核心素养目标下“声音的特性”DIS实验教学活动设计

张旺 汪志荣

关键词：DIS实验：声音的特性：声波图：教学活动设计

“声音的特性”是在介绍声音的产生与传播知识的基础上，进一步对声音性质的认识，对初中声学内容起到引领和铺垫的重要作用。教学中要让学生了解声音的特性，最好的方法是动手实验，让学生通过真切的感受去认识。

与传统实验教学相比，运用DIS进行本节探究活动设计，结合直观的实验现象，发挥实验数据采集和信息可视化功能，帮助学生从振动图像特征的角度去理解声音特性的概念，将声音响度的大小、音调的高低以及音色的差异，与声波波形图的高低、疏密和形状等性质结合起来进行对比分析，将有利于学生形成描述声音特性的相关物理概念。

物理核心素养集中体现了物理学科的教育价值，是三维课程目标的整合、提炼与发展，为了发展学生的物理学科核心素养，本节教学将DIS数据采集分析系统和中国传统乐器结合起来，设计“声音的特性”探究教学活动。

1情境导入

首先，欣赏一段《保卫黄河》交响乐，创设问题探究情境。引导学生思考，这段音乐时而亢奋，时而平稳，其中的声音有何不同？交响乐演奏当中用到哪些乐器？这些乐器发出的声音有何不同？其中有男生合唱和女生合唱，这两种声音又有何不同？进而提出如何认识不同声音的特性？由此开展实验探究教学活动。

2DIS实验设计

2.1探究响度及其影响因素

教师首先进行实验演示：用不同大小的力敲击音叉，让学生辨别音叉先后两次发声有何不同？引导学生分辨出声音的强弱不同，进而指出，物理中用响度来表示声音的强弱，即声音的大小。然后，让学生列举生活中有关响度差异和变化的声音现象，加强学生对响度概念的理解。

教师追问：影响声音响度大小的因素是什么？

围绕上述问题，开展演示实验：依次用很小的、较小的和较大的力敲击音叉，并让音叉接触悬吊在铁架台上的乒乓球。引导学生听音叉三次发声的响度和观察乒乓球的振动幅度，指出乒乓球振动有何不同？三组声音的响度有何差异？

进一步说明，敲击音叉，音叉振动发声，但是振动很微弱，肉眼无法观察，所以运用转化法和放大法，将振动的音叉轻触乒乓球，乒乓球便在音叉的作用下振动。乒乓球振动的幅度越大，反映音叉振动的幅度也就越大。由此指出，物理学中，用振幅表示物体振动的幅度。

分析演示实验现象，得出结论：声音的响度与振幅有关，振幅越大，响度越大;振幅越小，响度越小。

探究响度的影响因素，除了传统实验外，还可以应用DIS实验装置。

实验时，用较大的、较小的和很小的力敲击音叉，通过声波传感器依次采集音叉发出的声音，用电脑显示三段声音形成的波形图（图1），并无线投屏到讲台上的大屏幕。

通过观察、分析波形图可知，不同响度的声音形成的波形图高低不同，波形图越高，说明振幅越大，则声音的响度越大。

应用DIS实验探究声波振幅，利用图像进行表征，不仅有利于促进学生对振幅概念的理解，认识振幅和响度的关系，同时还能够引导学生认识通过物理图像分析声音特性的研究方法，为进一步探究音调和音色的影响因素奠定认知基础。同时，结合数字化实验技术应用，能够激发学生的探究兴趣。

教师进一步追问学生：声音的响度除了与声源振幅有关，还可能与什么因素有关？并列举声源距离和分散程度引起声音的响度变化，引导学生理解声音响度还与声音的传播距离和分散程度有关。

2.2探究音调及其影响因素的DIS实验设计

教师首先播放一段用古代编钟演奏《东方红》的音乐视频，让学生猜想古人用编钟演奏的声学道理。为了让学生认识编钟演奏的原理，激发学生的探究兴趣，用不同长度的合金管制作了简易合金管“编钟”，如图2所示。让学生用木棍由长到短依次敲击合金管，保持敲击力度大致相同，让学生感受长短不一的合金管发出声音的差异，体会其中音乐演奏的道理。通过引导学生辨认声音的高低不同，引出音调的概念，在物理学中，用音调表示声音的高低特性。

创设问题情境：教师再次用木棍依次敲击合金管，由长到短，合金管发出的声音逐渐变得尖锐，即声音的音调逐渐变高，提问音调的高低与什么因素有关？

接着开展随堂小实验，让学生拨动直尺，直尺振动发声，改变直尺伸出桌面的长度，再次拨动直尺，两次操作发现直尺振动的快慢不同。由此指出，在物理中用频率表示物体振动的快慢。频率是物体每秒内振动的次数，单位是赫兹（Hz）。

2.2.1定性探究音调的影响因素

古代乐器排箫是由长短不同的萧排列组合而成，如图3所示。排箫发声稳定，吹奏长度不同的箫管，发出声音的音调不同。因此，可用排箫和DIS实验定性探究音调的影响因素。

教师演示排箫发声：选择四根箫管，由长到短地均匀用力吹奏，用力大小相当，让学生辨认几组声音的音调差异。

同时，用声波传感器采集上述实验的四组声音，并将电脑显示的声波图（图4）投屏到大屏幕，引导学生观察，比较分析振动特点的差异，得出音调的影响因素。

实验表明，随着排箫的萧管长度变短，发出声音的音调变高。分析DIS显示的声波图可知，随着排箫长度变短，发出声音所形成的波形图逐渐密集。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振动频率的大小，波形越密，频率越大;波形越疏，频率越小。

2.2.2定量探究音调的影响因素

通过“听”和“看”进行定性的对比实验探究，能初步得出音调与頻率的关系，但该结论的精确性和普遍性还需要定量探究。

（1）设计方案和实施探究

DIS声振功能界面不仅能显示声音的波形图，还能显示发声物体振动的具体频率值。排箫共有14根长短不同的箫，为了凸显数据的变化规律，按照由长到短的顺序每隔一根选取一根箫为研究对象，共选择7根箫，对它们从1到7进行编号，测量其长度。由教师吹奏排箫，同时开启DIS实验装置，用声波传感器依次采集这些排箫发声的频率，学生依次辨别和记录各自发声的音调特征，并记录数据。以下记录了3组实验测量结果，如表1所示。

（2）科学观察和数据分析，总结结论

听7根箫发声的音调，定性寻找音调与排箫长度的关系特征，记录7根箫发声时空气柱振动频率数据，定量分析排箫发声音调与排箫长度、振动频率之间的关系特征。

由实验数据可知，三组实验均表明从长到短依次吹奏排箫，声振的频率越来越高，声音的音调也越来越高，说明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。

（3）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。吹奏排箫，气流进入管内，与管的内壁发生摩擦和碰撞，空气柱振动发出声音，由于每根箫的长度不同，管内空气柱振动的快慢不同，即频率不同，管越长，管内空气柱振动越慢，频率越低，所以发出声音的音调越低。

2.3探究音色及其影响因素

理解音色概念及其影响因素的物理内涵是本节的教学难点。对于音色的影响因素，各版教科书中都未做过多描述，只提到“不同发声体结构材料不同，发出声音的音色不同”。物体振动发声，振幅影响响度，振动频率影响音调，所以讨论音色的影响因素时，自然会想到声源振动的某一属性。

运用DIS实验，从图像的角度去分析不同材料结构的振动方式不同，很容易突破音色这一教学难点。

教师通过播放音频，让学生辨别二胡、鼓和笛子发出的声音，学生可辨别出这3种乐器发出声音的特色、品质不同。由此可以指出，物理中用音色表示声音的特色与品质。同时列举闻声辨人等例子，强化学生对音色概念的理解。

设问：不同乐器发出声音的音色不同，那音色的影响因素是什么？

演示：敲击合金管“编钟”和吹奏排箫，两次发声的音色不同。

追问：合金管“编钟”由金属制作，属于打击乐器，排箫由竹子制作，属于管乐器，这两种乐器的材料和结构不同。为什么发声体的材料和结构不同，发出声音的音色不同呢？

运用类比方法，设计DIS实验，分析这些声音所形成的波形图。教师先敲击音叉发出声音，再依次播放笛子、二胡的独奏乐曲，用声波传感器依次采集这三组声音，让学生观察这三组声音所形成的波形图，如图5所示。

现象分析：3列声波图的形状不同。很明显，音叉发声的波形图形状更平滑，更规则;相比较之下，笛子和二胡发声的波形图形状不规则，但是也具有周期性，这是什么原因造成的呢？

引导启发：音叉、二胡和笛子等振动的方式各不相同。音又是金属振动发声;二胡发声是拉动弓弦与琴弦摩擦使琴弦振动而发声：笛子发声是气流进入笛管内，与笛管内壁发生摩擦、碰撞而使空气柱振动发声。音叉作为特制的声学实验仪器，金属材质均匀，结构规范对称，所以振动方式较为稳定，从而形成的声波图形状比较规则，呈周期正弦波图形，即使振动衰减，声音的响度变小，其形状规范性不变。相比较之下，二胡是多根琴弦振動，其振动方式较为复杂，所形成声音的波形图不规则。同样，引起笛子发声的空气柱振动方式也比较复杂，声波图也不规则。

通过应用DIS实验显示声波图的方式设计探究活动，能够引导学生真正体会到由于声源的材料和结构不同，其振动方式和振动性质有差别，因而导致发声的音色不同。这种针对音色的概念教学，能够促进学生认识其物理本质。

3传统声乐文化教育

中国古代传统乐器文化博大精深，其中蕴含着丰富物理声学和乐律学知识，通过运用合金管“编钟”和排箫开展探究活动体现了对学生进行中国古典声乐文化教育。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，具有代表性的是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，被誉为“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4421.48千克。排箫是中国最早出现的编管乐器，最早出现于远古社会末期，是一件具有民族特色的乐器，其形制、音色都体现着中国传统音乐的审美理念，是中国悠久传统音乐文化的象征。

教师进行声音特性的教学活动前，可以简要介绍中国古代传统乐器，开展传统声乐文化教育。这种活动设计，不仅仅介绍大型编钟和排箫的历史资料，还让学生运用合金管“编钟”模仿编钟演奏古代乐曲，通过实际操作体验，增进对编钟的了解。学生根据排箫的发声原理，可以在课下用吸管自制排箫，体验运用排箫演奏乐曲的乐趣，激发学生对中国古代文化的兴趣。

4结语

运用DIS传感系统和中国传统乐器开展探究活动设计，能够培养学生的物理学科核心素养。一方面，运用DIS实验开展声音的特性探究活动，将实验现象转化为数字图像，学生同步观察到声音的动态波形，对比分析不同声音的波形图，能够促进对音调、响度和音色等物理概念内涵及其影响因素的理解，认识其物理本质，更好地形成科学的物理观念。另一方面，在实验探究活动中注重渗透方法，通过转换、放大、图像法和控制变量法的应用，开展实验数据解释和评估活动，进一步发展学生的科学探究和科学思维能力。此外，运用编钟、排箫等乐器开展探究活动，对学生进行中国传统声乐文化教育，有利于陶冶学生的艺术情操，彰显中国古代的文化自信，进而培养学生的科学态度与责任。