科學結論不能建立在錯誤的實驗現象基礎上

尹傲 王敏媛 劉水河

《義務教育科學課程標準》指出，教師應指導學生通過觀察和實驗，探究聲音的產生和傳播、聲音的高低與強弱，了解聲音的高低、強弱與物體振動的關系。在使用教科版小學科學教材對“聲音”單元進行教學時，發現“鋼尺振動發聲”實驗的理論建設存在問題：學生在實驗時，能觀察到鋼尺振動，但聽見的聲音并不是由觀察到的鋼尺振動產生的。用“鋼尺振動發聲”實驗探究聲音是由鋼尺振動產生的一系列實驗，是建立在“錯誤的實驗現象”基礎之上的。鑒于此，提出基于實驗器材和操作方法兩方面的改進與創新，力求構建現象清晰、操作嚴謹的科學實驗設計。

小學科學課程是一門實踐性課程。實驗探究活動是學生學習科學的重要方式，能夠使學生初步了解與之認知水平相適應的基本科學知識。教師在使用教科版小學科學教材進行教學實踐中獲得豐富經驗，同時也發現教材存在部分科學實驗的理論與現象不相符的情況，阻礙學生的思維發展與科學概念的建構，具有改進與創新的必要性。本研究以教材中的“鋼尺振動發聲”實驗為例，結合日常教學中的實際情況，對教材中與之相關的實驗進行實踐研究與反思。在此基礎上，以學生為出發點，圍繞實驗探究目標對實驗進行改進與創新，從而解決這部分知識教學的難點，提高課堂教學效果，滿足學生實際探究活動的需要。

一、教材中的“鋼尺振動發聲”實驗分析

在教科版小學科學教材四年級上冊“聲音”單元中，《聲音是怎樣產生的》《聲音的強與弱》和《聲音的高與低》三課中都有“鋼尺振動發聲”相關的實驗。

第二課《聲音是怎樣產生的》中的實驗：把鋼尺壓在桌面，讓其一端伸出桌面。輕輕撥動鋼尺，讓鋼尺發出聲音。用手輕輕觸摸還在發聲的鋼尺，感受鋼尺的振動。用手捏住鋼尺伸出桌面的部分讓其振動停止，發現聲音同時也停止了。教材意圖通過學生看到尺子振動的同時聽到聲音，尺子停止振動的同時聲音消失，讓學生初步建立“聲音是由于物體振動而產生的”科學概念。第五課《聲音的強與弱》的實驗：將鋼尺的一部分伸出桌面大約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。保持伸出桌面部分的長度不變，用大小不同的力撥動，學生通過觀察鋼尺發出的聲音和鋼尺振動幅度的變化，建立振幅與音量的關系。第六課《聲音的高與低》的實驗：改變鋼尺伸出桌面的長度，學生通過觀察鋼尺發出的聲音和振動快慢（頻率）的變化，建立振動快慢與音高的關系。

從實驗操作的角度思考：三個實驗中設計了“用書壓住尺子”和“直接用手指壓住尺子”兩種壓住尺子的方法。在實踐研究中發現，用這兩種壓住尺子的方法進行實驗存在三種聲源：1.觀察到的鋼尺振動產生的聲音;2.鋼尺振動時碰撞桌面產生的聲音;3.手指撥動鋼尺時，手指與鋼尺摩擦產生的聲音。實驗中的主要研究對象“觀察到的尺子振動產生的聲音”極易受到后兩種聲音的干擾，尤其是第二種聲音。這就給學生的學習帶來困擾，難以得出科學結論。所以這部分內容的學習經常成為教學難點。

從實驗研究主體的角度思考：這三個探究聲音的實驗，學生觀察的“振動”應以“撥動鋼尺后，觀察到的尺子振動”為研究對象，聽到的“聲音”也應以“觀察到的尺子振動產生的聲音”為研究對象。然而在教學實踐中發現：學生能觀察到尺子振動，但聽見的聲音并不是由看到的尺子振動產生的，并且存在其他不明確的干擾聲音。在學生剛從科學的角度開始認知“聲音是由物體振動產生的”科學概念時，就選擇讓學生研究對相關知識的學習容易引起誤導的實驗，有悖于循序漸進的學習原則，也超出了小學生的思維理解水平，因此是不合適的。

從實驗設計的角度思考：在探究鋼尺發出的聲音高低與振動快慢的關系實驗中，當鋼尺伸出桌面部分短時，撥動鋼尺后的振動頻率高，持續時間短，學生無法直接觀察到鋼尺振動快慢。當鋼尺伸出桌面部分長時，撥動鋼尺后的振動頻率低，延續時間長，宜于學生觀察。由于受到視覺停留效應的影響，學生容易得出“鋼尺露出桌面部分長時振動得快”的錯誤結論，從而影響到整堂課教學目標的順利實現。

二、“鋼尺振動發聲”實驗的頻率研究

為研究鋼尺振動發聲實驗中“聽到的聲音是否為觀察到的鋼尺振動發出來的”這一科學問題，首先通過手機拍攝慢倍速視頻的方式來探究觀察到的鋼尺的振動頻率。準備不同規格的鋼尺，一部華為P40pro手機。利用華為手機的256倍慢動作拍攝記錄鋼尺振動發聲的全過程。鋼尺在振動過程中，可近似看成簡諧振動。通過視頻回放，記錄鋼尺在偏離平衡位置最高處的起始時間t1和振動一次后重新回到最高處的時間t2，可得出鋼尺完成一次完整振動的時間為（t2-t1）。根據物體振動的頻率（f）與其周期關系滿足f=256/（t2-t1），可計算得出鋼尺振動的頻率。重復三次實驗，所得數據如表1所示。

將長15.5厘米、寬1.9厘米的不銹鋼尺，伸出桌面部分15厘米，256倍慢動作拍攝鋼尺振動過程。鋼尺在偏離平衡位置最高處的起始時間為第6秒，重新回到最高處的時間為第21秒。根據公式計算得出鋼尺振動頻率f約為17赫茲（Hz）。由于人耳能聽到的聲音頻率范圍在20?Hz?～20000?Hz。在這種情況下，人耳聽不到鋼尺振動發出的聲音。

按照同樣的方法，將長50厘米、寬2.8厘米的不銹鋼尺，伸出桌面部分15厘米，鋼尺在偏離平衡位置最高處的起始時間為第4秒，重新回到最高處的時間為第14秒。計算得出鋼尺振動頻率f為26?Hz。這時尺子振動發出的聲音近于人耳聽到聲音的極限頻段，通常情況下感知不到這種頻率的聲音。調整鋼尺伸出桌面部分為20厘米，記錄鋼尺在偏離平衡位置最高處的起始時間為第5秒，重新回到最高處的時間為第22秒。此時的鋼尺振動頻率f約為15?Hz。這種情況下，人耳無法聽到鋼尺振動發出的聲音。

分析上述實驗結果可知：在教材設計的常規實驗操作下，觀察到的鋼尺振動頻率低于或處于人耳能聽到的聲音頻率范圍極限，人耳幾乎聽不見。

那么，鋼尺振動發聲實驗中聽到的聲音來源于哪里？本研究借助手機軟件商店免費的音頻探測軟件Oscilloscope檢測出聲音的頻率與波形。通過辨識不同聲音的波形特征從而判斷出鋼尺振動發聲的聲源。

Oscilloscope是一款聲音示波器軟件，它能靈敏地捕捉手機周圍發出的聲音，將聲波可視化成波形，同時屏幕左下角的數字顯示出聲音的頻率。按照上述同樣的實驗操作方法，結合Oscilloscope軟件，重復三次以上實驗后檢測出手指撥動鋼尺時產生的聲音的振動頻率和波形，以及鋼尺敲擊桌面時產生的聲音的振動頻率和波形。手指撥動鋼尺松開的一瞬間，鋼尺與手指摩擦的聲音頻率范圍在102.8?Hz?～2838.8?Hz，處于人耳能聽見聲音的范圍內。鋼尺振動敲擊桌面產生的聲音頻率在62.0?Hz?～1998.2?Hz，完全覆蓋人耳能聽見的聲音范圍。

通過觀察Oscilloscope屏幕顯示的波形可知，鋼尺振動發聲并不是某一單一頻率，而是存在多種聲音的復合頻率。由于Oscilloscope軟件捕捉周圍聲音的高靈敏度，實驗過程中無法避免周圍噪聲信號的干擾，因此屏幕顯示的波形也存在周圍噪聲的波形。

通過上述所有的實驗分析可得：“鋼尺振動發聲”實驗中，鋼尺振動本身產生的是學生無法聽見的次聲波，或很難辨別的低頻聲波。學生能夠聽見的聲音是由“手指與鋼尺摩擦”和“鋼尺振動與桌面碰撞”產生的。因此，通過“鋼尺振動發聲”實驗建構的“聲音是由鋼尺振動產生的”“物體振動越慢，產生的聲音越低”等概念，是建立在錯誤的實驗現象基礎上的。

三、“振動發聲”實驗的改進方案

鑒于鋼尺振動發聲實驗存在的諸多問題，筆者結合教學實踐，借助轉換放大法對振動發聲實驗進行了創新與改進。

音叉是一種振動發聲器材，能夠發出人耳頻段范圍內單一頻率的聲音。利用音叉結合激光筆，將不容易看到的音叉振動現象，轉換成清晰可見的振動波形。實驗器材如圖1所示。將音叉和激光筆固定在一塊木板上，音叉的一端粘貼反光鏡，激光筆照射在鏡面上的光能反射到墻上，形成光斑。將上述實驗設備安裝在三腳架上，使之整體能自由轉動。敲擊音叉，原本很難直接觀察到的音叉振動，通過光的反射，轉換成光斑在墻上的大幅度振動，形成一條“線段”。轉動三腳架的手柄，使實驗裝置轉動，墻上就會出現一段連續的“振動波形”。如此，便可將音叉微弱的振動可視化，利于學生建立“聲音是由物體振動產生的”科學概念。這一實驗設計可以讓學生在聽到聲音的同時觀察音叉的振動情況，便于學生探究聲音是怎樣產生的，徹底解決了非主要因素對學生探究過程的干擾，為學生的實驗探究提供保障。

學生在探究第五課《聲音的強與弱》實驗中，也可以使用上述實驗裝置進行教學，實驗結果如圖1所示。用力敲擊音叉，音叉的聲音強，振動波形的幅度大。隨著音叉的聲音減弱，音叉的振動波形幅度減小，從而順利地建構“聲音強弱與振動幅度有關”的科學概念。在此過程中，音叉的波數始終保持不變，證明聲音強弱與振動頻率無關。通過改進實驗的材料與操作方法，排除了次要因素“快慢”的干擾，只剩下強弱與振幅的關系，實驗的可觀察性增強，學生能夠將更多的精力投入科學探究的過程中，提高了科學實驗效率。

第六課《聲音的高與低》中的核心實驗是鋼尺振動發聲實驗，也是讓學生探究音高與振動頻率關系的唯一實驗。一個音叉的振動波形雖能反映聲音強弱與振動幅度的關系，但仍無法反映聲音高低與振動頻率的關系。進一步改進實驗裝置如圖2所示：將兩個音叉固定在木板上，讓兩個音叉近乎同時發聲，轉動三腳架上的實驗裝置，通過觀察光斑的運動間接判斷音叉的振動情況。實驗結果如圖2所示：小音叉振動的波形密，振動的頻率快，聲音高。大音叉振動的波形疏，振動的頻率慢，聲音低。學生能直觀地感受到聲音的高低是由物體振動的頻率決定的，從而建立“振動頻率越快的物體，發出的聲音越高”的科學概念。實驗器材和實驗操作方法兩方面的改進與創新，真實地反映物體振動的頻率與聲音高低的關系。同時，實驗的改進也擴展了學生思維的深度，培養了學生觀察與推理的能力。

四、結論與反思

教學實踐證明，實驗的質量直接影響到課堂教學目標的順利實現，進而影響學生探究科學的積極性和科學概念的建構。本文通過定量的數據有力地證明了“鋼尺振動發聲”實驗中聽見的聲音是由“手指與鋼尺摩擦”和“鋼尺振動與桌面碰撞”產生的，而觀察到的鋼尺振動產生的聲音人耳聽不見。鑒于此，提出教科版小學科學教材中的“鋼尺振動發聲”實驗設計不夠嚴謹，易誤導學生將正確的科學結論建立在錯誤的實驗現象基礎之上。

為解決上述的關鍵性問題，提出的可行性改進方案通過借助音叉、三腳架、反光鏡、激光筆等材料，將原本不明顯的音叉振動發聲現象進行可視化放大，讓學生在聽到聲音的同時能夠看到音叉的振動情況。這樣，有利于學生建立“聲音與物體振動之間的關系”“音量與物體振幅的關系”和“音高與物體振動頻率的關系”等科學概念，減少實驗中不良因素給教學帶來的影響，提高科學實驗的科學性和嚴謹性，為學生科學思維的發展奠定良好基礎。

【本文系基金項目：深圳市福田區教育科學規劃項目（FTJY3015）、深圳市福田區教育科學規劃項目（FTJY16060）、2021年度深圳市福田區教育科學“十四五”規劃課題研究成果（FTJYYB2021098）】