探究影響聲音強弱變化的原因

□ 主講人：徐敬洪

教學背景

《義務教育科學課程標準（2022年版）》要求，小學3～4年級學生應知道聲音有高低和強弱之分，能解釋聲音的產生與物體振動的關系，以及聲音高低、強弱的改變與振動幅度變化的關系。

在傳統的教學中，學生往往是通過敲擊音叉進行實驗，從而探究影響聲音強弱變化的原因。敲擊音叉時，音叉振動并發出聲音，從而說明聲音是通過振動產生的。用不同的力度敲擊音叉，音叉振動幅度越大，發出的聲音越大，從而說明聲音的強弱變化與物體的振動幅度有關。傳統實驗雖然能比較好地呈現音叉的振動幅度，但是無法對聲音的強弱進行量化，我們只能通過感官主觀地判斷聲音的強弱，使得實驗結果缺乏數據，不夠客觀。

在本次案例中，我們將借助行空板、模擬聲級計等開源硬件對聲音的強弱進行量化，把實驗結果更加直觀、客觀地呈現給學生，使學生更加清晰地理解聲音強弱變化和物體振動幅度之間的關系。

教學目標

科學觀念：通過觀察和跨學科實驗，知道物體振動幅度的變化能引起聲音強弱的變化。

科學思維：能在教師指導下，以“敲擊越用力，振動幅度越大，聲音分貝值越高”為證據，說明聲音強弱的變化與物體振動幅度的關系。

探究實踐：能夠利用多種感官以及跨學科的工具，如模擬聲級計等，描述聲音強弱的變化。

態度責任：具有敢于探究身邊事物特性的勇氣，提高探究科學的濃厚興趣。

教學重點與難點

教學重點：知道物體振動幅度的變化能引起聲音強弱的變化。

教學難點：能說明聲音強弱的變化與物體振動幅度的關系。

教學準備

一、材料準備

行空板1塊、模擬聲級計1個、音叉一套、杜邦線若干。

二、制作實驗裝置

本實驗裝置的制作比較簡單，學生可利用杜邦線將模擬聲級計連接到行空板上。為了避免實驗過程中產生其他變量，需要把模擬聲級計固定在音叉上，并且在實驗過程中保持位置不變。實驗裝置搭建如圖1所示。

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圖1

三、編寫硬件程序

程序界面設計如圖2所示，行空板的程序主要用于記錄音叉振動后聲音的分貝大小，通過聲音的分貝大小反映聲音的強弱。由于音叉被敲擊后，振動產生的聲音是動態變化的，為了更加準確地記錄音叉振動產生的聲音數據，我們點擊“開始測試”按鈕后，程序將持續記錄聲音的分貝值，直到“結束測試”按鈕被按下。當學生結束測試后，程序會自動提取測試期間的最大分貝值，作為該次測試的最終分貝值。完整程序如圖3所示。

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圖3

教學過程

一、情境導入

教師播放生活中有關聲音的視頻，如鳥叫聲、火車行駛聲、汽車鳴笛聲、學生讀書聲等，讓學生認真聆聽這些聲音，并進一步引導學生說出自己身邊其他常見的聲音，體會聲音在日常生活中的無處不在。

教師提出問題：這些聲音是怎么產生的？這些聲音之間有什么不一樣的地方？

學生分小組進行討論并由代表進行回答。

教師小結：通過剛才的討論，我們知道這些聲音既有“嘰嘰喳喳”，也有“轟轟轟”，不同人說話的聲音也不一樣，而這種聲音表現出來的差異我們稱作“音色”。除此之外，我們聽到的這些聲音還有“大小”的不同，我們把聲音的“大小”稱為聲音的“強弱”。

二、實驗探究

1.教師講解實驗裝置的使用方法

教師示范正確連接裝置的操作后，需要向學生強調的是模擬聲級計的位置不僅要固定好，且實驗過程中不能發生變動，避免模擬聲級計的位置發生變化而產生其他影響實驗結果的變量。

實驗開始后，教師點擊“記錄環境分貝”按鈕，記錄當前環境的聲音分貝值，以此作為空白對照組數據。接著點擊“開始測試”按鈕后，程序便會不斷地記錄環境的分貝值。教師開始敲擊音叉，學生就可以觀察到音叉的振動。等待音叉發出的聲音完全消失后，師生再次觀察音叉，會發現音叉振動也隨之消失，此時點擊“結束測試”按鈕，程序自動顯示測試過程中記錄到的最大聲音分貝值。

教師繼續試驗，并不斷改變敲擊音叉力度的大小，學生通過反復觀察，并結合音叉的振動情況與實驗中所聽到的聲音大小，以及記錄到的準確的聲音分貝值，就能總結并分析得到實驗結論。

2.學生自主探究實驗

學生以小組為單位，結合教師的示范操作與提示，展開實驗。在本實驗中，教師要引導學生做好小組的分工，明確實驗操作員、實驗記錄員等不同人員的職責。由于敲擊音叉的力度是主觀的，每組學生可以自行定義敲擊力度為“較輕”“中等”“較大”三種，將每種敲擊力度產生的振動幅度和聲音分貝值記錄下來。除此之外，音叉的振動幅度同樣無法量化，學生需要認真觀察，準確用語言來描述和記錄。教師可以提前引導學生定義能準確區分振動幅度的形容詞，分別為“較大”“一般”“較小”三種。

環境中的聲音容易對實驗結果產生影響，因此教師需要要求學生在實驗過程中保持絕對的安靜，小組之間也應該拉開一定的間隔，防止不同小組在實驗探究過程中互相產生干擾。最后，學生填寫如下實驗記錄表格。

實驗記錄表

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三、分享總結

學生以小組為單位在課堂上分享實驗數據及小組實驗結論。分享過程中，教師應引導學生正確描述實驗過程中敲擊音叉力度的變化、音叉振動幅度的變化、聲音分貝值的變化，并讓學生結合所學知識和實驗數據，初步分析物體的振動幅度變化與聲音強弱變化之間的關系。

學生通過實驗發現，當敲擊音叉的力度越大，音叉振動的幅度就越大，產生的聲音分貝值也越大。由此說明，當物體的振動幅度發生變化后，聲音的強弱也會發生變化，振動幅度越大，聲音的分貝值也越大，反之，聲音的分貝值越小。即物體的振動幅度由大變小，所產生的聲音則由強變弱，反之，則聲音由弱變強。

教學反思

本案例圍繞“生活中的聲音”這一情境展開，教師通過創設情境，引導學生了解聲音的“音色”“強弱”等概念，讓學生對聲音的特性有了初步的認識。之后，教師進一步引導學生開展實驗，探究影響聲音強弱變化的原因。

本案例是一個以音叉為主要實驗器材的經典探究實驗。為了解決傳統實驗過程中聲音無法量化的問題，我們借助了一些開源硬件，在一定程度上把傳統實驗數字化，讓實驗結果更直觀。

在實際開展教學的過程中，實驗的操作難點主要是如何控制環境的聲音、如何正確描述敲擊音叉力度的變化以及音叉振動幅度。因此，在課堂探究實驗過程中，教師必須要求學生做到絕對的安靜，維持班級的紀律，控制學生小組之間的距離，最大限度地減少環境對實驗結果的干擾。在實驗開始以及總結階段，教師應指導學生正確描述敲擊音叉的力度以及音叉的振動幅度。