核心素養目標下“聲音的特性”DIS實驗教學活動設計

張旺 汪志榮

關鍵詞：DIS實驗：聲音的特性：聲波圖：教學活動設計

“聲音的特性”是在介紹聲音的產生與傳播知識的基礎上，進一步對聲音性質的認識，對初中聲學內容起到引領和鋪墊的重要作用。教學中要讓學生了解聲音的特性，最好的方法是動手實驗，讓學生通過真切的感受去認識。

與傳統實驗教學相比，運用DIS進行本節探究活動設計，結合直觀的實驗現象，發揮實驗數據采集和信息可視化功能，幫助學生從振動圖像特征的角度去理解聲音特性的概念，將聲音響度的大小、音調的高低以及音色的差異，與聲波波形圖的高低、疏密和形狀等性質結合起來進行對比分析，將有利于學生形成描述聲音特性的相關物理概念。

物理核心素養集中體現了物理學科的教育價值，是三維課程目標的整合、提煉與發展，為了發展學生的物理學科核心素養，本節教學將DIS數據采集分析系統和中國傳統樂器結合起來，設計“聲音的特性”探究教學活動。

1情境導入

首先，欣賞一段《保衛黃河》交響樂，創設問題探究情境。引導學生思考，這段音樂時而亢奮，時而平穩，其中的聲音有何不同？交響樂演奏當中用到哪些樂器？這些樂器發出的聲音有何不同？其中有男生合唱和女生合唱，這兩種聲音又有何不同？進而提出如何認識不同聲音的特性？由此開展實驗探究教學活動。

2DIS實驗設計

2.1探究響度及其影響因素

教師首先進行實驗演示：用不同大小的力敲擊音叉，讓學生辨別音叉先后兩次發聲有何不同？引導學生分辨出聲音的強弱不同，進而指出，物理中用響度來表示聲音的強弱，即聲音的大小。然后，讓學生列舉生活中有關響度差異和變化的聲音現象，加強學生對響度概念的理解。

教師追問：影響聲音響度大小的因素是什么？

圍繞上述問題，開展演示實驗：依次用很小的、較小的和較大的力敲擊音叉，并讓音叉接觸懸吊在鐵架臺上的乒乓球。引導學生聽音叉三次發聲的響度和觀察乒乓球的振動幅度，指出乒乓球振動有何不同？三組聲音的響度有何差異？

進一步說明，敲擊音叉，音叉振動發聲，但是振動很微弱，肉眼無法觀察，所以運用轉化法和放大法，將振動的音叉輕觸乒乓球，乒乓球便在音叉的作用下振動。乒乓球振動的幅度越大，反映音叉振動的幅度也就越大。由此指出，物理學中，用振幅表示物體振動的幅度。

分析演示實驗現象，得出結論：聲音的響度與振幅有關，振幅越大，響度越大;振幅越小，響度越小。

探究響度的影響因素，除了傳統實驗外，還可以應用DIS實驗裝置。

實驗時，用較大的、較小的和很小的力敲擊音叉，通過聲波傳感器依次采集音叉發出的聲音，用電腦顯示三段聲音形成的波形圖（圖1），并無線投屏到講臺上的大屏幕。

通過觀察、分析波形圖可知，不同響度的聲音形成的波形圖高低不同，波形圖越高，說明振幅越大，則聲音的響度越大。

應用DIS實驗探究聲波振幅，利用圖像進行表征，不僅有利于促進學生對振幅概念的理解，認識振幅和響度的關系，同時還能夠引導學生認識通過物理圖像分析聲音特性的研究方法，為進一步探究音調和音色的影響因素奠定認知基礎。同時，結合數字化實驗技術應用，能夠激發學生的探究興趣。

教師進一步追問學生：聲音的響度除了與聲源振幅有關，還可能與什么因素有關？并列舉聲源距離和分散程度引起聲音的響度變化，引導學生理解聲音響度還與聲音的傳播距離和分散程度有關。

2.2探究音調及其影響因素的DIS實驗設計

教師首先播放一段用古代編鐘演奏《東方紅》的音樂視頻，讓學生猜想古人用編鐘演奏的聲學道理。為了讓學生認識編鐘演奏的原理，激發學生的探究興趣，用不同長度的合金管制作了簡易合金管“編鐘”，如圖2所示。讓學生用木棍由長到短依次敲擊合金管，保持敲擊力度大致相同，讓學生感受長短不一的合金管發出聲音的差異，體會其中音樂演奏的道理。通過引導學生辨認聲音的高低不同，引出音調的概念，在物理學中，用音調表示聲音的高低特性。

創設問題情境：教師再次用木棍依次敲擊合金管，由長到短，合金管發出的聲音逐漸變得尖銳，即聲音的音調逐漸變高，提問音調的高低與什么因素有關？

接著開展隨堂小實驗，讓學生撥動直尺，直尺振動發聲，改變直尺伸出桌面的長度，再次撥動直尺，兩次操作發現直尺振動的快慢不同。由此指出，在物理中用頻率表示物體振動的快慢。頻率是物體每秒內振動的次數，單位是赫茲（Hz）。

2.2.1定性探究音調的影響因素

古代樂器排簫是由長短不同的蕭排列組合而成，如圖3所示。排簫發聲穩定，吹奏長度不同的簫管，發出聲音的音調不同。因此，可用排簫和DIS實驗定性探究音調的影響因素。

教師演示排簫發聲：選擇四根簫管，由長到短地均勻用力吹奏，用力大小相當，讓學生辨認幾組聲音的音調差異。

同時，用聲波傳感器采集上述實驗的四組聲音，并將電腦顯示的聲波圖（圖4）投屏到大屏幕，引導學生觀察，比較分析振動特點的差異，得出音調的影響因素。

實驗表明，隨著排簫的蕭管長度變短，發出聲音的音調變高。分析DIS顯示的聲波圖可知，隨著排簫長度變短，發出聲音所形成的波形圖逐漸密集。波形圖的縱坐標表示振幅，橫坐標表示時間，由于頻率與周期成反比關系，所以波形圖的疏密程度反映了振動頻率的大小，波形越密，頻率越大;波形越疏，頻率越小。

2.2.2定量探究音調的影響因素

通過“聽”和“看”進行定性的對比實驗探究，能初步得出音調與頻率的關系，但該結論的精確性和普遍性還需要定量探究。

（1）設計方案和實施探究

DIS聲振功能界面不僅能顯示聲音的波形圖，還能顯示發聲物體振動的具體頻率值。排簫共有14根長短不同的簫，為了凸顯數據的變化規律，按照由長到短的順序每隔一根選取一根簫為研究對象，共選擇7根簫，對它們從1到7進行編號，測量其長度。由教師吹奏排簫，同時開啟DIS實驗裝置，用聲波傳感器依次采集這些排簫發聲的頻率，學生依次辨別和記錄各自發聲的音調特征，并記錄數據。以下記錄了3組實驗測量結果，如表1所示。

（2）科學觀察和數據分析，總結結論

聽7根簫發聲的音調，定性尋找音調與排簫長度的關系特征，記錄7根簫發聲時空氣柱振動頻率數據，定量分析排簫發聲音調與排簫長度、振動頻率之間的關系特征。

由實驗數據可知，三組實驗均表明從長到短依次吹奏排簫，聲振的頻率越來越高，聲音的音調也越來越高，說明聲音的音調與發聲體振動的頻率有關，頻率越大，音調越高;頻率越小，音調越低。

（3）對實驗結論進行科學解釋

關于音調決定于聲源的振動頻率，應從發聲的物理機制進行解釋，闡明物理原理。吹奏排簫，氣流進入管內，與管的內壁發生摩擦和碰撞，空氣柱振動發出聲音，由于每根簫的長度不同，管內空氣柱振動的快慢不同，即頻率不同，管越長，管內空氣柱振動越慢，頻率越低，所以發出聲音的音調越低。

2.3探究音色及其影響因素

理解音色概念及其影響因素的物理內涵是本節的教學難點。對于音色的影響因素，各版教科書中都未做過多描述，只提到“不同發聲體結構材料不同，發出聲音的音色不同”。物體振動發聲，振幅影響響度，振動頻率影響音調，所以討論音色的影響因素時，自然會想到聲源振動的某一屬性。

運用DIS實驗，從圖像的角度去分析不同材料結構的振動方式不同，很容易突破音色這一教學難點。

教師通過播放音頻，讓學生辨別二胡、鼓和笛子發出的聲音，學生可辨別出這3種樂器發出聲音的特色、品質不同。由此可以指出，物理中用音色表示聲音的特色與品質。同時列舉聞聲辨人等例子，強化學生對音色概念的理解。

設問：不同樂器發出聲音的音色不同，那音色的影響因素是什么？

演示：敲擊合金管“編鐘”和吹奏排簫，兩次發聲的音色不同。

追問：合金管“編鐘”由金屬制作，屬于打擊樂器，排簫由竹子制作，屬于管樂器，這兩種樂器的材料和結構不同。為什么發聲體的材料和結構不同，發出聲音的音色不同呢？

運用類比方法，設計DIS實驗，分析這些聲音所形成的波形圖。教師先敲擊音叉發出聲音，再依次播放笛子、二胡的獨奏樂曲，用聲波傳感器依次采集這三組聲音，讓學生觀察這三組聲音所形成的波形圖，如圖5所示。

現象分析：3列聲波圖的形狀不同。很明顯，音叉發聲的波形圖形狀更平滑，更規則;相比較之下，笛子和二胡發聲的波形圖形狀不規則，但是也具有周期性，這是什么原因造成的呢？

引導啟發：音叉、二胡和笛子等振動的方式各不相同。音又是金屬振動發聲;二胡發聲是拉動弓弦與琴弦摩擦使琴弦振動而發聲：笛子發聲是氣流進入笛管內，與笛管內壁發生摩擦、碰撞而使空氣柱振動發聲。音叉作為特制的聲學實驗儀器，金屬材質均勻，結構規范對稱，所以振動方式較為穩定，從而形成的聲波圖形狀比較規則，呈周期正弦波圖形，即使振動衰減，聲音的響度變小，其形狀規范性不變。相比較之下，二胡是多根琴弦振動，其振動方式較為復雜，所形成聲音的波形圖不規則。同樣，引起笛子發聲的空氣柱振動方式也比較復雜，聲波圖也不規則。

通過應用DIS實驗顯示聲波圖的方式設計探究活動，能夠引導學生真正體會到由于聲源的材料和結構不同，其振動方式和振動性質有差別，因而導致發聲的音色不同。這種針對音色的概念教學，能夠促進學生認識其物理本質。

3傳統聲樂文化教育

中國古代傳統樂器文化博大精深，其中蘊含著豐富物理聲學和樂律學知識，通過運用合金管“編鐘”和排簫開展探究活動體現了對學生進行中國古典聲樂文化教育。編鐘是古代大型打擊樂器，其聲音洪亮、形態雄渾、堅固耐用，正因為如此，歷朝歷代都把編鐘尊為宮廷樂器之首。據史料記載，早在商朝就有了青銅編鐘，具有代表性的是1978年出土的曾侯乙編鐘，是人類青銅時代最偉大的藝術作品，也是有史以來音樂考古學上罕見的重大發現，被譽為“世界第八大奇跡”，全套編鐘由多達65件單體青銅樂鐘組成，有著三層八組的宏大構造，總用銅量達4421.48千克。排簫是中國最早出現的編管樂器，最早出現于遠古社會末期，是一件具有民族特色的樂器，其形制、音色都體現著中國傳統音樂的審美理念，是中國悠久傳統音樂文化的象征。

教師進行聲音特性的教學活動前，可以簡要介紹中國古代傳統樂器，開展傳統聲樂文化教育。這種活動設計，不僅僅介紹大型編鐘和排簫的歷史資料，還讓學生運用合金管“編鐘”模仿編鐘演奏古代樂曲，通過實際操作體驗，增進對編鐘的了解。學生根據排簫的發聲原理，可以在課下用吸管自制排簫，體驗運用排簫演奏樂曲的樂趣，激發學生對中國古代文化的興趣。

4結語

運用DIS傳感系統和中國傳統樂器開展探究活動設計，能夠培養學生的物理學科核心素養。一方面，運用DIS實驗開展聲音的特性探究活動，將實驗現象轉化為數字圖像，學生同步觀察到聲音的動態波形，對比分析不同聲音的波形圖，能夠促進對音調、響度和音色等物理概念內涵及其影響因素的理解，認識其物理本質，更好地形成科學的物理觀念。另一方面，在實驗探究活動中注重滲透方法，通過轉換、放大、圖像法和控制變量法的應用，開展實驗數據解釋和評估活動，進一步發展學生的科學探究和科學思維能力。此外，運用編鐘、排簫等樂器開展探究活動，對學生進行中國傳統聲樂文化教育，有利于陶冶學生的藝術情操，彰顯中國古代的文化自信，進而培養學生的科學態度與責任。