核心素養視域下“探究音調的影響因素”教學研究*

張 旺 汪志榮

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241000)

《義務教育物理課程標準(2011年版)》規定“課程內容包括兩大組成部分，即科學探究和科學內容”[1].科學探究既是重要的課程內容，又是主要的教學方式，應受到物理教師足夠的重視.科學探究教學是培養學生物理學科核心素養的重要途徑，研究物理核心素養導向的教學是體現物理課程價值的必由之路[2].

探究影響音調的因素是認識聲音特性的教學重點和難點.在傳統課堂教學中，通常采用撥動尺子，讓學生聽聲音，觀察尺子振動.這種教學方法雖然易于操作，靈活性很強，但尺子振動很快且振幅迅速衰減，也難以觀察其振動周期和頻率等特性[3]；同時，由于實驗過于簡單，只能大致得出定性的結論，不僅難以達成探究教學的綜合目標，也很難激發學生的探究興趣.鑒于此，通過仿制中國古代傳統樂器編鐘，自制一組由合金管組成的探究影響音調因素的樂器“編鐘”，探討在核心素養視域下探究音調的影響因素教學活動.

1 自制教具及實驗原理

編鐘是中國古代大型傳統樂器.中國青銅樂鐘是以瓦片對合狀腔體結構為主要特征、有固定音高、可以演奏旋律的青銅鐘類樂器，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高低的次序依次排列起來，懸掛在一個巨大鐘架上，用木錘分別敲打編鐘會發出不同音調的聲音，按照樂譜敲打，可以演奏出美妙的音樂.

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

為了激發學生的學習興趣，積極參與課堂探究，同時也為提高實驗的直觀性和準確性，基于編鐘的形制和發聲原理，設計并制作了一組探究音調高低性質的合金管“編鐘”樂器，可稱之為音調探究儀，如圖1所示.

圖1 音調探究儀實驗組合

該演示儀主要由8根長短不一的合金管構成.這組合金管內外徑分別為1.35 cm和1.59 cm，測出它們的長度，并且根據長度進行編號依次為1～8號.用細繩分別將它們按照由短到長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，會發出不同的聲音，音調的變化能夠很清楚地辨別出來，依次敲擊發聲，能產生八度音，形成一個完整的聲音倍頻單位，如表1所示.音調探究儀取材于生活中常見物品合金管，結構簡單，而且具有很強的可操作性.

表1 合金管長度、振動頻率及其對應的八度音名稱

利用DIS系統開展探究活動，可以更好地將實驗現象轉化為物理圖像，在電腦顯示屏上直觀地看到聲音的波形，可以比較不同音調的聲音，其聲源振動頻率的差異性[3].并且運用DIS實驗系統開展實驗，使得實驗數據采集更加方便，數據分析結果能夠可視化.只要將聲波傳感器和數據采集器與計算機相連接，如圖1所示，即可用于顯示出聲波的波形圖和頻率值.

將音調探究儀放置在水平桌面上，敲擊不同的管子，會發出不同音調的聲音，此時聲波傳感器將采集發聲體的聲音信息，經與電腦端相連接的數據采集器傳送，在電腦顯示屏上會直接顯示出聲波的波形圖和頻率值，如圖2所示.其中，波形圖的縱坐標表示振幅，橫坐標表示時間，由于頻率與周期成反比關系，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 計算機顯示聲波波形圖

2 自制教具在音調探究活動中的應用

運用這套音調探究儀和DIS實驗系統的組合，可以定性和定量探究音調與頻率的關系.

2.1 定性探究實驗設計

定性探究合金管的長度對于聲音的音調及其振動頻率的影響，可以分別敲擊1號和8號管子，即最短和最長的管子，首先引導學生仔細聽兩組聲音，辨別二者發聲的音調有何差異，然后在體會兩組聲音的音調高低有別的基礎上，判斷敲擊哪根管子發出聲音的音調更高.

結合DIS實驗裝置進行實驗，需要利用兩只聲波傳感器采集發聲空氣的振動頻率，通過觀察計算機顯示屏上的聲音波形圖，對比分析兩只合金管引起發聲空氣的振動頻率.如圖3所示，兩列波分別表示1號和8號管子的聲波圖.

圖3 波形圖比較

教師運用DIS實驗裝置開展定性實驗，主要引導學生辨別1號和8號管子發出的聲音，誰的音調高？同時，通過觀察兩列波形圖，哪個頻率高一些？

實驗表明，1號管子比8號管子發出聲音的音調要高.通過分析DISlab顯示的實驗數據可知，敲擊1號管子形成的波形圖明顯比8號管子的密，也就是說1號管子發出聲音的頻率比8號管子要高.

由此初步得出結論：兩根管子振動發聲時，音調與振動頻率有關，較短的管子發聲的音調更高，頻率也高一些.

2.2 定量探究實驗設計

學生通過“聽”和“看”進行定性的對比實驗探究，能初步得出音調與頻率的關系，但該結論還不具有精確性和普遍性，因此還要進一步深入探究音調與頻率的定量關系，檢驗該結論正確與否.

活動1：設計方案和實施探究

音調探究儀共有8根管子，可以選用8根合金管進行定量實驗探究.首先測量每根合金管的長度，依次辨別和記錄各自發聲的音調特征，然后開啟DIS實驗裝置，利用兩只聲波傳感器依次采集這些合金管振動發聲的頻率，最后分析實驗數據，得出結論.為了體現實驗數據的可靠性，可以先后開展多組實驗.表2記錄了3組實驗測量結果.

表2 合金管長度和振動頻率及發聲的音調特征

活動2：科學觀察和數據分析

首先感受8根合金管發聲的音調，尋找音調與合金管長度的關系特征，同時，記錄8根合金管發聲時空氣振動頻率數據，然后分析合金管發聲音調與管長、振動頻率之間的關系特征.

活動3：基于實驗現象和證據分析，總結結論

總結實驗結論：3組實驗都表明，從短到長依次敲擊合金管，發聲的頻率越來越低，并且聲音的音調也越來越低，進一步驗證了在初步探究中所得出的結論是正確的.

活動4：對實驗結論進行科學解釋

關于音調決定于聲源的振動頻率，應從發聲的物理機制進行解釋，闡明物理原理.聲音是由物體振動而產生的，敲擊合金管，管子自身振動發聲并帶動管內外空氣振動發聲.由于八根管子的長度不同，質量不同，質量小的相對于質量大的振動得更快，即頻率更高，因此帶動管外空氣振動傳播這種聲音；需要注意的是，管子是空心的，空心部分有空氣振動，但由于空氣流速低，所以管內空氣振動發聲對聽覺影響小.

另外，實驗時很難保證每次敲擊合金管的力相同，外在實驗條件變化是否影響實驗結果，也應予以解釋.很顯然，用力大小決定聲音的響度，學生通過之前學習，已經理解“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是縱坐標的高低.如果敲管子所用的力大一些，那么聽到的聲音的響度會大一些，即波形圖會“高”一些，反之，波形圖則會“低”一些.音調與響度是聲音的兩個不同的性質，所以用力大小不會影響實驗結果.

通過本次實驗探究，進一步得出結論：聲音的音調與發聲體振動的頻率有關，頻率越大，音調越高；頻率越小，音調越低.

2.3 開展中國古典聲樂文化教育

中國是禮儀之邦，古代國家慶典、大型宗廟祭祀、宴請貴賓時，常用樂器編鐘演奏.編鐘是古代大型打擊樂器，其聲音洪亮、形態雄渾、堅固耐用，正因為如此,歷朝歷代都把編鐘尊為宮廷樂器之首.據史料記載，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，是人類青銅時代最偉大的藝術作品，也是有史以來音樂考古學上罕見的重大發現，它一時被國際學人譽為“世界第八大奇跡”，全套編鐘由多達65件單體青銅樂鐘組成，有著三層八組的宏大構造，總用銅量達4 421.48 kg[5].

圖4 曾侯乙編鐘

教師進行有關聲音特性的教學活動，需要開展中國古代聲樂文化教育，不僅僅局限于介紹大型編鐘的歷史資料，可以運用音調探究儀模仿編鐘演奏古代慶典音樂.音調探究儀與編鐘的發聲原理類似，管子的長度符合一定音律學的規律，按照從短到長的順序依次敲擊它們，會發出哆、瑞、咪、發、嗦、啦、西、哆的音調，所以按照樂譜敲打它們，會奏出一首曲子.課堂教學結束后，讓學生在課余時間嘗試利用音調探究儀自行演奏，通過實際操作體驗，增進對編鐘了解，激發學生對于中國古代禮儀文化的興趣.

中國古代傳統樂器文化博大精深，其中蘊含著豐富的物理聲學和樂律學知識，在我國傳統樂器文化中，還有很多極具我國文化特色的樂器，如二胡、古箏、笛子等.學生學習音調知識之后，還可以引導他們課下查閱資料，結合所學知識進一步了解這些古代樂器的發聲原理.

3 結論

根據古代編鐘的形制和發聲原理，自制音調探究儀結構簡單，易于操作.基于音調探究儀與DISlab相結合，開展科學探究教學,不僅能增強實驗現象的直觀性，也能開展定量研究教學活動，引導學生獲取證據，收集和處理數據，總結結論，并作出合理解釋，進而培養中學生在科學思維、科學探究能力等方面的物理學科核心素養.這種融入STEAM教育理念的教學活動設計，有助于學生從多學科視角認識不同學科間的聯系，提高自身綜合運用知識解決現實問題的能力[6]，同時在物理教學中滲透我國優秀的傳統聲樂文化，也有利于陶冶學生的藝術情操，彰顯中國古代的文化自信.