STEAM教學理念在聲音的特性實驗中的應用

龔杰

(銀川市第九中學 寧夏 銀川 750021)

汪成瑞

(寧夏大學附屬中學 寧夏 銀川 750021)

徐超凡

(南京師范大學附屬實驗學校 江蘇 南京 210023)

1 引言

隨著《普通高中物理課程標準(2017年版)》的公布，義務教育階段的物理課程標準也逐步開始修訂，幫助初中階段的學生建立物理學科核心素養理應得到教師廣泛關注.這樣，怎樣將物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個維度有效統一便成了迫在眉睫的問題.

在教育鄰域STEAM理念并不是新興事物，早在上世紀70年代為加強美國K12關于科學、技術、工程、以及數學的教育，美國學者Hurdz率先提出了STEM教育[1]，是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)4門學科英文首字母的縮寫，到2008年美國學者Georgette Yakman在此基礎上添加了對學生的藝術(Art)教育，便形成了今天我們所講的STEAM教育[2].STEAM教育理念強調將各學科融入到具體的實踐項目中，在實踐中鞏固理論，并且可以為學生創造真實的教學情境.因此將STEAM教育理念引入初中物理教學，結合DIS數字化信息系統，完成實驗探究，具有一定的實際意義.

2 “鳥笛”項目的制作

初中階段的學生，身心發展尚不完善，所以在項目設計上必須要考慮到學生的學習能力與動手能力，不能過于復雜.用中性筆與棉簽制作鳥笛是中學生能夠完成的任務，而且材料廉價簡單易得.準備好中性筆、棉簽、水等材料，將中性筆的兩個頂端打開，把棉簽沾濕，從一端塞入中性筆管內，如圖1所示，這樣一個簡易版的鳥笛就制作完成.將空氣吹入筆管未封閉的一端，拉動棉簽便可聽到猶如鳥鳴的聲音，如發生漏氣現象可在管內加入少許的水將其密封.

圖1 “鳥笛”示意圖

3 基于“鳥笛”項目的實驗探究

聲音對于初中學生來說，既熟悉又陌生，經過小學科學課與前期物理課的學習，對聲音已經有了基本認識，但是對聲音的3個特性:音調、響度與音色，沒有科學地認識，尤其對于音調和響度難以區分.DIS數字化信息系統是將傳感器、數據采集器與計算機連接起來共同測量物理量的裝置[3]，如圖2所示，可直接在計算機上顯示獲得的實驗數據，并通過圖表、圖線等直觀方式呈現數據.我們將制作好的“鳥笛”與DIS數字化信息系統結合，把抽象難以觀察的聲音信號可視化，強化學生對聲音特性的理解.

圖2 DIS數字化信息系統示意圖

3.1 利用探究實驗幫助學生建立振動的觀念

在前期的學習中學生已經知道，聲音是由物體振動產生，它的傳播是依靠介質振動，但是學生對振動的了解僅停留在前概念階段，并不科學，也不系統，沒有形成與振動有關的圖式，不能將頻率、周期、振幅等概念與振動相關聯.利用DIS數字化信息系統把學生看不見、摸不到的聲波可視化，從而幫助學生建立振動的觀念.

(1)實驗儀器介紹

計算機、數據采集器、聲音傳感器、音叉、自制鳥笛.

(2)實驗方案

第一步，把聲音傳感器、數據采集器、計算機相連接，在計算機中打開相應軟件；第二步，敲動音叉采集數據生成音叉的聲波圖像，并讓學生仔細觀察音叉；第三步，吹動鳥笛用DIS數字化信息系統收集數據.

(3)實驗結果

學生通過觀察音叉，可以看到音叉發聲是由于音叉振動.DIS數字化信息系統生成的圖像，如圖3、圖4，能夠清楚地看到振動的波形圖，聲音傳感器是在聲音的傳播路徑中，證明了聲音傳播需依靠介質振動.仔細分析該振動波形圖(圖3)，可清楚地觀察出周期、頻率、振幅.完成一次全振動所需的時間叫做周期，即兩個橫坐標之間所對應的圖像為一個周期，圖中共經歷了8個全振動，就有8個周期.單位時間內完成全振動的次數叫做頻率，通常單位時間為1 s，即1 s內振動的次數，此時頻率的單位為赫茲(Hz)，從圖中可以看出該音叉所發出聲波的頻率為505 Hz，這樣一個周期約為0.002 s.振幅是物體振動的幅度，在圖像中能夠直觀地反映出該聲波振動的幅度.從圖4中可以看出，鳥笛所發出的聲波同樣具有周期、頻率、振幅.

圖3 音叉發出聲波的圖像

圖4 鳥笛發出聲波的圖像

3.2 利用實驗探究音調與頻率的關系

吹動鳥笛，來回拉動棉簽，讓學生感受聲音的變化，發現聲音有高有底，物理學中把這種聲音的高低叫做音調.通常在沒有教師引導的情況下，學生并不能將音調與頻率相互聯系.利用數字化信息系統，采集聲音的頻率，使學生探究音調與頻率的關系.

(1)實驗儀器介紹

計算機、數據采集器、聲音傳感器、自制鳥笛.

(2)實驗方案

第一步，如圖1所示，從插入棉簽端的端口開始，在筆管上每隔一定長度作出相應標記(圖中每隔1 cm作一次標記)；第二步，把聲音傳感器、數據采集器、計算機相連接，在計算機中打開相關軟件；第三步，先使棉簽固定在最底端的標記點，吹動鳥笛收集數據；第四步，將棉簽向上移動到下一標記點，吹動鳥笛收集數據；第五步，重復上述步驟，收集6次以上的數據.

(3)實驗結果

實驗結果如圖5所示，分別從最底端開始記錄，向上移動6次棉簽，共記錄了7組數據如表1所示.當棉簽在最底端時，采集的頻率為763 Hz，聽到聲音的音調較低，在“鳥笛”內空氣振動較慢.當棉簽在最頂端時，采集第7次的頻率為1 636 Hz，聽到聲音的音調較高，在“鳥笛”內空氣振動較快.

圖5 聲音頻率實驗結果圖

表1 聲音頻率實驗數據表

3.3 利用實驗探究響度與振幅的關系

在用鳥笛“演奏”時，細心的學生其實就能夠發現，當他用較弱的氣息吹動鳥笛時，鳥笛發出的聲音較小，用較強的氣息吹動鳥笛則聲音較大.但是聲波看不見，也摸不著，初中階段的學生通過教材(以人教版為例)中“撥動”直尺的實驗雖能夠在振幅與響度兩物理量之間建立聯系，但采用數字化實驗，將抽象的聲信號轉換成直觀的圖形，可進一步幫助學生將二者關聯，獲得更好的教學效果.

(1)實驗儀器介紹

計算機、數據采集器、聲音傳感器、自制鳥笛.

(2)實驗方案

第一步，把聲音傳感器、數據采集器、計算機相連接，在計算機中打開相應軟件；第二步，使棉簽固定在任意位置，保證實驗過程中棉簽位置不發生改變；第三步，用漸變的氣息吹動鳥笛，聽鳥笛聲音大小的變化，并記錄數據.

(3)實驗結果

我們采用從弱到強的氣息吹動鳥笛，實驗結果如圖6所示.從圖中可以清楚地看出，在氣息由弱到強的變化過程中，聲音的響度不斷變大，鳥笛所發出聲波的振幅也隨之不斷變化.0.60 s時聲波輕微振動，響度較小，1.20 s以后聲波振幅較大，響度較大.不難發現，聲波的振幅與響度有關，振幅越小，響度越小，振幅越大，響度越大.

圖6 聲音的響度與振幅實驗結果圖

3.4 利用實驗感受音色

不同的人說話聲音不同，不同的樂器所發出的聲音也有差異，其實就是不同物體振動時發出的聲波不同.物理學中把這種聲音的特性叫做音色[4]，通常情況下我們能夠感受到音色的不同，結合數字化實驗，從波動的角度去理解音色，加深學生對聲音的認識.

(1)實驗儀器介紹

計算機、數據采集器、聲音傳感器、自制鳥笛、鋼琴、葫蘆絲.

(2)實驗方案

第一步，把聲音傳感器、數據采集器、計算機相連接，在計算機中打開相應軟件；第二步，采集鋼琴產生的聲波；第三步，采集自制鳥笛產生的聲波；第四步，采集葫蘆絲產生的聲波.

(3)實驗結果

鋼琴發出的聲波圖像如圖7所示.

圖7 鋼琴發出聲波的圖像

葫蘆絲發出的聲波圖像如圖8所示.

圖8 葫蘆絲發出聲波的圖像

從圖4、圖7、圖8中可以看出，鳥笛、鋼琴、葫蘆絲3種樂器所發出聲音的頻率基本一致時(鳥笛886 Hz、鋼琴885 Hz、葫蘆絲881 Hz)，3者聲音的波形圖卻有很大區別，這便是它們的音色不同.

基于STEAM教學理念制成的鳥笛，與DIS數字化信息系統有機結合，讓“頑皮”的聲音顯出原形.結合直觀的圖形，能幫助學生透過表面現象從波動的角度去揭示聲音的本質，探究聲音的音調、響度、音色這3個主要特性.

4 完善“鳥笛”

鳥笛雖然已經制作完成，但不能夠區分具體音調，還不能演奏出悅耳的樂曲，因此要對鳥笛做進一步完善.要想使鳥笛演奏出標準音調，就必須要清楚鳥笛中棉簽位置與聲音頻率的關系.利用Excel表格便可以簡單明了地發現棉簽在鳥笛中的位置與鳥笛發出聲音頻率之間的關系.把表1中的數據導入Excel表格中，以鳥笛發出聲音頻率為縱坐標，棉簽在鳥笛中的位置為橫坐標，繪制散點圖，如圖9所示，得出函數關系式y=146.86x+498.71,公式中y為頻率，x為距離端口(棉簽端)的位置，這樣便可知道某一位置的聲音頻率,也可以知道某一頻率所在位置.例如，在頻率表中查出高音3(mi)的頻率為1 318 Hz，帶入公式得出x的值約為5.58 cm，即在插入棉簽一側從端口開始量取5.58 cm，做好相應標記，將棉簽推動到該位置，吹動鳥笛，就可以演奏出高音3(mi).用這種方法，選一首較為簡單的樂曲，在頻率表中找到相應音調所對應的頻率，帶入公式計算出每個音調所在的位置，做好標記，這樣一根可以演奏出優美樂曲的鳥笛便制作完成.

圖9 鳥笛頻率與棉簽位置關系圖

5 結束語

STEAM教育理念重視學科間的融合,重視學生動手能力,以作品化的成果來評價學生.基于此教學理念，設計制作出鳥笛(這里的制作方式只是提供參考，可用其他的材料與方法完成制作)，用制成的鳥笛完成科學探究，培養學生的物理學科核心素養與跨學科綜合能力，該實驗所設計的內容如表2所示.綜上，將STEAM教學理念與物理探究實驗相結合，一方面踐行了物理學科核心素養的要求，另一方面展現了全方面培養學生的教育觀念.這樣的融合式實驗學習即能讓學生享受應用知識解決實際問題的樂趣,又能充分調動學生的學習積極性, 培養學生自主學習能力、邏輯思維、批判性思維和創新性思維.同時，優化了傳統的教學方式，從物理學科核心素養的角度，深化了教學中的情境性，促進學生對知識的理解，增加了課堂的趣味性.

表2 鳥笛STEAM實驗涉及內容