基于可視化“聲音的特性”的教具創(chuàng)新研究

李中豪 田博雅 王卓異 江超 王小蘭

摘 要：為了提升“聲音的特性”這節(jié)課教學效果，筆者應用一組將聲現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可視化的演示教具，用于定性探究影響聲音音調(diào)與響度的因素.本文創(chuàng)新研究了“聲音的特性”教學內(nèi)容的背景、實驗組成元素、實踐操作步驟和教學實際應用.這種將聲音信號轉(zhuǎn)化為光信號的創(chuàng)新實驗儀器突破傳統(tǒng)教學的重點和難點，在教學實踐中更好地培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng).

關鍵詞：可視化;聲音的特性;教具創(chuàng)新研究

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）20-0036-03

基金項目：湖北省高等學校2020年湖北省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練省級項目“‘我愛物理——物理教師服務平臺創(chuàng)設”（項目編號：202009170068）;黃岡師范學院研究生工作站“5G背景下黃岡革命老區(qū)農(nóng)村中學物理課堂有效教學策略研究”.

作者簡介：李中豪（2000-），男，湖北鐘祥人，本科在讀，研究方向：大、中學物理教育教學研究.

通訊作者：王小蘭（1965-），女，湖北紅安人，教授，碩士生導師，研究方向：教師教育及物理課程與教學論.

1 教學內(nèi)容分析

聲音的特性是人教版初中物理八年級上冊聲現(xiàn)象這一章節(jié)的重點與核心內(nèi)容，2011年版義務教育物理課程標準對于這節(jié)內(nèi)容的要求為：了解樂音的特性，了解現(xiàn)代技術中聲學知識的一些應用.教材第二章圍繞聲現(xiàn)象展開，揭示聲音的本質(zhì)及特性.本節(jié)內(nèi)容在學生理解了聲音的本質(zhì)之后，在生活經(jīng)驗的基礎上構建相關概念，屬于知識的遷移與應用.在教材中涉及音調(diào)、響度和音色三部分內(nèi)容，通過鋼尺、示波器、音叉、乒乓球等工具認識影響聲音三個特性的因素.學生們在學習本節(jié)內(nèi)容之前已經(jīng)學習過聲音的產(chǎn)生與傳播等知識，且由于聲現(xiàn)象與生活實際聯(lián)系較為緊密，同學們普遍對聲音的現(xiàn)象充滿濃烈的好奇心.通過前面的分析可以確定聲音的特性這一節(jié)教學內(nèi)容的重點在于音調(diào)與響度的概念與其對應的影響因素，學生們學習的難點是對于不同特性聲音的波形的理解.

2 教學資料分析

在以往的初中物理課堂當中，教師通常會使用一些教材中的教具用于演示，例如教材中使用直尺探究頻率決定音調(diào)這個知識點，不過此實驗存在的最大缺陷是：直尺兩次振動的幅度很難保持一致，因為在這兩次振動中，直尺伸出桌面的長度會發(fā)生變化，要使直尺振動幅度保持一致，必須用不同大小的力量去撥動，這會使得學生自己在做這個實驗時感覺是其所用力的大小不同導致的變化.這必然誤導學生認為是力的大小決定音調(diào)的高低，引起知識性理解的錯誤，造成學習困難.但這部分知識卻是學生學習的難點.許多學生需要通過在課本和習題當中的聲音波形圖進行區(qū)分與理解，對于這一點，一些教師會將示波器用于教學中展示聲音的波形，通過探究不同音調(diào)、不同響度聲音波形圖的形狀引導學生理解影響音調(diào)和響度的因素.可示波器展示效果較差，在班級教學中難以做到良好的展示效果.

為了更好地培養(yǎng)同學們聲音的物理觀念，筆者應用以下教具，在教學中讓聲音可視化，讓同學們通過肉眼看見聲音，幫助同學們突破對于不同特性聲音的波形的理解難點.

3 基于可視化的教具創(chuàng)新研究

3.1 發(fā)音齒輪

3.1.1 教具器材

三個半徑相同齒數(shù)分別為40、60、80的齒輪，履帶，轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)盤，支架，硬紙片.

3.1.2 教具組成（如圖1所示）

3.1.3 教具原理與使用方法

搖動轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤通過履帶帶動轉(zhuǎn)軸使得三個齒輪同軸轉(zhuǎn)動，將硬紙片靠近齒輪，紙片會由于齒輪的轉(zhuǎn)動被撥動著振動起來，振動會產(chǎn)生聲音，靠近不同齒數(shù)的齒輪，紙片振動的頻率不同，齒數(shù)越大，振動頻率越大，紙片所發(fā)出的聲音音調(diào)越高.

3.2 聲波演示器

3.2.1 教具器材

八面鏡、八面鏡支架、電源、振動頻率為512Hz的音叉、振動頻率為256Hz的音叉、激光手電、可調(diào)節(jié)方向的手電支架、音錘、鏡片.

3.2.2 教具組成（如圖2所示）

3.2.3 教具原理與使用方法

采用物理學中轉(zhuǎn)換的思想將音叉的聲信號轉(zhuǎn)換為激光的光信號.

激光通過音叉表面的反射鏡反射到旋轉(zhuǎn)八面鏡上，由于入射光線與反射光線具有一定夾角，當音叉振動時，運用光杠桿原理將振動效果放大，通過音叉表面的反射鏡反射出去所形成的光點會上下振動，振動軌跡會由于人眼的視覺后像觀察到一個光斑.

當旋轉(zhuǎn)八面鏡轉(zhuǎn)動時，通過八面鏡表面的鏡片反射出去的光點就會隨著八面鏡旋轉(zhuǎn)的方向運動，由于人眼的視覺后像，就會在顯示面上看到一條光線.如圖3所示.

在八面鏡轉(zhuǎn)動的同時敲擊音叉，由于音叉振動而反射出去的光斑，再通過旋轉(zhuǎn)著的八面鏡的反射，就會具有一個橫向速度.最后在顯示面上的光點在音叉和八面鏡的同時作用下的運動軌跡所造成的視覺后像就是一條美麗的波紋.如圖4所示.

在八面鏡旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定的情況下，光點的運動軌跡會受音叉振動的頻率和振幅的影響.

4 基于可視化教具的教學創(chuàng)新研究

4.1 探究影響音調(diào)的因素

教師在課堂中使用發(fā)音齒輪探究影響音調(diào)的因素.轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，將硬紙片分別靠近不同齒數(shù)的齒輪，可以觀察到隨著齒輪齒數(shù)的增大，硬紙片被撥動所振動發(fā)出的聲音越來越高.由于齒輪的齒數(shù)越大，紙片振動越來越快，可以得出聲音的音調(diào)與發(fā)聲體振動的快慢有關.教學過程見表1.

4.2 區(qū)分不同音調(diào)聲音的波形

教師在課堂中使用波形演示器幫助同學們區(qū)分不同音調(diào)聲音的波形.分別敲擊振動頻率高低不同的音叉可以觀察到頻率高的音叉所發(fā)出的聲音波形比較密集，頻率低的音叉所發(fā)出的聲音波形比較疏散.可以得出不同音調(diào)的聲音波形疏密不同.教學過程見表2.

4.3 區(qū)分不同響度聲音的波形

教師在課堂中使用波形演示器幫助同學們區(qū)分不同響度聲音的波形.分別用兩個大小不同的力敲擊同一個音叉，可以觀察到越大的力敲擊音叉，聲音的響度越大，波形更高.可以得出不同響度的聲音波形高低不同.教學過程見表3.

5 結(jié)束語

中學物理教學創(chuàng)新的關鍵點之一就是物理實驗教具的創(chuàng)新，而這組基于聲現(xiàn)象可視化的實驗教具可以很好地幫助學生理解有關聲現(xiàn)象物理觀念的內(nèi)涵.筆者利用物理學中轉(zhuǎn)換的思想方法，巧妙設計演示實驗教具，將聲信號轉(zhuǎn)化為光信號，用自制“波形演示器”讓學生通過肉眼看見聲音的形狀，從感性的角度加強學生對于聲音的物理觀念的認識;將當堂實驗的結(jié)果進行對比得出結(jié)論，學習新知，讓學生更能體會到實驗的樂趣.

在2021年7月在四川師范大學舉辦的“格致杯”物理師范生教學技能展評活動中本教具榮獲二等獎.

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（收稿日期：2021-08-04）