尹傲 王敏媛 劉水河

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀(guān)察和實(shí)驗(yàn)，探究聲音的產(chǎn)生和傳播、聲音的高低與強(qiáng)弱，了解聲音的高低、強(qiáng)弱與物體振動(dòng)的關(guān)系。在使用教科版小學(xué)科學(xué)教材對(duì)“聲音”單元進(jìn)行教學(xué)時(shí)，發(fā)現(xiàn)“鋼尺振動(dòng)發(fā)聲”實(shí)驗(yàn)的理論建設(shè)存在問(wèn)題：學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，能觀(guān)察到鋼尺振動(dòng)，但聽(tīng)見(jiàn)的聲音并不是由觀(guān)察到的鋼尺振動(dòng)產(chǎn)生的。用“鋼尺振動(dòng)發(fā)聲”實(shí)驗(yàn)探究聲音是由鋼尺振動(dòng)產(chǎn)生的一系列實(shí)驗(yàn)，是建立在“錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”基礎(chǔ)之上的。鑒于此，提出基于實(shí)驗(yàn)器材和操作方法兩方面的改進(jìn)與創(chuàng)新，力求構(gòu)建現(xiàn)象清晰、操作嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

小學(xué)科學(xué)課程是一門(mén)實(shí)踐性課程。實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的重要方式，能夠使學(xué)生初步了解與之認(rèn)知水平相適應(yīng)的基本科學(xué)知識(shí)。教師在使用教科版小學(xué)科學(xué)教材進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐中獲得豐富經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)教材存在部分科學(xué)實(shí)驗(yàn)的理論與現(xiàn)象不相符的情況，阻礙學(xué)生的思維發(fā)展與科學(xué)概念的建構(gòu)，具有改進(jìn)與創(chuàng)新的必要性。本研究以教材中的“鋼尺振動(dòng)發(fā)聲”實(shí)驗(yàn)為例，結(jié)合日常教學(xué)中的實(shí)際情況，對(duì)教材中與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)踐研究與反思。在此基礎(chǔ)上，以學(xué)生為出發(fā)點(diǎn)，圍繞實(shí)驗(yàn)探究目標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，從而解決這部分知識(shí)教學(xué)的難點(diǎn)，提高課堂教學(xué)效果，滿(mǎn)足學(xué)生實(shí)際探究活動(dòng)的需要。

一、教材中的“鋼尺振動(dòng)發(fā)聲”實(shí)驗(yàn)分析

在教科版小學(xué)科學(xué)教材四年級(jí)上冊(cè)“聲音”單元中，《聲音是怎樣產(chǎn)生的》《聲音的強(qiáng)與弱》和《聲音的高與低》三課中都有“鋼尺振動(dòng)發(fā)聲”相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。

第二課《聲音是怎樣產(chǎn)生的》中的實(shí)驗(yàn)：把鋼尺壓在桌面，讓其一端伸出桌面。輕輕撥動(dòng)鋼尺，讓鋼尺發(fā)出聲音。用手輕輕觸摸還在發(fā)聲的鋼尺，感受鋼尺的振動(dòng)。用手捏住鋼尺伸出桌面的部分讓其振動(dòng)停止，發(fā)現(xiàn)聲音同時(shí)也停止了。教材意圖通過(guò)學(xué)生看到尺子振動(dòng)的同時(shí)聽(tīng)到聲音，尺子停止振動(dòng)的同時(shí)聲音消失，讓學(xué)生初步建立“聲音是由于物體振動(dòng)而產(chǎn)生的”科學(xué)概念。第五課《聲音的強(qiáng)與弱》的實(shí)驗(yàn)：將鋼尺的一部分伸出桌面大約20厘米，用一只手壓住鋼尺的一端，另外一只手撥動(dòng)鋼尺的另一端。保持伸出桌面部分的長(zhǎng)度不變，用大小不同的力撥動(dòng)，學(xué)生通過(guò)觀(guān)察鋼尺發(fā)出的聲音和鋼尺振動(dòng)幅度的變化，建立振幅與音量的關(guān)系。第六課《聲音的高與低》的實(shí)驗(yàn)：改變鋼尺伸出桌面的長(zhǎng)度，學(xué)生通過(guò)觀(guān)察鋼尺發(fā)出的聲音和振動(dòng)快慢（頻率）的變化，建立振動(dòng)快慢與音高的關(guān)系。

從實(shí)驗(yàn)操作的角度思考：三個(gè)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了“用書(shū)壓住尺子”和“直接用手指壓住尺子”兩種壓住尺子的方法。在實(shí)踐研究中發(fā)現(xiàn)，用這兩種壓住尺子的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)存在三種聲源：1.觀(guān)察到的鋼尺振動(dòng)產(chǎn)生的聲音;2.鋼尺振動(dòng)時(shí)碰撞桌面產(chǎn)生的聲音;3.手指撥動(dòng)鋼尺時(shí)，手指與鋼尺摩擦產(chǎn)生的聲音。實(shí)驗(yàn)中的主要研究對(duì)象“觀(guān)察到的尺子振動(dòng)產(chǎn)生的聲音”極易受到后兩種聲音的干擾，尤其是第二種聲音。這就給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)困擾，難以得出科學(xué)結(jié)論。所以這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)經(jīng)常成為教學(xué)難點(diǎn)。

從實(shí)驗(yàn)研究主體的角度思考：這三個(gè)探究聲音的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀(guān)察的“振動(dòng)”應(yīng)以“撥動(dòng)鋼尺后，觀(guān)察到的尺子振動(dòng)”為研究對(duì)象，聽(tīng)到的“聲音”也應(yīng)以“觀(guān)察到的尺子振動(dòng)產(chǎn)生的聲音”為研究對(duì)象。然而在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：學(xué)生能觀(guān)察到尺子振動(dòng)，但聽(tīng)見(jiàn)的聲音并不是由看到的尺子振動(dòng)產(chǎn)生的，并且存在其他不明確的干擾聲音。在學(xué)生剛從科學(xué)的角度開(kāi)始認(rèn)知“聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的”科學(xué)概念時(shí)，就選擇讓學(xué)生研究對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)容易引起誤導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)，有悖于循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)原則，也超出了小學(xué)生的思維理解水平，因此是不合適的。

從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的角度思考：在探究鋼尺發(fā)出的聲音高低與振動(dòng)快慢的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)鋼尺伸出桌面部分短時(shí)，撥動(dòng)鋼尺后的振動(dòng)頻率高，持續(xù)時(shí)間短，學(xué)生無(wú)法直接觀(guān)察到鋼尺振動(dòng)快慢。當(dāng)鋼尺伸出桌面部分長(zhǎng)時(shí)，撥動(dòng)鋼尺后的振動(dòng)頻率低，延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，宜于學(xué)生觀(guān)察。由于受到視覺(jué)停留效應(yīng)的影響，學(xué)生容易得出“鋼尺露出桌面部分長(zhǎng)時(shí)振動(dòng)得快”的錯(cuò)誤結(jié)論，從而影響到整堂課教學(xué)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

二、“鋼尺振動(dòng)發(fā)聲”實(shí)驗(yàn)的頻率研究

為研究鋼尺振動(dòng)發(fā)聲實(shí)驗(yàn)中“聽(tīng)到的聲音是否為觀(guān)察到的鋼尺振動(dòng)發(fā)出來(lái)的”這一科學(xué)問(wèn)題，首先通過(guò)手機(jī)拍攝慢倍速視頻的方式來(lái)探究觀(guān)察到的鋼尺的振動(dòng)頻率。準(zhǔn)備不同規(guī)格的鋼尺，一部華為P40pro手機(jī)。利用華為手機(jī)的256倍慢動(dòng)作拍攝記錄鋼尺振動(dòng)發(fā)聲的全過(guò)程。鋼尺在振動(dòng)過(guò)程中，可近似看成簡(jiǎn)諧振動(dòng)。通過(guò)視頻回放，記錄鋼尺在偏離平衡位置最高處的起始時(shí)間t1和振動(dòng)一次后重新回到最高處的時(shí)間t2，可得出鋼尺完成一次完整振動(dòng)的時(shí)間為（t2-t1）。根據(jù)物體振動(dòng)的頻率（f）與其周期關(guān)系滿(mǎn)足f=256/（t2-t1），可計(jì)算得出鋼尺振動(dòng)的頻率。重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

將長(zhǎng)15.5厘米、寬1.9厘米的不銹鋼尺，伸出桌面部分15厘米，256倍慢動(dòng)作拍攝鋼尺振動(dòng)過(guò)程。鋼尺在偏離平衡位置最高處的起始時(shí)間為第6秒，重新回到最高處的時(shí)間為第21秒。根據(jù)公式計(jì)算得出鋼尺振動(dòng)頻率f約為17赫茲（Hz）。由于人耳能聽(tīng)到的聲音頻率范圍在20?Hz?～20000?Hz。在這種情況下，人耳聽(tīng)不到鋼尺振動(dòng)發(fā)出的聲音。

按照同樣的方法，將長(zhǎng)50厘米、寬2.8厘米的不銹鋼尺，伸出桌面部分15厘米，鋼尺在偏離平衡位置最高處的起始時(shí)間為第4秒，重新回到最高處的時(shí)間為第14秒。計(jì)算得出鋼尺振動(dòng)頻率f為26?Hz。這時(shí)尺子振動(dòng)發(fā)出的聲音近于人耳聽(tīng)到聲音的極限頻段，通常情況下感知不到這種頻率的聲音。調(diào)整鋼尺伸出桌面部分為20厘米，記錄鋼尺在偏離平衡位置最高處的起始時(shí)間為第5秒，重新回到最高處的時(shí)間為第22秒。此時(shí)的鋼尺振動(dòng)頻率f約為15?Hz。這種情況下，人耳無(wú)法聽(tīng)到鋼尺振動(dòng)發(fā)出的聲音。

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在教材設(shè)計(jì)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作下，觀(guān)察到的鋼尺振動(dòng)頻率低于或處于人耳能聽(tīng)到的聲音頻率范圍極限，人耳幾乎聽(tīng)不見(jiàn)。

那么，鋼尺振動(dòng)發(fā)聲實(shí)驗(yàn)中聽(tīng)到的聲音來(lái)源于哪里？本研究借助手機(jī)軟件商店免費(fèi)的音頻探測(cè)軟件Oscilloscope檢測(cè)出聲音的頻率與波形。通過(guò)辨識(shí)不同聲音的波形特征從而判斷出鋼尺振動(dòng)發(fā)聲的聲源。

Oscilloscope是一款聲音示波器軟件，它能靈敏地捕捉手機(jī)周?chē)l(fā)出的聲音，將聲波可視化成波形，同時(shí)屏幕左下角的數(shù)字顯示出聲音的頻率。按照上述同樣的實(shí)驗(yàn)操作方法，結(jié)合Oscilloscope軟件，重復(fù)三次以上實(shí)驗(yàn)后檢測(cè)出手指撥動(dòng)鋼尺時(shí)產(chǎn)生的聲音的振動(dòng)頻率和波形，以及鋼尺敲擊桌面時(shí)產(chǎn)生的聲音的振動(dòng)頻率和波形。手指撥動(dòng)鋼尺松開(kāi)的一瞬間，鋼尺與手指摩擦的聲音頻率范圍在102.8?Hz?～2838.8?Hz，處于人耳能聽(tīng)見(jiàn)聲音的范圍內(nèi)。鋼尺振動(dòng)敲擊桌面產(chǎn)生的聲音頻率在62.0?Hz?～1998.2?Hz，完全覆蓋人耳能聽(tīng)見(jiàn)的聲音范圍。

通過(guò)觀(guān)察Oscilloscope屏幕顯示的波形可知，鋼尺振動(dòng)發(fā)聲并不是某一單一頻率，而是存在多種聲音的復(fù)合頻率。由于Oscilloscope軟件捕捉周?chē)曇舻母哽`敏度，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法避免周?chē)肼曅盘?hào)的干擾，因此屏幕顯示的波形也存在周?chē)肼暤牟ㄐ巍?/p>

通過(guò)上述所有的實(shí)驗(yàn)分析可得：“鋼尺振動(dòng)發(fā)聲”實(shí)驗(yàn)中，鋼尺振動(dòng)本身產(chǎn)生的是學(xué)生無(wú)法聽(tīng)見(jiàn)的次聲波，或很難辨別的低頻聲波。學(xué)生能夠聽(tīng)見(jiàn)的聲音是由“手指與鋼尺摩擦”和“鋼尺振動(dòng)與桌面碰撞”產(chǎn)生的。因此，通過(guò)“鋼尺振動(dòng)發(fā)聲”實(shí)驗(yàn)建構(gòu)的“聲音是由鋼尺振動(dòng)產(chǎn)生的”“物體振動(dòng)越慢，產(chǎn)生的聲音越低”等概念，是建立在錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象基礎(chǔ)上的。

三、“振動(dòng)發(fā)聲”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案

鑒于鋼尺振動(dòng)發(fā)聲實(shí)驗(yàn)存在的諸多問(wèn)題，筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，借助轉(zhuǎn)換放大法對(duì)振動(dòng)發(fā)聲實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新與改進(jìn)。

音叉是一種振動(dòng)發(fā)聲器材，能夠發(fā)出人耳頻段范圍內(nèi)單一頻率的聲音。利用音叉結(jié)合激光筆，將不容易看到的音叉振動(dòng)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)換成清晰可見(jiàn)的振動(dòng)波形。實(shí)驗(yàn)器材如圖1所示。將音叉和激光筆固定在一塊木板上，音叉的一端粘貼反光鏡，激光筆照射在鏡面上的光能反射到墻上，形成光斑。將上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝在三腳架上，使之整體能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。敲擊音叉，原本很難直接觀(guān)察到的音叉振動(dòng)，通過(guò)光的反射，轉(zhuǎn)換成光斑在墻上的大幅度振動(dòng)，形成一條“線(xiàn)段”。轉(zhuǎn)動(dòng)三腳架的手柄，使實(shí)驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，墻上就會(huì)出現(xiàn)一段連續(xù)的“振動(dòng)波形”。如此，便可將音叉微弱的振動(dòng)可視化，利于學(xué)生建立“聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的”科學(xué)概念。這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生在聽(tīng)到聲音的同時(shí)觀(guān)察音叉的振動(dòng)情況，便于學(xué)生探究聲音是怎樣產(chǎn)生的，徹底解決了非主要因素對(duì)學(xué)生探究過(guò)程的干擾，為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究提供保障。

學(xué)生在探究第五課《聲音的強(qiáng)與弱》實(shí)驗(yàn)中，也可以使用上述實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行教學(xué)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。用力敲擊音叉，音叉的聲音強(qiáng)，振動(dòng)波形的幅度大。隨著音叉的聲音減弱，音叉的振動(dòng)波形幅度減小，從而順利地建構(gòu)“聲音強(qiáng)弱與振動(dòng)幅度有關(guān)”的科學(xué)概念。在此過(guò)程中，音叉的波數(shù)始終保持不變，證明聲音強(qiáng)弱與振動(dòng)頻率無(wú)關(guān)。通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的材料與操作方法，排除了次要因素“快慢”的干擾，只剩下強(qiáng)弱與振幅的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)的可觀(guān)察性增強(qiáng)，學(xué)生能夠?qū)⒏嗟木ν度肟茖W(xué)探究的過(guò)程中，提高了科學(xué)實(shí)驗(yàn)效率。

第六課《聲音的高與低》中的核心實(shí)驗(yàn)是鋼尺振動(dòng)發(fā)聲實(shí)驗(yàn)，也是讓學(xué)生探究音高與振動(dòng)頻率關(guān)系的唯一實(shí)驗(yàn)。一個(gè)音叉的振動(dòng)波形雖能反映聲音強(qiáng)弱與振動(dòng)幅度的關(guān)系，但仍無(wú)法反映聲音高低與振動(dòng)頻率的關(guān)系。進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示：將兩個(gè)音叉固定在木板上，讓兩個(gè)音叉近乎同時(shí)發(fā)聲，轉(zhuǎn)動(dòng)三腳架上的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)觀(guān)察光斑的運(yùn)動(dòng)間接判斷音叉的振動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示：小音叉振動(dòng)的波形密，振動(dòng)的頻率快，聲音高。大音叉振動(dòng)的波形疏，振動(dòng)的頻率慢，聲音低。學(xué)生能直觀(guān)地感受到聲音的高低是由物體振動(dòng)的頻率決定的，從而建立“振動(dòng)頻率越快的物體，發(fā)出的聲音越高”的科學(xué)概念。實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)操作方法兩方面的改進(jìn)與創(chuàng)新，真實(shí)地反映物體振動(dòng)的頻率與聲音高低的關(guān)系。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)也擴(kuò)展了學(xué)生思維的深度，培養(yǎng)了學(xué)生觀(guān)察與推理的能力。

四、結(jié)論與反思

教學(xué)實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量直接影響到課堂教學(xué)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而影響學(xué)生探究科學(xué)的積極性和科學(xué)概念的建構(gòu)。本文通過(guò)定量的數(shù)據(jù)有力地證明了“鋼尺振動(dòng)發(fā)聲”實(shí)驗(yàn)中聽(tīng)見(jiàn)的聲音是由“手指與鋼尺摩擦”和“鋼尺振動(dòng)與桌面碰撞”產(chǎn)生的，而觀(guān)察到的鋼尺振動(dòng)產(chǎn)生的聲音人耳聽(tīng)不見(jiàn)。鑒于此，提出教科版小學(xué)科學(xué)教材中的“鋼尺振動(dòng)發(fā)聲”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，易誤導(dǎo)學(xué)生將正確的科學(xué)結(jié)論建立在錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象基礎(chǔ)之上。

為解決上述的關(guān)鍵性問(wèn)題，提出的可行性改進(jìn)方案通過(guò)借助音叉、三腳架、反光鏡、激光筆等材料，將原本不明顯的音叉振動(dòng)發(fā)聲現(xiàn)象進(jìn)行可視化放大，讓學(xué)生在聽(tīng)到聲音的同時(shí)能夠看到音叉的振動(dòng)情況。這樣，有利于學(xué)生建立“聲音與物體振動(dòng)之間的關(guān)系”“音量與物體振幅的關(guān)系”和“音高與物體振動(dòng)頻率的關(guān)系”等科學(xué)概念，減少實(shí)驗(yàn)中不良因素給教學(xué)帶來(lái)的影響，提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，為學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

【本文系基金項(xiàng)目：深圳市福田區(qū)教育科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目（FTJY3015）、深圳市福田區(qū)教育科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目（FTJY16060）、2021年度深圳市福田區(qū)教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題研究成果（FTJYYB2021098）】