優化材料取精確 量化視覺促概念

楊寧贊+樂瀅瀅

摘 要 小學科學教科版四年級上冊聲音單元學生通過撥動鋼尺、橡皮筋，敲擊音叉來感性認知聲音的強弱高低，因環境等各方面因素的影響，學生不能準確做出判斷。通過重構實驗，優化材料，利用數字化傳感器將定性認知轉化為定量學習，嘗試對經典實驗進行創新設計。

關鍵詞 小學科學；數字化傳感器；實驗

中圖分類號：G623.6 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）23-0148-04

1 問題聚焦

小學科學教科版四年級上冊聲音單元第三課“聲音的變化”，這一經典的實驗探究課在聲音單元起著承前啟后的關鍵作用。本課教學內容由兩部分組成。

第一部分：觀察比較聲音強弱的變化。學生通過撥動伸出桌面的鋼尺，了解物體振動幅度越大，聲音越強；振動幅度越小，聲音越弱。

第二部分：觀察比較聲音高低的變化。學生通過用小棒敲擊4個水位不同的玻璃杯，發現聲音高、較高、低、較

低。學生通過撥彈粗細不同的橡皮筋，敲擊長短與粗細不同的鐵釘、粗細不同的鋼管、長短不一的PC管和彈撥琴弦，發現物體振動得越快，聲音就越高；物體振動得越慢，發出的聲音就越低。

從活動的結構上和密度上，編者充分考慮了四年級學生的認知水平和思維能力，并且能以階梯式螺旋結構設計實驗，鋪開教學。但展開教學后，四年級9個班的學生實驗中，卻發現以下3個問題。

問題一：聲音強弱難聽清。這一課在教學中，學生能夠辨別聲音的強弱變化是關鍵，但是在實驗時，學生組與組之間撥動鋼尺的聲音互為干擾，學生討論爭辯則形成第二層聲音干擾，兩層干擾之下，聽清鋼尺發出的聲音難上加難。

問題二：聲音高低難辨別。第二個環節中，敲擊4個水位不同的玻璃杯后，發出的聲音高低區別度不大，難以辨別。第二個活動中，給每組提供的3個長度、大小或面積不等的生活材料，由于受干擾因素太多，發出的音高變化、區分度更是不明顯，而且敲擊不同位置，聲音也不同。學生的錯誤前概念則容易在這難以辨析的聲音中混淆強化。

問題三：物體振動難看清。這兩個經典實驗不僅要讓學生辨別聲音，還需要學生看見物體發聲時的振動幅度和振動快慢。而桌面鋼尺因其材料較硬，振幅大小變化很難看清；撥動橡皮筋、琴弦，振動快慢勉強看清，但是鐵釘、PC管、鋼管振動的快慢基本看不見。然而，“聲音強弱與振幅大小以及聲音高低與振動頻率有關”，這恰恰是本課的重難點，“聲音與物體振動的關系”更是本單元核心概念。

綜上可見，經典設計、材料和普通的觀察方法很難突破本課的重難點。

2 實驗優化，促成效

對此，對“聲音強弱與振幅大小關系”和“聲音高低與振動頻率關系”這兩個實驗進行改進，優化材料，并合理采用數字化實驗，利用傳感器突破重難點，最后拓展課堂外延，讓學生感受科學和藝術結合的魅力，使學生在知識、技能與情感三個維度上都有效達成教學目標。

改進一：增加輔助材料共鳴（盒放大聲音、聲音導管接聽聲音、C型夾固定），讓“聽覺”更敏銳

1）原型實驗：觀察比較聲音強弱的變化。具體步驟：

①讓學生用一只手壓住鋼尺一端在桌面上，另一端伸出桌面10～12厘米；

②用另一只手輕輕撥動伸出桌面的鋼尺一端，觀察尺上下振動的幅度有多大，發出的聲音有多強，并用振動幅度大或小、聲音強或弱做記錄；

③增大用力，方法同前。

實驗要求：準確描述振動幅度越大，聲音越強；振動幅度越小，聲音越弱。

經過多次教學，不足之處有三：

①同時實驗，教室吵，相互干擾大，音量大小難聽清；

②用力撥動鋼尺時，四年級學生無法讓鋼尺與桌面緊貼，導致聽到的聲音是鋼尺與桌面碰撞的聲音；輕輕撥動時避免了鋼尺與桌面碰撞，能看到尺子的振幅，但音量很小，難聽清聲音；

③鋼尺彈力不強。

2）創新設計：利用共鳴箱、聲音導管、錳鋼尺等放大實驗現象，讓學生的“聽覺”更加敏銳。如圖1所示，先用共鳴箱將錳鋼尺壓緊在桌子邊緣，并用C型夾固定；撥動錳鋼尺懸空部分，用聲音導管接聽聲音。

共鳴箱雖小，效果卻好，不僅可以將聲音通過共鳴放大，還可以直接通過聲音導管匯聚到學生的耳朵，清晰明確，避免了組與組之間以及組內討論的干擾。共鳴箱下的淺槽將錳鋼尺扣在凹槽里面，不會滑動；C形夾則解決了鋼尺與桌面碰撞，看似高級，卻經濟實惠，一個小小的固定夾，便可以解放學生的雙手；而教學用的鋼尺用錳材料代替，彈性更強，聽到的聲音也更清楚。

通過改進材料，優化細節，放大了實驗現象，學生直觀感受到振動幅度越大，聲音越強；振動幅度越小，聲音越弱，很好地達成實驗目的。

改進二：利用數字化傳感器，將“視覺”化“數據”

原型實驗一：觀察比較聲音高低的變化。如圖2所示，用1、2、3、4給盛有滿杯、約3/4杯、約1/2杯、約1/4杯水的玻璃杯標上號，并用小棒敲擊，預測它們發出的聲音會有什么不同？并用聲音高、較高、較低、低排序，做好記錄。根據從1號杯到4號杯或從4號杯到1杯的順序，反復敲擊杯口，比較它們發出的聲音有什么不同，再與小組的預測進行比較。

實驗要求：能區分聲音高、較高、較低、低，并記錄。

原型實驗二：用多種材料觀察比較聲音高低的變化。如圖3所示，撥彈不同松緊度的橡皮筋和小提琴琴弦，敲擊長短不同的3根鐵釘、3根PC管、3根粗細不同的鋼管。

實驗要求：讓學生發現物體振動得越快，發出的聲音就越高；物體振動得越慢，發出的聲音就越低。

這兩個原型實驗不足有三（圖4）。

①通過用小棒敲擊4個水位不同的玻璃杯，讓學生發現聲音高、較高、低、較低。浙江省教研員喻伯軍老師曾召集專家在省里專門研究，大家的解釋都不一樣，因為這個實驗的變量實在太多。

②當敲擊鐵釘、鋼管和PC管這些材料時，無法用肉眼看到它們在振動，區分振動快慢成為空話。

③生活中的材料受干擾因素太多，所以敲擊時它們的頻率會發生變化，甚至出現長鐵釘比短鐵釘的頻率更大的情境（圖5）。

創新設計：在音階中辨析聲音高低，用傳感器量化振動現象。正因為學生聽的“音高”、觀察的“振動頻率”無法明顯辨別，所以從“專業樂器”和“數字化傳感器”兩方面共同入手。“數字化傳感器”中的“振動頻率傳感器”能把現象轉化為圖示、數據，進一步精確且直觀地幫助學生識別物體發聲的振動頻率，實現了1+1>2的實效。

創新設計點1：利用樂器替換生活材料（圖6）。生活材料雖然隨手可得，但材料的密度不均勻，音高并不穩定。因此，提供的材料為樂器和學生自制樂器，因為四年級學生在“1234567”的音階中更容易找到音高，而且材質多元化，涉及木頭、空氣柱、金屬、皮質，又涉及粗細、大小、長短各不相同，讓學生能夠更豐富、更精確地獲得感性材料，幫助學生排除次要因素的干擾，更快揭示研究對象的本質，有效建構科學概念。

創新設計點2：利用“數字傳感器”，將“視覺”的不可辨別轉化為“數據”（圖7）。這一課的“數字傳感器”主要利用兩種：“振動幅度傳感器”和“振動頻率傳感器”。連接電腦后，屏幕上就會即時出現振動幅度大小、頻率快慢的圖像和數字。

“振動幅度傳感器”主要應用在“觀察比較聲音強弱的變化”實驗中，輔助學生進一步通過圖像的形式看到鋼尺發出強弱音時的振動幅度區別。當學生撥動鋼尺，發出聲音時，借助聲音振幅傳感器和電腦，屏幕上會出現在一條線上用不同顏色記錄實時振幅，將原本直接用肉眼看不易區分的振幅比較，轉化為清晰可見的振幅圖示，結果一目了然，減少歧義，避免了學生之間的無效爭論。

“振動頻率傳感器”則應用在“觀察比較聲音高低的變化”實驗中，學生可以通過聽到的音高、看到的波紋線密集度和頻率數大小進行比較，輔助學生通過圖像和數據看到發聲物體發聲時的振動頻率（圖8）。

通過圖9所示8組數字和圖像，學生顯而易見就能得出“尺子振動得越快，發出的聲音就越高；振動得越慢，發出的聲音就越低”，輕松解決傳統實驗無法解決的問題。

3 實驗高效，促生成

綜上，“聲音的變化”一課中，通過對實驗材料的改進，對實驗細節的優化，使實驗環節更加細致；通過利用聲波傳感器采集數據和圖像，從定性走向定量，使實驗更加精確；通過細致的實驗環節、精確的數據，更加直觀形象地讓學生內化了科學概念，對聲音與振動的關系有了本質化的認識，使實驗走向深入，不但解決了教學中的三大難處，而且大大激發了學生制作樂器的熱情（圖10）。

4 結語

隨著“大數據”時代的來臨，人類社會從建立數學模型分析食物到發明計算機加速模型運算，到今天進入數據發現和數據觀察時代。“現在14納米傳感器技術在不斷改進，很快會進入10納米，直到8納米。”Teradata天睿公司首席技術官Stephen Brobst在“2015Teradata大數據峰會”上特別強調這些細如塵沙的傳感器對數字世界的巨大影響。反觀小學科學課堂，需要在一些定性認知模糊的實驗中適時加入“數字化傳感器”的應用，讓學生的實驗效果更精確、直接、明了，為學生深入思維交流、共享贏得更為廣闊的時間和空間。

參考文獻

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