陳文劍 張攬?jiān)? 孫輝

摘? 要 演示實(shí)驗(yàn)是增強(qiáng)振動與聲基礎(chǔ)理論授課效果的有效輔助教學(xué)方法。演示實(shí)驗(yàn)把振動與聲的規(guī)律和現(xiàn)象直觀地對學(xué)生進(jìn)行展現(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解，同時(shí)吸引學(xué)生注意力，活躍課堂氣氛。遵循針對性、直觀性、可靠性、安全性和啟發(fā)性的原則進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用合理的實(shí)施方法在理論授課過程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，達(dá)到增強(qiáng)振動與聲基礎(chǔ)理論課程授課效果的目的。

關(guān)鍵詞 振動與聲基礎(chǔ);演示實(shí)驗(yàn);大學(xué)物理

Abstract Demonstration experiment is an effective assistant teaching method to improve the teaching effect of Foundation of Sound and Vibration. Demonstration experiments show the laws and phenomena of vibration and acoustics intuitively， and enhance students under-standing of theoretical knowledge. At the same time， it attracts stu-dents attention and can activate classroom atmosphere. Following the principles of pertinence， intuition， reliability， safety and enligh-tenment， the design of demonstration experiment should be carried out. In order to improve the teaching effect of Foundation of Sound and Vibration， the demonstration experiment is carried out in the course of theoretical teaching by reasonable implementation method.

Key words foundation of sound and vibration; demonstration experi-xment; college physics

1 引言

“振動與聲基礎(chǔ)”是聲學(xué)類專業(yè)的一門理論基礎(chǔ)課程，也是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的課程[1]。在理論課的教學(xué)過程中，會有大量抽象的和難以理解的振動規(guī)律和聲學(xué)現(xiàn)象，通過演示實(shí)驗(yàn)直觀地進(jìn)行振動與聲學(xué)物理規(guī)律和現(xiàn)象的展示，將會提高教師的授課質(zhì)量，也會令學(xué)生對知識點(diǎn)的理解達(dá)到事半功倍的效果。

教育部在最新頒布的《非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》中明確指出：“大學(xué)物理課程的主要內(nèi)容都應(yīng)有演示實(shí)驗(yàn)（實(shí)物演示和多媒體仿真演示），其中實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)的數(shù)目不應(yīng)少于40個(gè)?！笨梢娧菔緦?shí)驗(yàn)對大學(xué)物理理論教學(xué)具有十分重要的作用和意義[2]。聲學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要分支，在聲學(xué)課程教學(xué)過程中也應(yīng)重視相應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施。

2 演示實(shí)驗(yàn)的作用

演示實(shí)驗(yàn)是理論課教學(xué)的一部分，是為了配合理論知識的講解、更有效地讓學(xué)生理解物理概念和規(guī)律的輔助教學(xué)手段?！罢駝优c聲基礎(chǔ)”課程包含理論課和實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)課是讓學(xué)生作為主體動手操作的實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)是在理論課堂上為某一個(gè)理論知識點(diǎn)設(shè)計(jì)的、主要是教師操作演示的實(shí)驗(yàn)，每個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的用時(shí)較少，學(xué)生不參與動手，以觀察現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律為主要目的。理論授課中的演示實(shí)驗(yàn)不能代替課程配套的實(shí)驗(yàn)課中以學(xué)生動手為主的專題實(shí)驗(yàn)。

演示實(shí)驗(yàn)把振動與聲學(xué)規(guī)律和現(xiàn)象直觀地對學(xué)生進(jìn)行展現(xiàn)，可增強(qiáng)對理論知識的理解，加深印象。理論課講授過程中，通常是用數(shù)學(xué)方法分析振動與聲問題，通過公式推導(dǎo)得到問題解的方程;或是分析得到某一物理問題的規(guī)律;或是在公式推導(dǎo)過程中引入某一振動或聲學(xué)定義和概念。此時(shí)通過演示實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)理公式的講解，讓學(xué)生由形象思維過渡到抽象思維，加深對概念的理解，快速接受和掌握相應(yīng)知識點(diǎn)。另外，相比用單純的公式和語言講解，通過演示實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論、規(guī)律等能給學(xué)生留下更深刻的印象。

演示實(shí)驗(yàn)可以糾正學(xué)生頭腦中的一些錯(cuò)誤觀念。如人耳的可聽閾范圍為20 Hz～20 kHz，但人的發(fā)聲頻率范圍在80 Hz～1 kHz。在一些學(xué)生的錯(cuò)誤觀念里認(rèn)為人也能發(fā)出1 kHz以上的聲音，這一錯(cuò)誤觀念如果只是教師講解來糾正，很難讓學(xué)生接受。通過設(shè)計(jì)“人類發(fā)聲頻率測量演示實(shí)驗(yàn)”，課堂上實(shí)際測量若干個(gè)學(xué)生的發(fā)聲頻率，讓學(xué)生通過親身測量更能輕松糾正自己的錯(cuò)誤觀念。

演示實(shí)驗(yàn)具有示范作用。通過教師對實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)過程的講解，以及對實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器的現(xiàn)場操作，都會對學(xué)生產(chǎn)生潛在的影響，使學(xué)生學(xué)會正確的實(shí)驗(yàn)方法。再通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)和分析，示范性的作用會使學(xué)生形成科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。

演示實(shí)驗(yàn)可以吸引學(xué)生的注意力，活躍課堂氣氛，提高課堂教學(xué)效率。教師長時(shí)間進(jìn)行數(shù)理公式的推導(dǎo)和講述，容易讓學(xué)生產(chǎn)生枯燥乏味的感覺;在教學(xué)過程中穿插一些針對性的演示實(shí)驗(yàn)，觀察振動現(xiàn)象或聽一些配合理論講解的聲音，能夠讓學(xué)生在聽課過程中以多樣化的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)，增加學(xué)習(xí)興趣，保持長時(shí)間的聽課專注力。

3 演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則

物理課堂演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，一般應(yīng)遵循針對性、直觀性、可靠性、安全性和啟發(fā)性的原則[3-4]，“振動與聲基礎(chǔ)”課程也應(yīng)遵循這些原則。

針對性? 演示實(shí)驗(yàn)是配合理論教學(xué)的手段，其目的是讓學(xué)生理解和掌握某個(gè)概念或規(guī)律現(xiàn)象，所以要根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和目的制定相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)。如阻尼振動系統(tǒng)中引入的品質(zhì)因數(shù)的概念，其定義是振動系統(tǒng)自由振動時(shí)，振幅衰減到初始值的1/eπ倍時(shí)所經(jīng)歷的周期數(shù)。為了讓學(xué)生更深刻地理解品質(zhì)因數(shù)的概念，可設(shè)計(jì)一個(gè)單自由度阻尼振動系統(tǒng)，即將一定質(zhì)量的球懸掛在一個(gè)彈簧下方，通過演示和記錄質(zhì)量球振幅衰減到初始振幅時(shí)的1/eπ倍的周期數(shù)，具體測量得到這個(gè)振動系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù);然后重新懸掛相同質(zhì)量但體積不同的球，目的是改變空氣阻力，重復(fù)測量品質(zhì)因數(shù)。通過針對性的設(shè)計(jì)和實(shí)施品質(zhì)因數(shù)測量演示實(shí)驗(yàn)，達(dá)到讓學(xué)生對概念深入理解的目的。

直觀性? 課堂演示實(shí)驗(yàn)是教師在講臺或講桌上進(jìn)行操作，學(xué)生在臺下進(jìn)行觀察。因此，實(shí)驗(yàn)器具要足夠大，儀器的刻度線要足夠明顯。仍以品質(zhì)因數(shù)測量演示實(shí)驗(yàn)為例，彈簧和質(zhì)量球在足夠大的同時(shí)并具有鮮艷的顏色，方便學(xué)生清晰地觀察振動現(xiàn)象。另外，振動幅度測量時(shí)需要用到刻度尺進(jìn)行標(biāo)記，普通的鋼尺刻度線太細(xì)太小，應(yīng)自制刻度尺，用鮮艷顏色進(jìn)行刻度標(biāo)記，保證整個(gè)教室的學(xué)生都能清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，才能成功達(dá)到演示實(shí)驗(yàn)的目的。

可靠性? 理論課的學(xué)時(shí)有限，每節(jié)課都要在有限的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)劃的課程內(nèi)容。演示實(shí)驗(yàn)作為課程一部分，不能占據(jù)過多時(shí)間。因此，教師在備課過程中應(yīng)提前進(jìn)行儀器檢查、設(shè)備聯(lián)調(diào)，并完成至少一次實(shí)驗(yàn)過程，確保授課過程中演示實(shí)驗(yàn)的成功。對于課堂演示中出現(xiàn)的問題，不能回避，要現(xiàn)場分析問題和解決問題。對于演示實(shí)驗(yàn)測量過程中出現(xiàn)的誤差，要分析誤差的來源和減小誤差的方法，必要時(shí)可重新進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)測量。

安全性? 振動與聲的演示實(shí)驗(yàn)主要包含兩方面的安全因素。

一是教師的用電安全。在播放聲音的演示過程中會用到信號源、功率放大器、喇叭等設(shè)備，需要注意線路連接的安全。在麥克風(fēng)接收聲音顯示波形時(shí)，自制的濾波放大電路要模塊化封裝處理，保證教師演示操作時(shí)的安全。

二是學(xué)生的聽力安全。如音頻聲演示實(shí)驗(yàn)中，播放20 Hz～20 kHz范圍的單頻聲，聲音強(qiáng)度不易過大，以免對學(xué)生的聽力造成損傷;每一個(gè)單頻聲播放時(shí)間不宜過長，以免對學(xué)生造成不適。

啟發(fā)性? 演示實(shí)驗(yàn)在達(dá)到直觀形象地展示理解物理概念的同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析、推理、判斷、概括，不斷引導(dǎo)學(xué)生思考，根據(jù)學(xué)情和課程內(nèi)容設(shè)置懸念，積極引導(dǎo)學(xué)生獲得感性認(rèn)識的同時(shí)進(jìn)行總結(jié)和提高。如“拍現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)”中，學(xué)生通過聽覺感受兩個(gè)頻率相近的單頻聲的拍現(xiàn)象，改變頻率時(shí)拍現(xiàn)象發(fā)生變化，此時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生思考：鋼琴調(diào)音師是如何利用拍現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)音工作的？不同的初始條件是否對拍頻振動產(chǎn)生影響？理論聯(lián)系實(shí)際或理論深入討論的問題，會進(jìn)一步調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的積極性。

4 實(shí)施方法

教師準(zhǔn)備，學(xué)生預(yù)習(xí)? 教師在進(jìn)行理論備課的過程中，設(shè)計(jì)好本次課共需要進(jìn)行哪些演示實(shí)驗(yàn)，計(jì)劃好每個(gè)演示實(shí)驗(yàn)在授課過程中的順序和時(shí)長，提前進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)過程，保證課堂演示的成功進(jìn)行。在前一次課結(jié)束時(shí)，告知學(xué)生下節(jié)課的授課內(nèi)容，要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)理論知識，預(yù)習(xí)過程中不清楚和不明白的知識，在課堂上帶著問題聽課，再配合演示實(shí)驗(yàn)觀察學(xué)習(xí)，徹底理解所學(xué)內(nèi)容。

同步解說，學(xué)生配合? 演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，教師首先把實(shí)驗(yàn)的目的、所用設(shè)備和儀器講述清楚，實(shí)驗(yàn)過程中對每一步操作進(jìn)行解釋說明。有些演示實(shí)驗(yàn)需要帶動學(xué)生配合，如在通過測量人的發(fā)聲頻率作為“單自由度機(jī)械振動系統(tǒng)受迫振動”課程內(nèi)容的情景創(chuàng)設(shè)演示實(shí)驗(yàn)中，教師首先讓學(xué)生思考回答自己發(fā)聲的最高頻率是多少，然后讓學(xué)生上臺測試發(fā)聲頻率，再次講解人類男女分別能發(fā)聲的頻率范圍，最后提出問題：為什么人類相似的發(fā)聲結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的聲波頻率范圍不一樣？為什么超過這個(gè)范圍的聲音發(fā)不出來？進(jìn)而引出本節(jié)課的授課內(nèi)容。

可視化虛擬演示? 很多振動問題和聲學(xué)問題很難在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，此時(shí)可以利用可視化的虛擬演示技術(shù)向?qū)W生進(jìn)行展示。利用計(jì)算機(jī)軟件程序?qū)崿F(xiàn)一些特殊的振動或聲學(xué)問題，模擬顯示各種抽象的、微觀的或動態(tài)的現(xiàn)象，充分利用現(xiàn)代化多媒體技術(shù)進(jìn)行課程教學(xué)。如平面障板圓面活塞輻射器指向性問題，如果課堂演示進(jìn)行指向性測量，會用到大量的實(shí)驗(yàn)儀器和專業(yè)設(shè)備，并且需要耗費(fèi)很長時(shí)間測量大量數(shù)據(jù)，因此不適合進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)。通過計(jì)算機(jī)軟件可以畫出其三維空間的指向性圖，調(diào)整聲波頻率、活塞尺寸等參數(shù)得到不同條件下的指向性結(jié)果。虛擬化的演示可以補(bǔ)充課堂演示實(shí)驗(yàn)的不足，同時(shí)達(dá)到提高教學(xué)效率和質(zhì)量的目的。

思考題? 基于演示實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)性設(shè)計(jì)原則，完成演示實(shí)驗(yàn)后，教師要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)展思考或深入思考，給出思考題讓學(xué)生課后通過查閱資料、理論分析等進(jìn)行解答。如“空氣中聲速測量演示實(shí)驗(yàn)”結(jié)束后，讓學(xué)生根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)中的聲波頻率、現(xiàn)場的空氣溫度等參數(shù)理論計(jì)算聲速值，分析理論和實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因，進(jìn)一步思考和查閱文獻(xiàn)，總結(jié)聲速測量有哪些方法。

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)? 根據(jù)授課效果，教師調(diào)整和完善演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)備和方法，并結(jié)合其他理論知識點(diǎn)設(shè)計(jì)新的演示實(shí)驗(yàn)。另一方面，把改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容作為作業(yè)留給學(xué)有余力的學(xué)生，提高學(xué)生主動思考的能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力。

5 結(jié)語

綜上所述，演示實(shí)驗(yàn)是振動與聲基礎(chǔ)理論授課中的重要輔助教學(xué)手段，在明確演示實(shí)驗(yàn)作用的前提下，設(shè)計(jì)和實(shí)施配合理論授課中相應(yīng)知識點(diǎn)的演示實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)施主體是教師，接受主體是學(xué)生，同時(shí)兩者相互配合，充分發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)的作用，增強(qiáng)“振動與聲基礎(chǔ)”理論課程的授課效果。

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