關(guān)于聲音可視化實(shí)驗(yàn)的探討與自制教具設(shè)計

王雄杰

摘? ?要：筆者結(jié)合光學(xué)知識，對聲現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了三次設(shè)計與改進(jìn)，利用激光筆與橡皮膜將藍(lán)牙音箱的振動可視化為跳動的光斑，結(jié)合“旋轉(zhuǎn)的八面體棱鏡”與“視覺暫留原理”完成聲音波形的可視化，最終完成自制教具的制作，并呈現(xiàn)了自制教具的實(shí)驗(yàn)效果，豐富了聲學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。自制教具的設(shè)計將科學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)踐，融入了教師的理解與思考，不僅可以有效提升教學(xué)效果，還能提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：聲音可視化;自制教具;設(shè)計與制作;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）7-0052-3

科學(xué)教學(xué)始終離不開實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生科學(xué)觀念、科學(xué)思維的形成，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生假設(shè)、推理、驗(yàn)證的能力[1]。利用優(yōu)良的自制教具對教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)過程更有趣、操作更智能、現(xiàn)象更直觀，能較大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，幫助學(xué)生更好地理解知識的內(nèi)在邏輯。

1? ? 聲現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)的缺陷

在“聲音的產(chǎn)生與傳播”教學(xué)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案大致有三類（圖1）：“音叉觸擊乒乓球”“發(fā)聲的音叉放入水中”“揚(yáng)聲器或鼓面上撒碎紙屑”。

它們的共同點(diǎn)都是利用放大法將振動放大，從而達(dá)到了可視化的效果。但究其本質(zhì)只能算振動的可視化，而非聲音的可視化。

其缺陷主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）以乒乓球?yàn)槔?，乒乓球的運(yùn)動并非等同于音叉的實(shí)際振動，只是由于乒乓球受到了一個力而做單擺運(yùn)動，發(fā)聲的音叉僅提供一個初始的力。類似于蕩秋千，一方面“秋千”做單擺運(yùn)動是因其受力，并非“手”在振動。同理，在演示實(shí)驗(yàn)中也只能推理出乒乓球受力。另一方面， 乒乓球的振動與音叉的振動并不同頻，僅僅只能反映振動的幅度（聲音的響度）。因此，直接進(jìn)行這樣“等效”不夠嚴(yán)謹(jǐn)。

（2）無法體現(xiàn)出聲波中“波”的特性與波形，學(xué)生不能理解為什么聲音也是一種波，正如華師大版科學(xué)八下《教師教學(xué)用書》中提到“聲音是縱波，但空氣中的疏密程度無法直接看見，只靠分析講述，又難以使學(xué)生想象出聲波的形成過程，會形成教學(xué)中的難點(diǎn)”[2]，在介紹空氣傳聲時聲波類比成水波更是難以想象。

在“聲音的特性”教學(xué)中，即使可以用示波器、話筒、擴(kuò)音器等現(xiàn)代設(shè)備進(jìn)行聲音的可視化，看出“波”的特性與波形，但示波器的原理過于復(fù)雜，學(xué)生無法深入理解波的成因，只能呈現(xiàn)一個結(jié)果，不符合提升科學(xué)探究的要求。因此，以上方案的“可視化”是片面的、有缺陷的可視化。

朱正元教授曾倡導(dǎo)“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”[3]，自制教具是常規(guī)教具的重要補(bǔ)充。利用生活中的小物件進(jìn)行教具的開發(fā)，一方面，實(shí)驗(yàn)器材取之于生活，用之于教學(xué)，拉進(jìn)了生活與科學(xué)的距離，增加課堂的趣味性;另一方面，自制教具的設(shè)計符合“以學(xué)生為主體”和“提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與技術(shù)素養(yǎng)”的要求，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，提升課堂效率。因此，本文就“聲音可視化”問題進(jìn)行自制教具的設(shè)計與制作。

2? ? “聲音可視化”自制教具的設(shè)計與制作

2.1? ? 設(shè)計與改進(jìn)原理

筆者以“音叉觸擊乒乓球”演示實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行一系列的設(shè)計與改進(jìn)。

方案一

改進(jìn)方案：

音叉上貼上平面鏡，利用光的反射將微小振動放大，如圖2所示。

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)效果更明顯，且光斑的振動與音叉振動同步。

缺點(diǎn)：

①看不出波形;

②振動方式單一（簡單晃動）;

③只能觀察到振幅隨響度的變化。

針對方案一的優(yōu)點(diǎn)與存在的問題，緊接著進(jìn)行方案二的設(shè)計與改進(jìn)。

方案二

改進(jìn)方法：

在兩端開口的塑料小圓柱的一端蒙上橡皮膜，中間貼一塊輕質(zhì)平面鏡，在圓柱體內(nèi)放一藍(lán)牙音箱作為聲源。另一側(cè)用激光筆照射，令其正好照在小平面鏡上，反射光落在墻上，如圖3所示。

優(yōu)點(diǎn)：

①將微小振動放大，且光斑振動與橡皮膜振動同步;

②藍(lán)牙音箱中不同音色下的振動方式不同，呈現(xiàn)出不同的圖案（圖4）;

③利用藍(lán)牙音箱改變音量，明顯反映出振幅與響度的關(guān)系，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果。

缺點(diǎn)：

①仍看不出波形;

②無法觀察到聲音的頻率。

方案三

在第三次改進(jìn)過程中受題目里“多面體棱鏡連續(xù)改變反射光方向進(jìn)行掃描”的啟發(fā)，加入旋轉(zhuǎn)的多面體棱鏡讓光斑不單單與薄膜同步振動，還能運(yùn)動起來，從而使聲波的波形可視化，完成最終自制教具設(shè)計（圖5）。

改進(jìn)方法：

由于人眼的視覺暫留原理，當(dāng)光斑移動時，前一個光斑的振動圖像并不會消失，而要延續(xù)0.1～0.4 s的時間，從而我們可以看到一段時間內(nèi)光斑的振動，并按時間先后排列，將多面體棱鏡的轉(zhuǎn)速調(diào)在適當(dāng)?shù)姆秶?，我們即可看到連續(xù)的波形圖像，最終完成聲音的可視化。

優(yōu)點(diǎn)：

①光斑振動與橡皮膜振動（即聲源振動）同步;

②能看到完整的聲音的波形;

③能體現(xiàn)出聲音的各種特性;

④實(shí)驗(yàn)效果直觀明顯。

2.2? ? 實(shí)驗(yàn)器材

激光筆、鐵架臺、塑料圓筒、橡皮膜、藍(lán)牙音箱、輕質(zhì)平面鏡、電動機(jī)、八棱柱鐵架、塑料鏡、大號蒸架（作底座）。

2.3? ? 操作步驟

（1）將八面體棱鏡（圖6）固定在電動機(jī)上并水平放置，用鐵架臺固定激光筆，藍(lán)牙音箱放入小圓鼓內(nèi)（圖7）。

（2）打開激光筆，調(diào)節(jié)角度使激光照射到小圓鼓上平面鏡的中央，經(jīng)平面鏡反射后恰好射到八面體棱鏡上，再次反射后在墻上留下一光斑。

（3）手機(jī)連接藍(lán)牙音箱，播放音樂，觀察到墻上光斑的舞動。

（4）打開電動機(jī)（圖8），帶動八面體棱鏡旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至適當(dāng)?shù)姆秶?，觀察到聲音完整的波形圖像。

（5）調(diào)節(jié)藍(lán)牙音箱的響度與音樂的頻率，再次觀察波形的變化。

2.4? ? 實(shí)驗(yàn)效果呈現(xiàn)

通過自制教具對聲音進(jìn)行可視化，我們不光可以看到一條條優(yōu)美的波形，還可以通過控制藍(lán)牙音箱來改變聲音的響度、音調(diào)、音色等特性，在波形圖上找到對應(yīng)的振幅、頻率、圓滑程度的變化，學(xué)生能從本質(zhì)上理解波的形成原因與波形圖的含義，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

除此之外，自制教具通過光學(xué)、聲學(xué)等原理對演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，將聲波可視化為優(yōu)美、變化的圖案，讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀，讓實(shí)驗(yàn)探究過程更有趣。利用手機(jī)、藍(lán)牙音箱等設(shè)備讓實(shí)驗(yàn)的操作手段更智能。

3? ? 聲音可視化教具在教學(xué)中的應(yīng)用與展望

該教具還可用于其他聲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。比如，在后續(xù)研究聲音的傳播條件時，可將教具放置在密封玻璃罩內(nèi)，抽干罩內(nèi)的空氣，觀察墻上波形圖的變化;在研究噪音與樂音時，可分別將噪音與樂音可視化，觀察兩者波形圖的區(qū)別。

聲音可視化的改進(jìn)，豐富了聲學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，配合著其他各種教具，能創(chuàng)新出更多富有新意的想法，進(jìn)一步提升教學(xué)效果。

4? ? 總結(jié)與思考

深度實(shí)驗(yàn)不僅指向?qū)W習(xí)的深度、實(shí)驗(yàn)的深度，更是指向教與學(xué)的發(fā)展過程[4]。教師的“教”應(yīng)該是一個動態(tài)的發(fā)展過程，結(jié)合新技術(shù)、挖掘新素材，通過創(chuàng)新的科學(xué)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生帶來更好的體驗(yàn)，讓學(xué)習(xí)在體驗(yàn)中發(fā)生。

葉圣陶說教無常法，貴在得法。教師通過改進(jìn)或者自制教具融入自己更深入的理解與思考，將科學(xué)的知識應(yīng)用于實(shí)踐，不僅提升知識點(diǎn)的教學(xué)效果，也提升了學(xué)生對科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣與創(chuàng)新意識的形成，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計與改進(jìn)過程更是讓“發(fā)現(xiàn)問題”“應(yīng)用科學(xué)知識解決問題”潛移默化地深入課堂，深入學(xué)生的情感，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]邢海根.改進(jìn)聲音產(chǎn)生與傳播實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)[J].物理教學(xué)，2018，40（10）：41-43.

[2]袁運(yùn)開.科學(xué)八年級（下冊）教師教學(xué)用書[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2013：2-3.

[3]袁國道，邢海根.詮釋“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”新意[J].物理教師，2007，28（03）：39-40.

[4]肖建華.學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理深度實(shí)驗(yàn)教學(xué)思考[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017，47（06）：12-15.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）