核心素养视域下“探究音调的影响因素”教学研究*

张 旺 汪志荣

(安徽师范大学物理与电子信息学院 安徽 芜湖 241000)

《义务教育物理课程标准(2011年版)》规定“课程内容包括两大组成部分，即科学探究和科学内容”[1].科学探究既是重要的课程内容，又是主要的教学方式，应受到物理教师足够的重视.科学探究教学是培养学生物理学科核心素养的重要途径，研究物理核心素养导向的教学是体现物理课程价值的必由之路[2].

探究影响音调的因素是认识声音特性的教学重点和难点.在传统课堂教学中，通常采用拨动尺子，让学生听声音，观察尺子振动.这种教学方法虽然易于操作，灵活性很强，但尺子振动很快且振幅迅速衰减，也难以观察其振动周期和频率等特性[3]；同时，由于实验过于简单，只能大致得出定性的结论，不仅难以达成探究教学的综合目标，也很难激发学生的探究兴趣.鉴于此，通过仿制中国古代传统乐器编钟，自制一组由合金管组成的探究影响音调因素的乐器“编钟”，探讨在核心素养视域下探究音调的影响因素教学活动.

1 自制教具及实验原理

编钟是中国古代大型传统乐器.中国青铜乐钟是以瓦片对合状腔体结构为主要特征、有固定音高、可以演奏旋律的青铜钟类乐器，通常分为三大钟型：甬钟、纽钟和镈[4].编钟是由青铜铸成的大小不同的扁圆钟组成，这些扁圆钟按照音调高低的次序依次排列起来，悬挂在一个巨大钟架上，用木锤分别敲打编钟会发出不同音调的声音，按照乐谱敲打，可以演奏出美妙的音乐.

用编钟演奏时，由于钟体的形状和大小不同，敲击不同的编钟，发声相异，其钟体越小，音调越高，音量越小；钟体越大，音调越低，音量越大.

为了激发学生的学习兴趣，积极参与课堂探究，同时也为提高实验的直观性和准确性，基于编钟的形制和发声原理，设计并制作了一组探究音调高低性质的合金管“编钟”乐器，可称之为音调探究仪，如图1所示.

图1 音调探究仪实验组合

该演示仪主要由8根长短不一的合金管构成.这组合金管内外径分别为1.35 cm和1.59 cm，测出它们的长度，并且根据长度进行编号依次为1～8号.用细绳分别将它们按照由短到长的顺序依次竖直的吊在一组木架上，用小木棍敲击不同的管子，会发出不同的声音，音调的变化能够很清楚地辨别出来，依次敲击发声，能产生八度音，形成一个完整的声音倍频单位，如表1所示.音调探究仪取材于生活中常见物品合金管，结构简单，而且具有很强的可操作性.

表1 合金管长度、振动频率及其对应的八度音名称

利用DIS系统开展探究活动，可以更好地将实验现象转化为物理图像，在电脑显示屏上直观地看到声音的波形，可以比较不同音调的声音，其声源振动频率的差异性[3].并且运用DIS实验系统开展实验，使得实验数据采集更加方便，数据分析结果能够可视化.只要将声波传感器和数据采集器与计算机相连接，如图1所示，即可用于显示出声波的波形图和频率值.

将音调探究仪放置在水平桌面上，敲击不同的管子，会发出不同音调的声音，此时声波传感器将采集发声体的声音信息，经与电脑端相连接的数据采集器传送，在电脑显示屏上会直接显示出声波的波形图和频率值，如图2所示.其中，波形图的纵坐标表示振幅，横坐标表示时间，由于频率与周期成反比关系，所以波形图的疏密程度反映了声音的频率大小，波形越密，频率越大，波形越疏，频率越小.

图2 计算机显示声波波形图

2 自制教具在音调探究活动中的应用

运用这套音调探究仪和DIS实验系统的组合，可以定性和定量探究音调与频率的关系.

2.1 定性探究实验设计

定性探究合金管的长度对于声音的音调及其振动频率的影响，可以分别敲击1号和8号管子，即最短和最长的管子，首先引导学生仔细听两组声音，辨别二者发声的音调有何差异，然后在体会两组声音的音调高低有别的基础上，判断敲击哪根管子发出声音的音调更高.

结合DIS实验装置进行实验，需要利用两只声波传感器采集发声空气的振动频率，通过观察计算机显示屏上的声音波形图，对比分析两只合金管引起发声空气的振动频率.如图3所示，两列波分别表示1号和8号管子的声波图.

图3 波形图比较

教师运用DIS实验装置开展定性实验，主要引导学生辨别1号和8号管子发出的声音，谁的音调高？同时，通过观察两列波形图，哪个频率高一些？

实验表明，1号管子比8号管子发出声音的音调要高.通过分析DISlab显示的实验数据可知，敲击1号管子形成的波形图明显比8号管子的密，也就是说1号管子发出声音的频率比8号管子要高.

由此初步得出结论：两根管子振动发声时，音调与振动频率有关，较短的管子发声的音调更高，频率也高一些.

2.2 定量探究实验设计

学生通过“听”和“看”进行定性的对比实验探究，能初步得出音调与频率的关系，但该结论还不具有精确性和普遍性，因此还要进一步深入探究音调与频率的定量关系，检验该结论正确与否.

活动1：设计方案和实施探究

音调探究仪共有8根管子，可以选用8根合金管进行定量实验探究.首先测量每根合金管的长度，依次辨别和记录各自发声的音调特征，然后开启DIS实验装置，利用两只声波传感器依次采集这些合金管振动发声的频率，最后分析实验数据，得出结论.为了体现实验数据的可靠性，可以先后开展多组实验.表2记录了3组实验测量结果.

表2 合金管长度和振动频率及发声的音调特征

活动2：科学观察和数据分析

首先感受8根合金管发声的音调，寻找音调与合金管长度的关系特征，同时，记录8根合金管发声时空气振动频率数据，然后分析合金管发声音调与管长、振动频率之间的关系特征.

活动3：基于实验现象和证据分析，总结结论

总结实验结论：3组实验都表明，从短到长依次敲击合金管，发声的频率越来越低，并且声音的音调也越来越低，进一步验证了在初步探究中所得出的结论是正确的.

活动4：对实验结论进行科学解释

关于音调决定于声源的振动频率，应从发声的物理机制进行解释，阐明物理原理.声音是由物体振动而产生的，敲击合金管，管子自身振动发声并带动管内外空气振动发声.由于八根管子的长度不同，质量不同，质量小的相对于质量大的振动得更快，即频率更高，因此带动管外空气振动传播这种声音；需要注意的是，管子是空心的，空心部分有空气振动，但由于空气流速低，所以管内空气振动发声对听觉影响小.

另外，实验时很难保证每次敲击合金管的力相同，外在实验条件变化是否影响实验结果，也应予以解释.很显然，用力大小决定声音的响度，学生通过之前学习，已经理解“响度”的概念，声源振幅主要决定声音响度，即在波形图上的体现是纵坐标的高低.如果敲管子所用的力大一些，那么听到的声音的响度会大一些，即波形图会“高”一些，反之，波形图则会“低”一些.音调与响度是声音的两个不同的性质，所以用力大小不会影响实验结果.

通过本次实验探究，进一步得出结论：声音的音调与发声体振动的频率有关，频率越大，音调越高；频率越小，音调越低.

2.3 开展中国古典声乐文化教育

中国是礼仪之邦，古代国家庆典、大型宗庙祭祀、宴请贵宾时，常用乐器编钟演奏.编钟是古代大型打击乐器，其声音洪亮、形态雄浑、坚固耐用，正因为如此,历朝历代都把编钟尊为宫廷乐器之首.据史料记载，早在商朝就有了青铜编钟，如图4所示，1978年出土的曾侯乙编钟，是人类青铜时代最伟大的艺术作品，也是有史以来音乐考古学上罕见的重大发现，它一时被国际学人誉为“世界第八大奇迹”，全套编钟由多达65件单体青铜乐钟组成，有着三层八组的宏大构造，总用铜量达4 421.48 kg[5].

图4 曾侯乙编钟

教师进行有关声音特性的教学活动，需要开展中国古代声乐文化教育，不仅仅局限于介绍大型编钟的历史资料，可以运用音调探究仪模仿编钟演奏古代庆典音乐.音调探究仪与编钟的发声原理类似，管子的长度符合一定音律学的规律，按照从短到长的顺序依次敲击它们，会发出哆、瑞、咪、发、嗦、啦、西、哆的音调，所以按照乐谱敲打它们，会奏出一首曲子.课堂教学结束后，让学生在课余时间尝试利用音调探究仪自行演奏，通过实际操作体验，增进对编钟了解，激发学生对于中国古代礼仪文化的兴趣.

中国古代传统乐器文化博大精深，其中蕴含着丰富的物理声学和乐律学知识，在我国传统乐器文化中，还有很多极具我国文化特色的乐器，如二胡、古筝、笛子等.学生学习音调知识之后，还可以引导他们课下查阅资料，结合所学知识进一步了解这些古代乐器的发声原理.

3 结论

根据古代编钟的形制和发声原理，自制音调探究仪结构简单，易于操作.基于音调探究仪与DISlab相结合，开展科学探究教学,不仅能增强实验现象的直观性，也能开展定量研究教学活动，引导学生获取证据，收集和处理数据，总结结论，并作出合理解释，进而培养中学生在科学思维、科学探究能力等方面的物理学科核心素养.这种融入STEAM教育理念的教学活动设计，有助于学生从多学科视角认识不同学科间的联系，提高自身综合运用知识解决现实问题的能力[6]，同时在物理教学中渗透我国优秀的传统声乐文化，也有利于陶冶学生的艺术情操，彰显中国古代的文化自信.