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      傳統(tǒng)物理實驗的數(shù)字化改進(jìn)例解與啟示

      2007-12-29 00:00:00白振宇


        一、實驗數(shù)字化改進(jìn)的案例
        
        1.“測一測你聽覺的頻率范圍”實驗的改進(jìn)
        該實驗?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生的興趣,扭轉(zhuǎn)學(xué)生“聲音都能聽見”的偏見,進(jìn)而為引入超聲波、次聲波奠定基礎(chǔ)。但實驗中用到的音頻發(fā)生器,由于價格因素,條件較差的學(xué)??赡軣o力配置。我們可以利用電腦上的聲卡和音箱,再從互聯(lián)網(wǎng)上下載、安裝一個免費的“虛擬儀器”軟件(如:AudioSCSI等),就可把電腦變成一臺音頻發(fā)生器。其應(yīng)用方法如下:
        打開音箱的電源,運行“虛擬儀器”軟件。出現(xiàn)界面后,單擊①選擇信號發(fā)生器功能,即進(jìn)入音頻發(fā)生器界面(如圖1)。單擊②、③、④,分別打開電源、左聲道和右聲道,即可進(jìn)行測試。⑤、⑥兩旋鈕可分別控制左右聲道的音量,拖過滑塊⑦、⑧,可分別改變左右聲道聲音信號的頻率,信號的實時頻率可在滑塊旁的窗口里顯示出來,如果實驗中需要精細(xì)地改變頻率,只要將鼠標(biāo)按住滑塊后滾動鼠標(biāo)的滾輪即可實現(xiàn)。實驗時可先用鼠標(biāo)拖動滑塊,較迅速地改變聲音的頻率,當(dāng)接近臨界頻率時,再改用鼠標(biāo)滾輪來精細(xì)地改變頻率。實驗中如果對某一頻率的聲音能否聽見有疑問,也可按滑塊旁的精確輸入按鈕,手動輸入有疑問的頻率,進(jìn)行測試。
        
        如果你用的是AudioSCSI正式注冊版,你也可以直接使用其中的掃頻功能。先按精確輸入按鈕⑨,設(shè)置起始頻率和截止頻率(默認(rèn)值是1Hz~20000Hz),然后將⑩旋鈕調(diào)到掃頻功能,再打開電源和左右聲道,就可以進(jìn)行實驗了。實驗中學(xué)生不僅能聽見聲音,還能從兩個主窗口中看見左右聲道聲音的波形,當(dāng)聲波頻率落在20Hz~20000Hz以外時,學(xué)生已不能聽見超聲波和次聲波,但仍能看見它們的波形,這就讓他們對次聲波、超聲波的存在獲得了直接的感受。由于不但能聽見,還能看見,所以實驗效果比使用真實的音頻發(fā)生器還要優(yōu)越。
        
        2.“觀察聲音的波形”實驗的改進(jìn)
        教材中是用示波器來顯示聲音的波形的,這樣做有一個缺點,就是聲音的波形轉(zhuǎn)瞬即逝,無法被長久保存,不利于進(jìn)行細(xì)致觀察和比較。利用常見的音頻編輯軟件和電腦可以克服上述不足。具體做法如下。
        器材:電腦一臺(安裝有聲卡和音頻編輯軟件)、麥克風(fēng) (能接駁電腦的麥克風(fēng)插口)。
        操作:將麥克風(fēng)插入電腦的麥克風(fēng)插口,打開麥克風(fēng)。運行音頻編輯軟件(下面以Blaze AudioRipEditBurn 2.0為例),出現(xiàn)界面后,單擊①進(jìn)入聲音編輯界面。
        連擊按鈕②,直至出現(xiàn)“麥克風(fēng)”字樣,表示將聲音輸入選擇為麥克風(fēng)。單擊錄音按鈕③,跳出“choose format”菜單,選擇OK后,錄音開始。必要時可以調(diào)節(jié)滑塊④,控制錄音音量的大小。再次單擊錄音按鈕③,停止錄音。
        連擊按鈕⑤,將波形圖放大。單擊按鈕⑥,開始放音,這時就可以看到剛才所錄聲音的波形了。如果要仔細(xì)觀察,你也可以單擊按鈕⑥,暫停放音,這時出現(xiàn)的就是暫停處的聲音波形。
        
        3.“測量聲速”實驗的改進(jìn)
        教材中測量聲速的方法是:量出一段300m以上的直線距離(讓發(fā)令者、計時者分別站在上述距離的兩端),當(dāng)計時的同學(xué)看到發(fā)令槍冒煙時,按下秒表;聽到發(fā)令槍聲時,按停秒表,進(jìn)而計算出聲音每秒鐘傳播的距離大約是多少。由于實驗中所用的器材是秒表,本身的計時精度就不高,再加上按表時人需要一定的反應(yīng)時間,所以從這個實驗中學(xué)生雖能看出聲音的傳播需要時間,但測出的聲速值卻與準(zhǔn)確值相差很大,幾乎沒有意義。利用電腦和軟件則能克服上述不足。具體操作如下。
        
        將兩臺安裝有相同音頻編輯軟件(仍以BlazeAudioRipEditBurn2.0為例)的電腦放在一起,都進(jìn)入錄音狀態(tài)后,先記錄同一次基準(zhǔn)聲,基準(zhǔn)聲越短促越好;再將兩電腦分別移置發(fā)令處和計時處(注:移動過程中電腦始終處于錄音狀態(tài)),記錄同一發(fā)令槍聲。停止錄音后,觀察兩電腦各自記錄的波形,從窗口⑦中讀出基準(zhǔn)聲和發(fā)令槍聲所對應(yīng)的時刻,相減就可得出槍聲和基準(zhǔn)聲之間的時間間隔,兩電腦所記錄的時間間隔之差就是聲音在空氣中的傳播時間,量出發(fā)令處與計時處的距離即可計算出聲速了。
        由于避免了手動計時人體反應(yīng)時間的干擾,加上電腦計時一般可準(zhǔn)確到0.001s,有些音頻軟件甚至可以準(zhǔn)確到0.0001s,計時準(zhǔn)確度大為提高,實驗中即使傳播距離只有100m,也能測出較準(zhǔn)確的聲速值,甚至還能測出聲音在鐵管中的傳播速度。筆者曾指導(dǎo)學(xué)生利用教室走廊前的不銹鋼欄桿,測出了聲音在其中的速度,與理論值很接近,極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與自信。
        
        二、實驗數(shù)字化改進(jìn)的啟示
        
        啟示一:實驗的數(shù)字化改進(jìn)并不神秘難測
        從上述案例中不難看出,實驗的數(shù)字化改進(jìn)并不神秘。它是以計算機(jī)為核心搭載各種傳感器構(gòu)成的一個實驗平臺,其中傳感器的主要功能是收集數(shù)據(jù),計算機(jī)主要起數(shù)據(jù)處理和測量結(jié)果顯示的作用,其綜合功能等同于一個數(shù)字化的測量儀表。此外,由于在使用時師生都不必去關(guān)心數(shù)字實驗儀器的結(jié)構(gòu)和原理,而只需關(guān)心其功能(如測量類型、測量范圍、測量精度是否合乎我們實驗的需要),所以如同不知道電流表的原理并不妨礙初中生正確使用電流表一樣,他們也能很快地掌握數(shù)字化儀器的用法。
        
        啟示二:數(shù)字化并不意味著高成本
        搭載不同的傳感器,結(jié)合不同的測量數(shù)據(jù)處理軟件,數(shù)字化實驗平臺就能實現(xiàn)不同的測量功能。如搭載壓敏傳感器,就能進(jìn)行力的測量;搭載溫度傳感器和相關(guān)軟件,就成了一支數(shù)字式溫度計。數(shù)字化平臺這種“一機(jī)多能”的優(yōu)勢使得其綜合配置成本要小于配置多個分列式儀器的成本總和,尤其對于那些已經(jīng)大量配置了計算機(jī)的學(xué)校,進(jìn)行實驗的數(shù)字化改進(jìn)更是有效挖掘現(xiàn)有設(shè)備的潛力,節(jié)約成本而又達(dá)到更好教學(xué)效果的首選。
        
        啟示三:數(shù)字化將是實驗改進(jìn)的一條重要途徑
        創(chuàng)造性地進(jìn)行實驗改進(jìn)是新課程教學(xué)中的一項經(jīng)常性工作。實驗改進(jìn)的途徑很多,其中重要的一條就是對實驗進(jìn)行數(shù)字化改造。數(shù)字化改進(jìn)不同于以往的“利用瓶瓶罐罐做實驗”式的、以日常低成本器材所進(jìn)行的實驗改進(jìn),它以全新的數(shù)字技術(shù)為核心手段,對實驗的各個環(huán)節(jié)、層面進(jìn)行優(yōu)化,是一種高科技、高規(guī)格的改進(jìn)。數(shù)字化成為實驗改進(jìn)的重要途徑,首先在于數(shù)字實驗平臺所特有的優(yōu)勢及其衍生的良好教學(xué)效果。如在觀察環(huán)節(jié),數(shù)字化手段可以極大地擴(kuò)展實驗的可視性和可重復(fù)性,以往用肉眼觀察非常困難的物理現(xiàn)象,現(xiàn)在可以借助數(shù)字視頻技術(shù)清楚地采集下來反復(fù)觀察。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)上,計算機(jī)和傳感器等數(shù)字手段的介入,可以更快、更準(zhǔn)地得到實驗數(shù)據(jù),從而節(jié)省寶貴的教學(xué)時間,把更多的時間用于討論物理問題之中。在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)上,利用計算機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力,可將學(xué)生從簡單、機(jī)械、煩瑣的數(shù)據(jù)處理過程中解脫出來,讓他們的時間和精力用在更有創(chuàng)造力的方面。其次還因為并不是所有的實驗都能利用“瓶瓶罐罐”來改進(jìn),有時數(shù)字化甚至是實驗改進(jìn)的唯一選擇! 這就使得數(shù)字化成為實驗改進(jìn)之必需,上述幾個聲學(xué)實驗即是如此。最后數(shù)字化改進(jìn)還得益于數(shù)字技術(shù)的普及,使以前看來高不可攀的電腦、傳感器等數(shù)字設(shè)備大量進(jìn)入中學(xué)實驗室,成為常規(guī)實驗器材,讓數(shù)字化改進(jìn)變得可能。
        
        參考文獻(xiàn)
        [1]劉炳升,李容.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理》八年級上冊[M].江蘇:江蘇科技出版社,2003.
        [2]馬寧,余勝泉.信息技術(shù)與課程整合的層次[J].中國電化教育,2002,(1).
        (作者單位:江蘇揚州中學(xué)教育集團(tuán)樹人學(xué)校)

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