。音叉敲一下，發聲時間很長，它的振動可以看得到、觸摸得到，讓學生更加容易認識聲音與振動的關系。

1.聚焦問題

（教師上課直接出示音叉：這是音叉，是用途很廣的器材。用小錘敲擊音叉，你聽……）

學生頭腦中根深蒂固的已有概念是：聲音是敲出來的、打出來的……面對只輕敲一下，卻能較長時間持續發聲的音叉，認知沖突出現了。學生平時接觸的發聲物體多數是敲打時發聲，不敲打時就停止發聲，即便聲音能持續，也從沒有像音叉這樣持續時間長。此時，教師有意讓學生模仿音叉的發聲，強化音叉發聲的持續性之后再提問：音叉是怎樣發聲的？這契合了學生的疑問。

2.嘗試解決，探索音叉發聲的奧秘

明確了探究的問題，教師發給每組（2人組）一套音叉，強調敲擊一下音叉，觀察現象直到聲音停止。當學生充分觀察了音叉發聲的現象后，再次提問：敲音叉時，你有什么發現？

學生的發現主要是：敲擊音叉后，音叉發出嗡嗡聲音，并且持續時間比較長，手有麻麻的感覺，音叉在動；如果用眼睛仔細觀察，可以看到音叉在動；聽不見聲音，音叉就不動了；把音叉攥住，音叉就不出聲了……

幾乎每個學生都感受到音叉發聲時在動，甚至還有學生提到了振動。學生用最直接、最主動的方式將音叉發聲與音叉的動建立起聯系，初步形成的共識是：音叉動時就有聲音，不動就沒有聲音。

3.再次嘗試，音叉是怎樣動的

學生既然已經發現音叉的發聲和動有關，就很自然地產生問題：音叉是怎樣動的呢？顯然，學生初次觀察音叉發聲現象時并沒有關注這個問題，自然也就無法說清楚。對音叉發聲的再次觀察，也就順理成章地開始了。

當學生用眼睛直接觀察，不能清晰觀察到音叉的運動時，教師提示：三年級證明空氣存在實驗時，我們曾借助海綿、磚頭等材料。于是，學生想到將發聲的音叉接觸桌面，用小錘接近正在發聲的音叉，利用教師提供的乒乓球接近音叉……

4.交流提煉，明確音叉在振動

在學生充分觀察的基礎上，教師組織他們匯報展示觀察的結果，并用手臂模擬觀察到的現象。在學生就音叉的運動方式很難達成一致的意見時，教師適時播放音叉振動的慢放特寫視頻，讓學生清晰觀察到音叉的運動，明確像音叉這樣的運動叫振動，然后再次要求學生用手臂模擬音叉振動的狀態。

音叉是怎樣發聲的呢？學生一般都會用類似“音叉因振動而發聲”的語句來回答。這會成為具體的概念嗎？教師拿出音叉并敲擊，提問：為什么敲擊音叉，音叉就會發聲呢？學生解釋：因為敲擊音叉，引發音叉振動，從而產生聲音。教師再追問：你能讓它迅速停止發聲嗎？

生：捂住音叉。

師：為什么這樣可以停止發聲？

生：捂住后，音叉停止振動，就會停止聲音。

生：攥住是為了停止振動，聲音也就沒了。

通過幾次對音叉的探究，我們不難發現，學生敲擊物體使物體產生聲音的前概念，已經轉變為：敲擊物體，引發物體振動，從而產生聲音；振動停止，聲音就會停止。

5.有效遷移，其他物體又是怎樣發聲的

有了對音叉的探究經驗，皮筋、尺子、鼓、桌面……又是怎樣發聲的？面對這樣的問題，學生便能輕松應對了。

以音叉為重點探究對象，學生收集到足夠的事實后，可以用歸納推理的方式，初步建構起“聲音因物體振動而產生”的概念，再用演繹推理進行反證，強化概念。這與第一種思路類似，不再贅述。

這種教學重點突出典型材料音叉的運用。在對音叉的發聲原因反復探索的過程中，學生有了更多的自主思考機會，思維的主動性、積極性有了明顯提升。音叉是怎樣發聲的？在敲音叉時，你有什么發現？音叉是怎樣動的？你能讓音叉迅速停止發聲嗎？為什么這樣做可以？這一系列互相聯系的問題所構成的問題鏈，與學生探究過程中的思維發展相契合，可以說是本思路的一大亮點。

然而，與第一種思路相比，教師在思維方法的指導方面明顯偏弱。這是否與我們的“基于科學實驗促進學生思維發展的案例研究”課題的初衷相一致呢？我們仍將繼續探索。

（本文系中國教育學會科學教育分會2015年度全國科學教育研究規劃課題立項項目“基于科學實驗促進學生思維發展的案例研究”暨“北京市中小學名師發展工程首都師范大學基地研究項目”階段性研究成果。）