“用尺子研究聲音的變化”實驗教具的改進

◇張洪順（山東：陽信縣溫店鎮中心小學）

2022年版《義務教育科學課程標準》指出，科學是人類在研究自然現象、發現自然規律的基礎上形成的知識系統，以及獲得這些知識系統的認識過程和在此過程中所利用的方法。科學是一門體現科學本質的綜合性基礎課程，具有實踐性。為此，科學課安排了大量的科學實驗，需要大量的實驗器材和藥品。而在當前，實驗器材不足或個別器材實驗效果不好的現象時有發生，致使小學科學課堂教學效果不理想。為此，很多教師自制科學教具、學具。作為一名有著三十年教齡的小學科學教師，我也制作過許多科學教具、學具，應用于自己的教學，現對“用尺子研究聲音的變化”實驗教具的改進與運用進行介紹。

一、發現問題

（一）課標要求

教育科學出版社的科學教材（2020年6月第一版）四年級上冊，第一單元是“聲音”，其中第5、6課分別是《聲音的強與弱》《聲音的高與低》，課標對這兩課的內容要求是：知道聲音有高低和強弱之分，聲音高低和強弱的變化是由于振動的變化引起的；制作能產生不同高低、強弱聲音的簡易裝置。學業要求是：能解釋聲音產生與物體振動的關系，以及聲音高低、強弱的改變與振動變化的關系。

（二）教科書上的實驗做法

第5課《聲音的強與弱》第一個探索實驗，教科書上是這樣要求的：將一把鋼尺(或塑料尺)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。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，觀察鋼尺發出的聲音和它的振動幅度有什么變化。

第6課《聲音的高與低》第三個探索實驗，教科書上是這樣要求的：分別將一把鋼尺(或塑料尺)的一部分伸出桌面大約5~6厘米、10~11厘米、15~16厘米、20~21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，聽聽鋼尺發出的聲音，并觀察鋼尺振動快慢，填寫音高變化柱形圖，研討聲音高低與物體振動之間的關系。

（三）實驗時存在的問題

學生在分組做這兩個實驗時，主要存在以下三個方面的問題：

實驗時，尺子振動產生聲音的同時，還有一些其他的噪聲。學生在做這兩個實驗時，尺子振動發出聲音的同時，有的小組還聽到“啪”“啪”的聲音，并且這種“啪”“啪”的聲音比尺子振動發出的聲音還要強。這樣就干擾了學生對聲音強與弱、高與低的分析，影響了實驗效果。

學生觀看尺子的振幅變化不明顯。在做《聲音的強與弱》第一個探索實驗中，學生在觀察尺子振幅的變化時，有的感覺不到振幅的明顯變化。

學生實驗時用的時間較多。看上去實驗比較簡單，學生輪流做每個實驗時，用的時間卻比較長，影響了教學的進度。

（四）問題分析

通過多次觀察學生的實驗操作過程，我發現了實驗存在問題的原因。

實驗時尺子振動產生聲音的同時，還有一些其他噪聲的原因。這主要是由學生實驗操作不標準引起的，兩種不標準的操作都會引起這種情況：一是在桌面上按壓尺子一端時，手的位置偏后，手離桌子邊緣還有一段距離，學生另外一只手撥動尺子的另一端時，尺子振動彈起后敲擊桌面，發出“啪”“啪”的響聲，并且聲音比較大，導致無法聽到尺子振動發出的聲音；二是學生在桌子上按壓尺子時用力不足，另外一只手撥動尺子的另一端時，尺子振動仍然能夠彈起后敲擊桌面，雖然發出“啪”“啪”的響聲比較小，卻還是干擾了學生對尺子振動發出聲音的傾聽。

學生觀看尺子的振幅變化不明顯的原因。尺子伸出桌面，從學生的角度來看，其振幅的大小不易觀察。

學生實驗時用的時間較多的原因。雖然從教師的角度看，這兩個實驗都比較簡單，但是對學生來說，操作起來并不容易，所以耽誤了很多時間。

二、改進教具

（一）需要解決的問題

根據“用尺子研究聲音變化”實驗存在的問題，制作一種相應的教具，要做到以下幾點。

固定尺子。必須想辦法將尺子固定在一個地方，振動時不能彈起敲打桌面，產生其他噪聲。

便于觀察。從學生的角度能清晰地看到振幅大小、振動快慢的變化。

節省時間。要讓學生做這兩個實驗時，都比較容易，省時省力。

（二）問題解決方案

經過多方面的思考，我設計了以下解決方案：

夾住尺子。用兩個比較硬的物體將尺子緊緊夾住，保證撥動尺子時，尺子只能振動，不產生其他噪聲。

在桌面上操作。把實驗器材放在桌面上進行實驗，便于學生觀察尺子振幅大小、振動快慢的變化。

操作簡單。準備好實驗器材后，學生只要用手撥動就能完成實驗。

（三）改進教具

1.制作過程

我找了一個比較大的木塊，在其中部挖了一個淺槽，能放上學生的塑料尺（淺槽深度要小于塑料尺的厚度），在木塊的一端用一個螺絲固定。然后找一個大小合適的木板，將木板一端鉆一個小孔，把木板蓋在木塊上，木塊上的螺絲要剛好穿過木板上的小孔，另一端用釘子將木板和木塊固定在一起。在穿過木板的螺絲上面安裝一個學生能用手擰動的大螺母。這樣，“用尺子研究聲音的變化”實驗教具就做成了。我還給它起了個名字，叫“用塑料尺探索聲音的變化研究裝置”。把塑料尺插入木塊的淺槽，擰緊螺母，把塑料尺緊緊夾在木板和木塊之間，放松螺母可以方便地推拉塑料尺，調整塑料尺伸出的長度。

2.注意事項

制作這個教具時，一定要保證木塊上淺槽深度小于塑料尺的厚度，否則不僅不能將塑料尺夾緊，在實驗時還會出現塑料尺敲擊木塊產生噪聲的現象。如果不做這個淺槽，則不能很好地固定塑料尺的方向，在實驗時會使塑料尺發生傾斜。

三、進行實驗

在教學時，我讓學生用這個教具進行了實驗。

做《聲音的強與弱》第一個探索實驗。將器材放在桌面上，學生將大螺母放松，將一把塑料尺插入木塊的淺槽，伸出20厘米，將螺母擰緊，把塑料尺緊緊夾在木板和木塊之間，用一只手拿著木塊，另外一只手撥動塑料尺的另一端。先輕輕撥動塑料尺，聽一聽塑料尺發出的聲音，并觀察塑料尺是怎樣振動的；再用力撥動塑料尺，聽一聽塑料尺發出的聲音，并觀察塑料尺是怎樣振動的。學生只用了十幾秒就完成了這個實驗，小組的四個學生都做了一次這個實驗，用時還不到一分鐘。

做《聲音的高與低》第三個探索實驗。將器材放在桌面上，學生將大螺母放松，將一把塑料尺插入木塊的淺槽，伸出5厘米，將螺母擰緊，把塑料尺緊緊夾在木板和木塊之間，用一只手拿著木塊，另外一只手撥動塑料尺的另一端，聽聽塑料尺發出的聲音，并觀察塑料尺振動快慢，填寫音高變化柱形圖。然后將塑料尺伸出長度分別調整為10厘米、15厘米、20厘米，進行相同的操作。本組所有學生都做了一次，用時2分多鐘。

實驗效果分析。通過實驗我們發現，用這個教具完美地解決了學生原來做“用尺子研究聲音變化”實驗存在的所有問題：一是把這個教具放在桌面上進行實驗，從周圍學生的角度更加容易觀察振動快慢和振幅大小的變化。特別是在觀察振幅大小時，因為有桌面這個參照物，通過觀察塑料尺末端和桌面的距離，更容易感知振幅的大小。二是擰緊螺母后，不必再用一只手去按壓塑料尺，只要撥動塑料尺就行，操作簡單還省時間。三是塑料尺被緊緊夾在木板和木塊之間，不會出現敲擊木板或木塊而產生其他聲音的現象。總體感覺，用這個教具研究聲音的變化，操作方便，節省時間，效果明顯。

四、后期思考

（一）教具制作成本思考

所有實驗器材的使用，我們都要考慮制作成本。我制作的“用塑料尺探索聲音的變化研究裝置”，它的制作成本是比較低的。所需要的材料只有五種：一個木塊、一個木板、兩個釘子、一個雙頭螺絲（一頭是帶尖的木螺絲，比較容易固定在木塊上，一頭是能安裝螺母的普通螺絲，用于安裝大螺母）、一個和螺絲配套的大螺母。木板、木塊和釘子，學校的木工綜合實踐活動教室很多，可就地取材。雙頭螺絲和配套的大螺母在淘寶上的報價大約0.9元。至于教具的制作，因為比較簡單，我只制作了兩個，其他的由學生在木工綜合實踐活動教室自己制作。這樣不僅節約了教具制作的人工成本，還鍛煉了學生動手制作能力。

（二）教具批量制作思考

本人認為，因為教具“用塑料尺探索聲音的變化研究裝置”使用效果確實不錯，是可以批量制作推廣使用的。如果批量制作，就可以不用木板、木塊、釘子、雙頭螺絲，可通過模具，用塑料制作，一次成型，成本還會更低。

（三）教具與現代教育技術相融合的思考。

教具“用塑料尺探索聲音的變化研究裝置”使用效果雖然挺好，但在使用過程中，學生觀察到的現象畢竟是感性的，只能通過比較來分辨聲音的高低強弱，沒有更準確的數據記錄與分析。有的學生對于聲音高低強弱的感知不太敏銳。此外，還有部分聽力有障礙的學生，這些學生在使用教具“用塑料尺探索聲音的變化研究裝置”時，學習效果就不太好。對于這個問題，筆者也一直在思索探究，近期終于想到了一個辦法，那就是與現代教育技術相融合。其實現實生活中有很多測試聲音高低的儀器，打開一測就知道發出的聲音有多少赫茲。生活中也有很多測試聲音強弱的設備，一測就知道聲音的強弱是多少分貝。這樣，在實驗時，是不是只要用儀器測一下聲音的高低強弱就行了呢？其實并不容易，主要是因為這些專用儀器成本比較高，在教學中使用率又比較低，從投入與產出方面來說，并不實惠。怎樣解決“用塑料尺探索聲音的變化研究裝置”在使用中與現代教育技術相融合，而使用成本比較低的問題，就擺在了筆者面前。筆者經過多方查找，找到了一種能安裝在手機上測試聲音高低強弱的APP。可以找一些舊手機（當然新的更好），安裝這種APP，將手機放在教具的一個固定位置，在實驗時，就能測試聲音高低強弱的具體數值了。實驗完成后將手機取走就行，不必增加額外的成本。

以上就是我對“用尺子研究聲音的變化”實驗教具的改進與運用的介紹。