自制教具優化“聲音的強與弱”實驗

◇趙一凡（浙江：杭州市長壽橋小學）

教科版小學科學四年級上冊教材第一單元第5課《聲音的強與弱》中，有一個探究活動是有關聲音的強與弱實驗。教材設計的這個實驗總體而言是操作簡單、容易理解的，但在實際教學后卻發現受材料所限，振幅模糊不清；受學生身體力量所限，雜音干擾強烈；受制于教材框定，用力界限不清。通過自制聲學教具進行實驗優化，使振幅“清晰可見”、按壓“輕而易舉”、力度“精準可控”，以期提升實驗教學效果。

實驗內容：將一把鋼尺伸出桌面大約20 厘米，用一只手壓住鋼尺的一端，另外一只手撥動鋼尺的另一端。先輕輕撥動鋼尺，聽一聽鋼尺發出的聲音，并觀察鋼尺是怎樣振動的；再用力撥動鋼尺，鋼尺發出的聲音和它的振動幅度有什么變化。（見圖1）

圖1 教材實驗

一、實驗存在的弊端

（一）受材料所限，振幅模糊不清

工欲善其事必先利其器。一套好的實驗材料，能有效降低操作難度，提升實驗精度，從而更好地呈現知識與探究活動的內在邏輯，促進學生對科學概念和原理的深入理解。目前市面上與小學科學課程配套的實驗材料中，有一部分材料有較大的優化空間，比如我校原先采購的器材箱中的鋼尺是15 厘米的，長度極短。筆者帶領學生在對本實驗進行實際操作后發現，若鋼尺伸出桌面較短，撥動以后鋼尺振動的速度會非常快，沒一會兒便停止振動，學生用不同的力撥動鋼尺時，由于鋼尺前后兩次振動的速度都很快，且持續時間極短，學生幾乎看不出振幅大小的差別。尤其是少數學生在操作時，出現了前后兩次按壓力度差不多的情況，這就更難發現鋼尺振動幅度的變化了。鋼尺自身的弊端導致實驗現象不夠明顯，學生也因此得出錯誤的結論，繼而在研討環節中出現了極大的爭議，出于時間考慮，筆者只好稍作解釋便草草結束。

（二）受學生力量所限，雜音干擾強烈

結構優良的實驗材料，除了要呈現直觀的實驗現象，也要便于學生操作。要想清晰地聽到鋼尺振動的聲音，學生在操作時需將鋼尺緊緊按住，否則發出的一般都是鋼尺拍打桌子的聲音，而鋼尺自身的振動聲音則被完全掩蓋。四年級小學生上肢的力量有限，很難有效壓住鋼尺，雜音的產生難以避免，并且在撥動鋼尺的力度相差不大的情況下，鋼尺拍打桌子的音量聽起來也是差不多的。這就對實驗效果造成了極大的影響，學生根本無法聽出前后兩次聲音的差別，而他們通常意識不到這些問題。而且在實際操作時，由于教室嘈雜，教師也很難分辨出學生的操作是否規范，無法及時干預，即便在實驗前百般提醒，此種情況也難以避免。

（三）受教材規定所限，用力界限不清

新課改要求教師實現從“教教材”到“用教材教”的轉變，教師要形成超越教材的視野和精準育人的理念，不可受制于教材的框定。要結合教學內容特點和學生的能力發展水平，對教材進行多樣化解讀，并進行適當補充、修改、拓展和延伸。在本課的實驗中，要求學生先輕輕撥動鋼尺，再用力撥動鋼尺，觀察鋼尺聲音和振動幅度的變化。筆者認為，教材中所描述的“輕輕”與“用力”，界限不是很清晰，這讓學生在操作的時候不太好把握撥動力度，當實際操作時，“輕輕”與“用力”的差別不是特別大時，則又會受到前面兩個因素的干擾。

二、實驗的優化

聲音的強弱、高低是四年級學生在學習“聲音”這一單元時的難點，教師難教，學生難理解。因此，教師需對教材實驗進行改進優化，通過呈現結構化的探究材料，設計學生樂于操作、便于理解的活動，使教學從定性走向定量。筆者結合上述聲音單元的實驗弊端和自己的思考，自制了一個能體現聲音高低強弱的實驗教具（見圖2），期望通過該教具對教材實驗進行改進優化，促進學生對科學概念和原理的理解。

圖2 自制聲學教具

（一）焊接激光頭，振幅“清晰可見”

受限于材料自身的弊端及學生操作的不規范等因素，筆者思考：如何才能讓振幅從“看得見”走向“看得清”，從而使振幅變得可以測量？通過自制的聲學教具，就可以實現這個目標。在設計該教具時，筆者選擇的是長度為30 厘米的鋼尺，在鋼尺上端，配備了一個3V 點狀激光頭，可以持續穩定地發射光線。在電源的選擇上，筆者最初考慮的是干電池搭配干電池盒，但在安裝過程中發現，將電源固定在鋼尺上，其重量會影響鋼尺的振動，固定在木材上，則又需要提供更長的導線用于鋼尺的抽拉。在幾次改進迭代之后，最終選擇搭配3V 的紐扣電池及紐扣電池盒，用熱熔膠槍焊接在鋼尺上。相比于干電池，采用紐扣電池固定在鋼尺上，這樣的電路裝置更為輕便，不影響鋼尺的抽拉和振動。以不同大小的力撥動鋼尺時，刻度紙上會顯示光點往復運動的距離區間，即振幅大小（見圖3），如此一來，振幅情況一目了然。

圖3 刻度紙上的光點

（二）主體上開槽，按壓“輕而易舉”

為了讓學生在操作過程中更為省力，勢必要摒棄直接在課桌上按壓的操作方式，需將鋼尺固定在適當的物體中。為使教具更具推廣性，同時考慮造價成本，筆者認為將鋼尺固定在木材中進行操作不失為一個好辦法。在制作該教具的主體部分時，需要在木材合適的位置開槽以放置鋼尺，為使鋼尺能夠向下按到一定幅度，開槽位置需選在中間偏上，由于電路裝置的存在，槽的深度需小于30 厘米（鋼尺自身的長度）。最終，筆者在木材的上半部分向內開了一個25 厘米深的槽。除了深度，槽的縱向厚度也需嚴格控制，太寬會壓不緊鋼尺，導致撥動鋼尺時會產生擊打木頭的聲音，而太窄又會使得鋼尺的抽拉不夠靈活。在多次切割和測試后發現，最佳厚度為1 毫米，既能夠讓鋼尺在其中靈活地抽拉，按壓木頭時，也能夠把鋼尺壓緊。學生在使用該教具時，只需輕輕按壓木頭，便可消除雜音，此時便不再有鋼尺振動聲以外的聲音。

（三）增加刻度板，力度“精準可控”

為解決教材實驗的弊端，分清“輕輕”與“用力”的界限，筆者在教具的側面配備了一塊帶有刻度的木板（見圖4），可以作為參照，讓學生精準控制自己撥動鋼尺的力度。在授課時，教師可以事先做好規定，“輕輕”按就是把鋼尺按到第一個刻度，“用力”按就是把鋼尺按到最后一個刻度，精準可控的操作過程讓教師能夠更好地引導學生自主參與探究活動，有效降低了實驗難度，同時提升了實驗的精確性。

圖4 有刻度的木板

此外，該教具在第6課《聲音的高與低》中也可應用，側面木板的刻度可以作為參照，使每一次按壓的力度保持不變。學生可以小組合作，改變鋼尺伸出桌面的長度，比如分別為14厘米、12 厘米、10 厘米、8 厘米等，然后使用具有“慢動作”拍攝功能的手機，拍下鋼尺的振動過程，數出一定時間內鋼尺振動的次數，使得振動的快慢像振動幅度一樣可以測量。以華為手機的“慢動作”拍攝為例，其拍攝持續時間為7 秒，教師可以根據不同手機的功能差異，自由決定拍攝持續時間，但要控制4種情況下的拍攝持續時間一致。

三、教學效果

在使用該教具進行實驗時，學生對于撥動鋼尺的力度把控得非常精確，在操作過程中最大限度地避免了其他聲音對鋼尺振動聲音的干擾，能夠清晰地感受到鋼尺聲音強弱的變化。除此之外，在觀察鋼尺的振幅情況時，學生只需觀察刻度紙上的光點。光點的往復運動呈現出來的是一條直線，學生一眼就能看出，鋼尺振動幅度越大，聲音越強，反之，鋼尺振動幅度越小，聲音越弱（見圖5）。鋼尺振動時的振幅從原本的“看得見”成功走向“看得清”，實驗效果顯著提升。

圖5 實驗效果

教材中有關聲音高低強弱的實驗屬于定性實驗，定性教學只是關注認知的表象。筆者自制的聲學教具，可進行定量教學，讓振幅、振動的快慢可以測量，幫助學生追尋概念形成的本質，指向知其然且知其所以然的目標。教師精心思考，設計學生樂于操作、便于理解的活動，精心優化實驗設計，使教學從定性走向定量，有助于攻破聲音單元的教學難點。