虛擬與真實互補，藝術與物理同臺

姚佳

● 創新整合點

①使用中央電化教育館虛擬實驗教學服務系統（以下簡稱“虛擬實驗系統”）為學生動態展示不同樂器發聲時的波形變化，從視覺、聽覺上實現振幅、頻率、音調、響度、音色等物理概念的技巧性突破。

②使用平板交互實現師生信息實時共享、高效互動。

③使用武漢教育云平臺的互動課堂，無縫切換教學PPT、視頻、手機直播等多種媒體資源。

④將原創“戰疫”歌曲《最美的星星》用于教學，通過感恩教育讓學生們知恩、感恩。

⑤讓古琴走進物理課堂，帶領學生感悟古琴的魅力，突出中國優秀傳統文化的核心和內涵。

● 教材分析

本節課是人教版物理八年級上冊《聲現象》中的第二節《聲音的特性》。本節重點是響度、音調、音色的認識以及影響因素。在新的教材體系中，聲現象是學生學習機械運動后接觸的又一類物理現象。本節知識的學習對學生構建聲現象體系至關重要。

● 學情分析

聲現象在生活中無處不在，學生對這一章的內容非常感興趣，但對于剛開始了解并參與學習物理的八年級學生來說，他們對物理探究活動比較陌生，在實驗中歸納總結的能力不足。

● 教學目標

知識與技能目標：①知道響度、音調、音色是聲音的三個特性;②知道響度與振幅的關系、音調與頻率的關系，了解音色與發聲體的材料和結構有關;③了解超聲波和次聲波。

過程與方法目標：通過演示、觀察、探究、活動等方法，形成比較、歸納、總結問題的能力，并能從中體驗轉換法與控制變量法兩種探究方法。

情感態度與價值觀目標：從活動中激發和培養學習興趣，通過參與和體驗充分調動學習物理的積極性。

● 教學環境與準備

教學環境：①希沃交互式電子白板;②天喻武漢教育云;③虛擬實驗系統。

教學準備：原創歌曲《最美的星星》MV等視頻資源;音叉、懸掛乒乓球的鐵架臺、50cm長鋼尺、古琴、水瓶琴、拇指琴、鋁片琴、八音盒等教具。

● 教學過程

1.原創戰“疫”歌曲引入新課

教師播放歌曲《最美的星星》，學生聆聽。

師：你們聽出了幾個人的聲音？是怎么分辨出來的？

生：兩個人的聲音，因為他們的音色不同。

教師評價：很棒！音色是聲音的特性之一。今天我們就從“音色”開始，一起來學習聲音的特性。（板書：1.音色——聲音的特性

設計意圖：引入部分運用了教師本人作詞作曲、女兒演唱的戰“疫”歌曲《最美的星星》，在契合教學內容的同時，教育學生懂得知恩，要有感恩之心。

2.奏響樂器，認識音色

師：“音色”就是聲音的特色。（板書：聲音的特色）老師今天帶來了很多樂器，大家聽聽看，你覺得它們的音色相同嗎？

教師演示，讓不同的樂器發聲。

生齊答：不同！

師追問：你覺得是什么影響了這些樂器的音色呢？

教師展示樂器。

生：發聲體的結構、材料不一樣，它們發出的聲音音色不同。

教師對學生的回答給予肯定。（板書：音色與發聲體的材料、結構有關）

設計意圖：在教學安排上，這里做了一個順序的調整，將音色作為聲音的第一個特性先進行學習，因為音色是三個特性中最好理解的一個特性。此環節展示的樂器亦是為后面的教學做鋪墊。

3.虛實結合，初識聲波圖

探究一：識別不同音色的聲波圖

教師打開虛擬實驗系統中的3D實驗交互課件，敲擊虛擬實驗室中的音叉和鋼琴。

生：兩種聲波圖看起來形狀不一樣。

教師小結：所以，不同的音色，它們的波形圖形狀不同。

探究二：認識響度

教師敲響實物教具音叉，引導學生再次聆聽聲音的變化。

師：你從剛才的聲音中聽出了什么變化？

生：聲音越來越小，最后聽不到了。

師：很棒！物理學中把聲音的大小叫作“響度”。（板書：2.響度——聲音的大小）

教師提示學生再仔細聽一次虛擬示波器中音叉發出的聲音，觀察示波器顯示的聲波圖有什么變化。接著，教師敲擊虛擬音叉do這個音。

師：大家結合聽到的響度變化以及看到的波形變化，有什么新發現呢？

生：響度越小，聲波偏離原來直線的位置越小;響度越大，聲波偏離原來直線的距離越大。

師：不錯！這個偏離原來直線的位置，稱為振動的幅度，也叫振幅。

如果我把音叉拿到樓下操場上去敲擊，請問你們坐在這里，還能聽到嗎？或者說還能聽得這么清晰嗎？

生：聽不到。

師：所以，我們聽到的聲音是否響亮，除了與響度大小有關以外，還與距離發聲體的遠近有關。如果想增大音叉發聲的響度，我們可以怎么做呢？

生：用力敲擊。

學生體會不同力度作用下響度的大小變化，同時發現響度是變大了，但音叉的振幅變化看不清楚，此處教師介紹轉換法的思想。

教師展示“探究響度與什么因素有關”的實驗教具，播放虛擬實驗視頻。學生認真聽教師講解。

設計意圖：虛擬實驗系統為學生動態展示了發聲體發聲時的波形變化，從視覺、聽覺上都更加直觀，使音色、響度、振幅等物理概念理解起來非常容易，從本質上實現了技巧性突破。

3.使用COOLEDIT調試響度，學以致用

教師再次播放《最美的星星》這首歌曲，學生發現人聲響度太小，與伴奏不協調。教師展示COOLEDIT音樂軟件中的人聲和伴奏兩條音頻波形，學生觀察并分享。

生：伴奏的波形振幅很大而人聲的波形振幅很小。

師：那我們怎么做才可以解決這個問題呢？

生：把人聲的振幅變大。

教師播放調整之后的效果，問題完美解決。

設計意圖：通過這個環節，學生可以直觀看到人聲振幅的增大確實解決了與伴奏聲音不和諧的問題，大大激發了學習物理的興趣，同時又開拓了眼界。

4.自主探究，認識音調

教師播放一首搞笑歌曲，并請學生分享聽后的感受，從“跑調”引出聲音的第三個特性——音調。（板書：3.音調——聲音的高低）

師：音調的高低與什么因素有關呢？接下來我們通過一個實驗來探究一下。

教師引導學生回歸課本，仔細閱讀實驗細節。

學生認真閱讀。

師：實驗中要觀察什么？注意什么？

生：觀察鋼尺伸出桌面的長短以及振動的快慢，聽聲音的高低變化。

教師補充實驗操作細節，學生認真聽教師講解。

學生開始小組實驗。同時，教師將各種樂器分發給完成實驗的小組，感受不同樂器的發聲原理和發聲規律。

教師下發實驗報告提交指令，學生使用平板電腦上傳實驗報告并分享。

生1：鋼尺伸出桌面越長，振動越慢，音調越低。

生2：最后鋼尺伸出很長的時候，振動明顯變慢，聲音也聽不見了。

教師補充物理量“頻率”相關知識，展示“人和一些動物的發聲和聽覺的頻率范圍”小資料，介紹次聲波和超聲波。

師：大象可以聽到的最低頻率是多少？

生：1Hz。

師：一般在地震、火山等地質災害發生的時候會伴隨著發出次聲波。像大象這樣的動物為什么能夠在地震到來之前有所察覺呢？

生：它們聽到了人耳聽不見的次聲波。

設計意圖：學生以小組為單位自主探究音調的影響因素，能夠通過自主探究中發現的“振動過慢則聽不見聲音”這一物理現象進一步認識并了解人耳聽不見的次聲波與超聲波，充分體現學生的主觀能動性。

5.由虛到實，舉一反三

師：剛才我們在虛擬示波器上找出了不同響度、不同音色的波形的區別，我們看看不同頻率的波形圖又有什么變化。

教師敲響不同頻率的虛擬音叉，引導學生觀察高、低兩種頻率的聲波圖。

師：這兩個波形圖有什么不同呢？

生：音調高的波形更密集，音調低的波形更稀疏。

師：沒錯。高音調的波形更密集，頻率更高;低音調的波形較稀疏，頻率較低。

學生活動1：由之前獲得鋁片琴和八音盒的小組分享他們的發現并得出“振動的部分越長，音調越低”的結論。

學生活動2：由教師提供一組打亂了順序的水瓶琴，由學生上臺完成水瓶琴順序的正確擺放。值得注意的是，敲擊瓶身是引起瓶中水的振動而發聲，而吹瓶口則是瓶中空氣的振動而發聲。

設計意圖：音調是三個特性中最難理解的部分，把音調調整到音色和響度之后，結合3D虛擬實驗，可順利突破難點。在音調的學習中，不管是學生分享各種樂器的發聲規律，還是音調排序小游戲，都在活躍課堂氣氛的同時更進一步加深學生對音調的了解，使其真正實現學以致用。

6.讓古琴走進物理課堂，體味中國傳統文化

學生首先通過平板電腦分享自己在課前查找的古琴資料。接下來，由教師展示一張古琴，通過手機直播的方式，和學生們一起探索古琴的發聲原理。

教師小結：古琴距今已有三千多年歷史。2003年，中國古琴被選為世界非物質文化遺產，古琴曲《流水》更是在1977年被宇宙飛船送入外太空，這是我們中華民族的瑰寶！

最后，在教師彈奏的古琴曲《流水》中結束本節課的學習。

● 教學反思

①現代教學技術和傳統教學手段巧妙融合。本節課多次使用的虛擬實驗系統對重難點的突破起到了非常積極的作用。學生們可以很直觀地通過動態的波形圖發現波形的變化并總結規律。多次使用的平板電腦的交互功能可以快速收集學生提交的信息并展示在大屏幕共享，課堂節奏快、容量大。利用武漢教育云平臺的教學助手無縫切換教學PPT、視頻、手機直播等多種媒體資源，切換流暢、便捷。

②物理與音樂兩條主線一明一暗碰撞出別樣的火花。從物理概念的理解到歌曲創作中人聲的處理，從自主探究音調的影響因素到八音盒、鋁片琴演奏時音調變化的正確認識，從抽象的物理聲波的識別到了解古琴的演奏原理，本節課將動聽的音樂和優美的旋律融于豐富的物理知識中，實現了物理與藝術的深度融合。

③情感教育多角度滲透。選用原創戰“疫”歌曲，通過感恩教育讓學生們知恩，有感恩之心。同時，讓學生認識并了解了中國非物質文化遺產中最古老的彈撥樂器——古琴，增強學生的民族自尊心、自信心和自豪感，弘揚以愛國主義為核心的民族精神。