核心素養(yǎng)視域下“探究音調(diào)的影響因素”教學(xué)研究*

張 旺 汪志榮

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241000)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》規(guī)定“課程內(nèi)容包括兩大組成部分，即科學(xué)探究和科學(xué)內(nèi)容”[1].科學(xué)探究既是重要的課程內(nèi)容，又是主要的教學(xué)方式，應(yīng)受到物理教師足夠的重視.科學(xué)探究教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑，研究物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)是體現(xiàn)物理課程價(jià)值的必由之路[2].

探究影響音調(diào)的因素是認(rèn)識(shí)聲音特性的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn).在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，通常采用撥動(dòng)尺子，讓學(xué)生聽聲音，觀察尺子振動(dòng).這種教學(xué)方法雖然易于操作，靈活性很強(qiáng)，但尺子振動(dòng)很快且振幅迅速衰減，也難以觀察其振動(dòng)周期和頻率等特性[3]；同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)于簡(jiǎn)單，只能大致得出定性的結(jié)論，不僅難以達(dá)成探究教學(xué)的綜合目標(biāo)，也很難激發(fā)學(xué)生的探究興趣.鑒于此，通過(guò)仿制中國(guó)古代傳統(tǒng)樂(lè)器編鐘，自制一組由合金管組成的探究影響音調(diào)因素的樂(lè)器“編鐘”，探討在核心素養(yǎng)視域下探究音調(diào)的影響因素教學(xué)活動(dòng).

1 自制教具及實(shí)驗(yàn)原理

編鐘是中國(guó)古代大型傳統(tǒng)樂(lè)器.中國(guó)青銅樂(lè)鐘是以瓦片對(duì)合狀腔體結(jié)構(gòu)為主要特征、有固定音高、可以演奏旋律的青銅鐘類樂(lè)器，通常分為三大鐘型：甬鐘、紐鐘和镈[4].編鐘是由青銅鑄成的大小不同的扁圓鐘組成，這些扁圓鐘按照音調(diào)高低的次序依次排列起來(lái)，懸掛在一個(gè)巨大鐘架上，用木錘分別敲打編鐘會(huì)發(fā)出不同音調(diào)的聲音，按照樂(lè)譜敲打，可以演奏出美妙的音樂(lè).

用編鐘演奏時(shí)，由于鐘體的形狀和大小不同，敲擊不同的編鐘，發(fā)聲相異，其鐘體越小，音調(diào)越高，音量越?。荤婓w越大，音調(diào)越低，音量越大.

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，積極參與課堂探究，同時(shí)也為提高實(shí)驗(yàn)的直觀性和準(zhǔn)確性，基于編鐘的形制和發(fā)聲原理，設(shè)計(jì)并制作了一組探究音調(diào)高低性質(zhì)的合金管“編鐘”樂(lè)器，可稱之為音調(diào)探究?jī)x，如圖1所示.

圖1 音調(diào)探究?jī)x實(shí)驗(yàn)組合

該演示儀主要由8根長(zhǎng)短不一的合金管構(gòu)成.這組合金管內(nèi)外徑分別為1.35 cm和1.59 cm，測(cè)出它們的長(zhǎng)度，并且根據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行編號(hào)依次為1～8號(hào).用細(xì)繩分別將它們按照由短到長(zhǎng)的順序依次豎直的吊在一組木架上，用小木棍敲擊不同的管子，會(huì)發(fā)出不同的聲音，音調(diào)的變化能夠很清楚地辨別出來(lái)，依次敲擊發(fā)聲，能產(chǎn)生八度音，形成一個(gè)完整的聲音倍頻單位，如表1所示.音調(diào)探究?jī)x取材于生活中常見(jiàn)物品合金管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有很強(qiáng)的可操作性.

表1 合金管長(zhǎng)度、振動(dòng)頻率及其對(duì)應(yīng)的八度音名稱

利用DIS系統(tǒng)開展探究活動(dòng)，可以更好地將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為物理圖像，在電腦顯示屏上直觀地看到聲音的波形，可以比較不同音調(diào)的聲音，其聲源振動(dòng)頻率的差異性[3].并且運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集更加方便，數(shù)據(jù)分析結(jié)果能夠可視化.只要將聲波傳感器和數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連接，如圖1所示，即可用于顯示出聲波的波形圖和頻率值.

將音調(diào)探究?jī)x放置在水平桌面上，敲擊不同的管子，會(huì)發(fā)出不同音調(diào)的聲音，此時(shí)聲波傳感器將采集發(fā)聲體的聲音信息，經(jīng)與電腦端相連接的數(shù)據(jù)采集器傳送，在電腦顯示屏上會(huì)直接顯示出聲波的波形圖和頻率值，如圖2所示.其中，波形圖的縱坐標(biāo)表示振幅，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，由于頻率與周期成反比關(guān)系，所以波形圖的疏密程度反映了聲音的頻率大小，波形越密，頻率越大，波形越疏，頻率越小.

圖2 計(jì)算機(jī)顯示聲波波形圖

2 自制教具在音調(diào)探究活動(dòng)中的應(yīng)用

運(yùn)用這套音調(diào)探究?jī)x和DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組合，可以定性和定量探究音調(diào)與頻率的關(guān)系.

2.1 定性探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

定性探究合金管的長(zhǎng)度對(duì)于聲音的音調(diào)及其振動(dòng)頻率的影響，可以分別敲擊1號(hào)和8號(hào)管子，即最短和最長(zhǎng)的管子，首先引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)聽兩組聲音，辨別二者發(fā)聲的音調(diào)有何差異，然后在體會(huì)兩組聲音的音調(diào)高低有別的基礎(chǔ)上，判斷敲擊哪根管子發(fā)出聲音的音調(diào)更高.

結(jié)合DIS實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要利用兩只聲波傳感器采集發(fā)聲空氣的振動(dòng)頻率，通過(guò)觀察計(jì)算機(jī)顯示屏上的聲音波形圖，對(duì)比分析兩只合金管引起發(fā)聲空氣的振動(dòng)頻率.如圖3所示，兩列波分別表示1號(hào)和8號(hào)管子的聲波圖.

圖3 波形圖比較

教師運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)裝置開展定性實(shí)驗(yàn)，主要引導(dǎo)學(xué)生辨別1號(hào)和8號(hào)管子發(fā)出的聲音，誰(shuí)的音調(diào)高？同時(shí)，通過(guò)觀察兩列波形圖，哪個(gè)頻率高一些？

實(shí)驗(yàn)表明，1號(hào)管子比8號(hào)管子發(fā)出聲音的音調(diào)要高.通過(guò)分析DISlab顯示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，敲擊1號(hào)管子形成的波形圖明顯比8號(hào)管子的密，也就是說(shuō)1號(hào)管子發(fā)出聲音的頻率比8號(hào)管子要高.

由此初步得出結(jié)論：兩根管子振動(dòng)發(fā)聲時(shí)，音調(diào)與振動(dòng)頻率有關(guān)，較短的管子發(fā)聲的音調(diào)更高，頻率也高一些.

2.2 定量探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

學(xué)生通過(guò)“聽”和“看”進(jìn)行定性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究，能初步得出音調(diào)與頻率的關(guān)系，但該結(jié)論還不具有精確性和普遍性，因此還要進(jìn)一步深入探究音調(diào)與頻率的定量關(guān)系，檢驗(yàn)該結(jié)論正確與否.

活動(dòng)1：設(shè)計(jì)方案和實(shí)施探究

音調(diào)探究?jī)x共有8根管子，可以選用8根合金管進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)探究.首先測(cè)量每根合金管的長(zhǎng)度，依次辨別和記錄各自發(fā)聲的音調(diào)特征，然后開啟DIS實(shí)驗(yàn)裝置，利用兩只聲波傳感器依次采集這些合金管振動(dòng)發(fā)聲的頻率，最后分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論.為了體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，可以先后開展多組實(shí)驗(yàn).表2記錄了3組實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果.

表2 合金管長(zhǎng)度和振動(dòng)頻率及發(fā)聲的音調(diào)特征

活動(dòng)2：科學(xué)觀察和數(shù)據(jù)分析

首先感受8根合金管發(fā)聲的音調(diào)，尋找音調(diào)與合金管長(zhǎng)度的關(guān)系特征，同時(shí)，記錄8根合金管發(fā)聲時(shí)空氣振動(dòng)頻率數(shù)據(jù)，然后分析合金管發(fā)聲音調(diào)與管長(zhǎng)、振動(dòng)頻率之間的關(guān)系特征.

活動(dòng)3：基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和證據(jù)分析，總結(jié)結(jié)論

總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：3組實(shí)驗(yàn)都表明，從短到長(zhǎng)依次敲擊合金管，發(fā)聲的頻率越來(lái)越低，并且聲音的音調(diào)也越來(lái)越低，進(jìn)一步驗(yàn)證了在初步探究中所得出的結(jié)論是正確的.

活動(dòng)4：對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行科學(xué)解釋

關(guān)于音調(diào)決定于聲源的振動(dòng)頻率，應(yīng)從發(fā)聲的物理機(jī)制進(jìn)行解釋，闡明物理原理.聲音是由物體振動(dòng)而產(chǎn)生的，敲擊合金管，管子自身振動(dòng)發(fā)聲并帶動(dòng)管內(nèi)外空氣振動(dòng)發(fā)聲.由于八根管子的長(zhǎng)度不同，質(zhì)量不同，質(zhì)量小的相對(duì)于質(zhì)量大的振動(dòng)得更快，即頻率更高，因此帶動(dòng)管外空氣振動(dòng)傳播這種聲音；需要注意的是，管子是空心的，空心部分有空氣振動(dòng)，但由于空氣流速低，所以管內(nèi)空氣振動(dòng)發(fā)聲對(duì)聽覺(jué)影響小.

另外，實(shí)驗(yàn)時(shí)很難保證每次敲擊合金管的力相同，外在實(shí)驗(yàn)條件變化是否影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也應(yīng)予以解釋.很顯然，用力大小決定聲音的響度，學(xué)生通過(guò)之前學(xué)習(xí)，已經(jīng)理解“響度”的概念，聲源振幅主要決定聲音響度，即在波形圖上的體現(xiàn)是縱坐標(biāo)的高低.如果敲管子所用的力大一些，那么聽到的聲音的響度會(huì)大一些，即波形圖會(huì)“高”一些，反之，波形圖則會(huì)“低”一些.音調(diào)與響度是聲音的兩個(gè)不同的性質(zhì)，所以用力大小不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)探究，進(jìn)一步得出結(jié)論：聲音的音調(diào)與發(fā)聲體振動(dòng)的頻率有關(guān)，頻率越大，音調(diào)越高；頻率越小，音調(diào)越低.

2.3 開展中國(guó)古典聲樂(lè)文化教育

中國(guó)是禮儀之邦，古代國(guó)家慶典、大型宗廟祭祀、宴請(qǐng)貴賓時(shí)，常用樂(lè)器編鐘演奏.編鐘是古代大型打擊樂(lè)器，其聲音洪亮、形態(tài)雄渾、堅(jiān)固耐用，正因?yàn)槿绱?歷朝歷代都把編鐘尊為宮廷樂(lè)器之首.據(jù)史料記載，早在商朝就有了青銅編鐘，如圖4所示，1978年出土的曾侯乙編鐘，是人類青銅時(shí)代最偉大的藝術(shù)作品，也是有史以來(lái)音樂(lè)考古學(xué)上罕見(jiàn)的重大發(fā)現(xiàn)，它一時(shí)被國(guó)際學(xué)人譽(yù)為“世界第八大奇跡”，全套編鐘由多達(dá)65件單體青銅樂(lè)鐘組成，有著三層八組的宏大構(gòu)造，總用銅量達(dá)4 421.48 kg[5].

圖4 曾侯乙編鐘

教師進(jìn)行有關(guān)聲音特性的教學(xué)活動(dòng)，需要開展中國(guó)古代聲樂(lè)文化教育，不僅僅局限于介紹大型編鐘的歷史資料，可以運(yùn)用音調(diào)探究?jī)x模仿編鐘演奏古代慶典音樂(lè).音調(diào)探究?jī)x與編鐘的發(fā)聲原理類似，管子的長(zhǎng)度符合一定音律學(xué)的規(guī)律，按照從短到長(zhǎng)的順序依次敲擊它們，會(huì)發(fā)出哆、瑞、咪、發(fā)、嗦、啦、西、哆的音調(diào)，所以按照樂(lè)譜敲打它們，會(huì)奏出一首曲子.課堂教學(xué)結(jié)束后，讓學(xué)生在課余時(shí)間嘗試?yán)靡粽{(diào)探究?jī)x自行演奏，通過(guò)實(shí)際操作體驗(yàn)，增進(jìn)對(duì)編鐘了解，激發(fā)學(xué)生對(duì)于中國(guó)古代禮儀文化的興趣.

中國(guó)古代傳統(tǒng)樂(lè)器文化博大精深，其中蘊(yùn)含著豐富的物理聲學(xué)和樂(lè)律學(xué)知識(shí)，在我國(guó)傳統(tǒng)樂(lè)器文化中，還有很多極具我國(guó)文化特色的樂(lè)器，如二胡、古箏、笛子等.學(xué)生學(xué)習(xí)音調(diào)知識(shí)之后，還可以引導(dǎo)他們課下查閱資料，結(jié)合所學(xué)知識(shí)進(jìn)一步了解這些古代樂(lè)器的發(fā)聲原理.

3 結(jié)論

根據(jù)古代編鐘的形制和發(fā)聲原理，自制音調(diào)探究?jī)x結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作.基于音調(diào)探究?jī)x與DISlab相結(jié)合，開展科學(xué)探究教學(xué),不僅能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀性，也能開展定量研究教學(xué)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生獲取證據(jù)，收集和處理數(shù)據(jù)，總結(jié)結(jié)論，并作出合理解釋，進(jìn)而培養(yǎng)中學(xué)生在科學(xué)思維、科學(xué)探究能力等方面的物理學(xué)科核心素養(yǎng).這種融入STEAM教育理念的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，有助于學(xué)生從多學(xué)科視角認(rèn)識(shí)不同學(xué)科間的聯(lián)系，提高自身綜合運(yùn)用知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力[6]，同時(shí)在物理教學(xué)中滲透我國(guó)優(yōu)秀的傳統(tǒng)聲樂(lè)文化，也有利于陶冶學(xué)生的藝術(shù)情操，彰顯中國(guó)古代的文化自信.