基于可视化“声音的特性”的教具创新研究

李中豪 田博雅 王卓异 江超 王小兰

摘 要：为了提升“声音的特性”这节课教学效果，笔者应用一组将声现象转化为可视化的演示教具，用于定性探究影响声音音调与响度的因素.本文创新研究了“声音的特性”教学内容的背景、实验组成元素、实践操作步骤和教学实际应用.这种将声音信号转化为光信号的创新实验仪器突破传统教学的重点和难点，在教学实践中更好地培养学生物理学科核心素养.

关键词：可视化;声音的特性;教具创新研究

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）20-0036-03

基金项目：湖北省高等学校2020年湖北省大学生创新创业训练省级项目“‘我爱物理——物理教师服务平台创设”（项目编号：202009170068）;黄冈师范学院研究生工作站“5G背景下黄冈革命老区农村中学物理课堂有效教学策略研究”.

作者简介：李中豪（2000-），男，湖北钟祥人，本科在读，研究方向：大、中學物理教育教学研究.

通讯作者：王小兰（1965-），女，湖北红安人，教授，硕士生导师，研究方向：教师教育及物理课程与教学论.

1 教学内容分析

声音的特性是人教版初中物理八年级上册声现象这一章节的重点与核心内容，2011年版义务教育物理课程标准对于这节内容的要求为：了解乐音的特性，了解现代技术中声学知识的一些应用.教材第二章围绕声现象展开，揭示声音的本质及特性.本节内容在学生理解了声音的本质之后，在生活经验的基础上构建相关概念，属于知识的迁移与应用.在教材中涉及音调、响度和音色三部分内容，通过钢尺、示波器、音叉、乒乓球等工具认识影响声音三个特性的因素.学生们在学习本节内容之前已经学习过声音的产生与传播等知识，且由于声现象与生活实际联系较为紧密，同学们普遍对声音的现象充满浓烈的好奇心.通过前面的分析可以确定声音的特性这一节教学内容的重点在于音调与响度的概念与其对应的影响因素，学生们学习的难点是对于不同特性声音的波形的理解.

2 教学资料分析

在以往的初中物理课堂当中，教师通常会使用一些教材中的教具用于演示，例如教材中使用直尺探究频率决定音调这个知识点，不过此实验存在的最大缺陷是：直尺两次振动的幅度很难保持一致，因为在这两次振动中，直尺伸出桌面的长度会发生变化，要使直尺振动幅度保持一致，必须用不同大小的力量去拨动，这会使得学生自己在做这个实验时感觉是其所用力的大小不同导致的变化.这必然误导学生认为是力的大小决定音调的高低，引起知识性理解的错误，造成学习困难.但这部分知识却是学生学习的难点.许多学生需要通过在课本和习题当中的声音波形图进行区分与理解，对于这一点，一些教师会将示波器用于教学中展示声音的波形，通过探究不同音调、不同响度声音波形图的形状引导学生理解影响音调和响度的因素.可示波器展示效果较差，在班级教学中难以做到良好的展示效果.

为了更好地培养同学们声音的物理观念，笔者应用以下教具，在教学中让声音可视化，让同学们通过肉眼看见声音，帮助同学们突破对于不同特性声音的波形的理解难点.

3 基于可视化的教具创新研究

3.1 发音齿轮

3.1.1 教具器材

三个半径相同齿数分别为40、60、80的齿轮，履带，转轴，转盘，支架，硬纸片.

3.1.2 教具组成（如图1所示）

3.1.3 教具原理与使用方法

摇动转盘，转盘通过履带带动转轴使得三个齿轮同轴转动，将硬纸片靠近齿轮，纸片会由于齿轮的转动被拨动着振动起来，振动会产生声音，靠近不同齿数的齿轮，纸片振动的频率不同，齿数越大，振动频率越大，纸片所发出的声音音调越高.

3.2 声波演示器

3.2.1 教具器材

八面镜、八面镜支架、电源、振动频率为512Hz的音叉、振动频率为256Hz的音叉、激光手电、可调节方向的手电支架、音锤、镜片.

3.2.2 教具组成（如图2所示）

3.2.3 教具原理与使用方法

采用物理学中转换的思想将音叉的声信号转换为激光的光信号.

激光通过音叉表面的反射镜反射到旋转八面镜上，由于入射光线与反射光线具有一定夹角，当音叉振动时，运用光杠杆原理将振动效果放大，通过音叉表面的反射镜反射出去所形成的光点会上下振动，振动轨迹会由于人眼的视觉后像观察到一个光斑.

当旋转八面镜转动时，通过八面镜表面的镜片反射出去的光点就会随着八面镜旋转的方向运动，由于人眼的视觉后像，就会在显示面上看到一条光线.如图3所示.

在八面镜转动的同时敲击音叉，由于音叉振动而反射出去的光斑，再通过旋转着的八面镜的反射，就会具有一个横向速度.最后在显示面上的光点在音叉和八面镜的同时作用下的运动轨迹所造成的视觉后像就是一条美丽的波纹.如图4所示.

在八面镜旋转速度稳定的情况下，光点的运动轨迹会受音叉振动的频率和振幅的影响.

4 基于可视化教具的教学创新研究

4.1 探究影响音调的因素

教师在课堂中使用发音齿轮探究影响音调的因素.转动转盘，将硬纸片分别靠近不同齿数的齿轮，可以观察到随着齿轮齿数的增大，硬纸片被拨动所振动发出的声音越来越高.由于齿轮的齿数越大，纸片振动越来越快，可以得出声音的音调与发声体振动的快慢有关.教学过程见表1.

4.2 区分不同音调声音的波形

教师在课堂中使用波形演示器帮助同学们区分不同音调声音的波形.分别敲击振动频率高低不同的音叉可以观察到频率高的音叉所发出的声音波形比较密集，频率低的音叉所发出的声音波形比较疏散.可以得出不同音调的声音波形疏密不同.教学过程见表2.

4.3 区分不同响度声音的波形

教师在课堂中使用波形演示器帮助同学们区分不同响度声音的波形.分别用两个大小不同的力敲击同一个音叉，可以观察到越大的力敲击音叉，声音的响度越大，波形更高.可以得出不同响度的声音波形高低不同.教学过程见表3.

5 结束语

中学物理教学创新的关键点之一就是物理实验教具的创新，而这组基于声现象可视化的实验教具可以很好地帮助学生理解有关声现象物理观念的内涵.笔者利用物理学中转换的思想方法，巧妙设计演示实验教具，将声信号转化为光信号，用自制“波形演示器”让学生通过肉眼看见声音的形状，从感性的角度加强学生对于声音的物理观念的认识;将当堂实验的结果进行对比得出结论，学习新知，让学生更能体会到实验的乐趣.

在2021年7月在四川师范大学举办的“格致杯”物理师范生教学技能展评活动中本教具荣获二等奖.

参考文献：

[1]王承强.浅议物理实验中对非主要因素干扰的消除——以“振动发声”实验为例[J]. 课程教育研究，2012（20）：33.

[2]马梦娟，童小芳，李德安.初中物理声学教具的改进制作及其应用[J]. 物理通报，2018（S2）：106-108.

[3]王承强.《声现象》中的实验改进[J]. 文理導航（下旬），2012（07）：72-73.

[4]马静，喻梅琴，张轶炳.基于实验探究的“声音的特性”教学设计[J]. 物理教师，2018，39（04）：14-17.

[5]刘健智，蒋国.《声音的特性》教学设计——基于平板电脑的移动学习[J].湖南中学物理，2021，36（01）：51-57.

[6]陈玉洁，黄致新，汪尹玮，刘国玲.STEM教育理念下基于物理核心素养的教学设计——以“声音的特性”教学片段为例[J].中学物理，2020，38（21）：33-35.

[7]朱红伟.初中物理声学实验的数字化再改进及对比分析[J].实验教学与仪器，2016，33（12）：23-24.

[8]刘圣. 践行实验教学思想 优化物理实验教学——浅谈苏科物理八（上）如何使理论化理想化的实验教学转向现实化真实化[A]//《中国教育技术装备》杂志社.第五届中国教育技术装备论坛获奖论文集（中）[C].北京：《中国教育技术装备》杂志社，2014：5.

（收稿日期：2021-08-04）