張旺 汪志榮
關(guān)鍵詞:DIS實(shí)驗(yàn):聲音的特性:聲波圖:教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)
“聲音的特性”是在介紹聲音的產(chǎn)生與傳播知識(shí)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)聲音性質(zhì)的認(rèn)識(shí),對(duì)初中聲學(xué)內(nèi)容起到引領(lǐng)和鋪墊的重要作用。教學(xué)中要讓學(xué)生了解聲音的特性,最好的方法是動(dòng)手實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生通過(guò)真切的感受去認(rèn)識(shí)。
與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比,運(yùn)用DIS進(jìn)行本節(jié)探究活動(dòng)設(shè)計(jì),結(jié)合直觀(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,發(fā)揮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和信息可視化功能,幫助學(xué)生從振動(dòng)圖像特征的角度去理解聲音特性的概念,將聲音響度的大小、音調(diào)的高低以及音色的差異,與聲波波形圖的高低、疏密和形狀等性質(zhì)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析,將有利于學(xué)生形成描述聲音特性的相關(guān)物理概念。
物理核心素養(yǎng)集中體現(xiàn)了物理學(xué)科的教育價(jià)值,是三維課程目標(biāo)的整合、提煉與發(fā)展,為了發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),本節(jié)教學(xué)將DIS數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和中國(guó)傳統(tǒng)樂(lè)器結(jié)合起來(lái),設(shè)計(jì)“聲音的特性”探究教學(xué)活動(dòng)。
1情境導(dǎo)入
首先,欣賞一段《保衛(wèi)黃河》交響樂(lè),創(chuàng)設(shè)問(wèn)題探究情境。引導(dǎo)學(xué)生思考,這段音樂(lè)時(shí)而亢奮,時(shí)而平穩(wěn),其中的聲音有何不同?交響樂(lè)演奏當(dāng)中用到哪些樂(lè)器?這些樂(lè)器發(fā)出的聲音有何不同?其中有男生合唱和女生合唱,這兩種聲音又有何不同?進(jìn)而提出如何認(rèn)識(shí)不同聲音的特性?由此開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)活動(dòng)。
2DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1探究響度及其影響因素
教師首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示:用不同大小的力敲擊音叉,讓學(xué)生辨別音叉先后兩次發(fā)聲有何不同?引導(dǎo)學(xué)生分辨出聲音的強(qiáng)弱不同,進(jìn)而指出,物理中用響度來(lái)表示聲音的強(qiáng)弱,即聲音的大小。然后,讓學(xué)生列舉生活中有關(guān)響度差異和變化的聲音現(xiàn)象,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)響度概念的理解。
教師追問(wèn):影響聲音響度大小的因素是什么?
圍繞上述問(wèn)題,開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn):依次用很小的、較小的和較大的力敲擊音叉,并讓音叉接觸懸吊在鐵架臺(tái)上的乒乓球。引導(dǎo)學(xué)生聽(tīng)音叉三次發(fā)聲的響度和觀(guān)察乒乓球的振動(dòng)幅度,指出乒乓球振動(dòng)有何不同?三組聲音的響度有何差異?
進(jìn)一步說(shuō)明,敲擊音叉,音叉振動(dòng)發(fā)聲,但是振動(dòng)很微弱,肉眼無(wú)法觀(guān)察,所以運(yùn)用轉(zhuǎn)化法和放大法,將振動(dòng)的音叉輕觸乒乓球,乒乓球便在音叉的作用下振動(dòng)。乒乓球振動(dòng)的幅度越大,反映音叉振動(dòng)的幅度也就越大。由此指出,物理學(xué)中,用振幅表示物體振動(dòng)的幅度。
分析演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,得出結(jié)論:聲音的響度與振幅有關(guān),振幅越大,響度越大;振幅越小,響度越小。
探究響度的影響因素,除了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)外,還可以應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)裝置。
實(shí)驗(yàn)時(shí),用較大的、較小的和很小的力敲擊音叉,通過(guò)聲波傳感器依次采集音叉發(fā)出的聲音,用電腦顯示三段聲音形成的波形圖(圖1),并無(wú)線(xiàn)投屏到講臺(tái)上的大屏幕。
通過(guò)觀(guān)察、分析波形圖可知,不同響度的聲音形成的波形圖高低不同,波形圖越高,說(shuō)明振幅越大,則聲音的響度越大。
應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)探究聲波振幅,利用圖像進(jìn)行表征,不僅有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)振幅概念的理解,認(rèn)識(shí)振幅和響度的關(guān)系,同時(shí)還能夠引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)通過(guò)物理圖像分析聲音特性的研究方法,為進(jìn)一步探究音調(diào)和音色的影響因素奠定認(rèn)知基礎(chǔ)。同時(shí),結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用,能夠激發(fā)學(xué)生的探究興趣。
教師進(jìn)一步追問(wèn)學(xué)生:聲音的響度除了與聲源振幅有關(guān),還可能與什么因素有關(guān)?并列舉聲源距離和分散程度引起聲音的響度變化,引導(dǎo)學(xué)生理解聲音響度還與聲音的傳播距離和分散程度有關(guān)。
2.2探究音調(diào)及其影響因素的DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
教師首先播放一段用古代編鐘演奏《東方紅》的音樂(lè)視頻,讓學(xué)生猜想古人用編鐘演奏的聲學(xué)道理。為了讓學(xué)生認(rèn)識(shí)編鐘演奏的原理,激發(fā)學(xué)生的探究興趣,用不同長(zhǎng)度的合金管制作了簡(jiǎn)易合金管“編鐘”,如圖2所示。讓學(xué)生用木棍由長(zhǎng)到短依次敲擊合金管,保持敲擊力度大致相同,讓學(xué)生感受長(zhǎng)短不一的合金管發(fā)出聲音的差異,體會(huì)其中音樂(lè)演奏的道理。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生辨認(rèn)聲音的高低不同,引出音調(diào)的概念,在物理學(xué)中,用音調(diào)表示聲音的高低特性。
創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境:教師再次用木棍依次敲擊合金管,由長(zhǎng)到短,合金管發(fā)出的聲音逐漸變得尖銳,即聲音的音調(diào)逐漸變高,提問(wèn)音調(diào)的高低與什么因素有關(guān)?
接著開(kāi)展隨堂小實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生撥動(dòng)直尺,直尺振動(dòng)發(fā)聲,改變直尺伸出桌面的長(zhǎng)度,再次撥動(dòng)直尺,兩次操作發(fā)現(xiàn)直尺振動(dòng)的快慢不同。由此指出,在物理中用頻率表示物體振動(dòng)的快慢。頻率是物體每秒內(nèi)振動(dòng)的次數(shù),單位是赫茲(Hz)。
2.2.1定性探究音調(diào)的影響因素
古代樂(lè)器排簫是由長(zhǎng)短不同的蕭排列組合而成,如圖3所示。排簫發(fā)聲穩(wěn)定,吹奏長(zhǎng)度不同的簫管,發(fā)出聲音的音調(diào)不同。因此,可用排簫和DIS實(shí)驗(yàn)定性探究音調(diào)的影響因素。
教師演示排簫發(fā)聲:選擇四根簫管,由長(zhǎng)到短地均勻用力吹奏,用力大小相當(dāng),讓學(xué)生辨認(rèn)幾組聲音的音調(diào)差異。
同時(shí),用聲波傳感器采集上述實(shí)驗(yàn)的四組聲音,并將電腦顯示的聲波圖(圖4)投屏到大屏幕,引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察,比較分析振動(dòng)特點(diǎn)的差異,得出音調(diào)的影響因素。
實(shí)驗(yàn)表明,隨著排簫的蕭管長(zhǎng)度變短,發(fā)出聲音的音調(diào)變高。分析DIS顯示的聲波圖可知,隨著排簫長(zhǎng)度變短,發(fā)出聲音所形成的波形圖逐漸密集。波形圖的縱坐標(biāo)表示振幅,橫坐標(biāo)表示時(shí)間,由于頻率與周期成反比關(guān)系,所以波形圖的疏密程度反映了振動(dòng)頻率的大小,波形越密,頻率越大;波形越疏,頻率越小。
2.2.2定量探究音調(diào)的影響因素
通過(guò)“聽(tīng)”和“看”進(jìn)行定性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究,能初步得出音調(diào)與頻率的關(guān)系,但該結(jié)論的精確性和普遍性還需要定量探究。
(1)設(shè)計(jì)方案和實(shí)施探究
DIS聲振功能界面不僅能顯示聲音的波形圖,還能顯示發(fā)聲物體振動(dòng)的具體頻率值。排簫共有14根長(zhǎng)短不同的簫,為了凸顯數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,按照由長(zhǎng)到短的順序每隔一根選取一根簫為研究對(duì)象,共選擇7根簫,對(duì)它們從1到7進(jìn)行編號(hào),測(cè)量其長(zhǎng)度。由教師吹奏排簫,同時(shí)開(kāi)啟DIS實(shí)驗(yàn)裝置,用聲波傳感器依次采集這些排簫發(fā)聲的頻率,學(xué)生依次辨別和記錄各自發(fā)聲的音調(diào)特征,并記錄數(shù)據(jù)。以下記錄了3組實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,如表1所示。
(2)科學(xué)觀(guān)察和數(shù)據(jù)分析,總結(jié)結(jié)論
聽(tīng)7根簫發(fā)聲的音調(diào),定性尋找音調(diào)與排簫長(zhǎng)度的關(guān)系特征,記錄7根簫發(fā)聲時(shí)空氣柱振動(dòng)頻率數(shù)據(jù),定量分析排簫發(fā)聲音調(diào)與排簫長(zhǎng)度、振動(dòng)頻率之間的關(guān)系特征。
由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,三組實(shí)驗(yàn)均表明從長(zhǎng)到短依次吹奏排簫,聲振的頻率越來(lái)越高,聲音的音調(diào)也越來(lái)越高,說(shuō)明聲音的音調(diào)與發(fā)聲體振動(dòng)的頻率有關(guān),頻率越大,音調(diào)越高;頻率越小,音調(diào)越低。
(3)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行科學(xué)解釋
關(guān)于音調(diào)決定于聲源的振動(dòng)頻率,應(yīng)從發(fā)聲的物理機(jī)制進(jìn)行解釋?zhuān)U明物理原理。吹奏排簫,氣流進(jìn)入管內(nèi),與管的內(nèi)壁發(fā)生摩擦和碰撞,空氣柱振動(dòng)發(fā)出聲音,由于每根簫的長(zhǎng)度不同,管內(nèi)空氣柱振動(dòng)的快慢不同,即頻率不同,管越長(zhǎng),管內(nèi)空氣柱振動(dòng)越慢,頻率越低,所以發(fā)出聲音的音調(diào)越低。
2.3探究音色及其影響因素
理解音色概念及其影響因素的物理內(nèi)涵是本節(jié)的教學(xué)難點(diǎn)。對(duì)于音色的影響因素,各版教科書(shū)中都未做過(guò)多描述,只提到“不同發(fā)聲體結(jié)構(gòu)材料不同,發(fā)出聲音的音色不同”。物體振動(dòng)發(fā)聲,振幅影響響度,振動(dòng)頻率影響音調(diào),所以討論音色的影響因素時(shí),自然會(huì)想到聲源振動(dòng)的某一屬性。
運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn),從圖像的角度去分析不同材料結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方式不同,很容易突破音色這一教學(xué)難點(diǎn)。
教師通過(guò)播放音頻,讓學(xué)生辨別二胡、鼓和笛子發(fā)出的聲音,學(xué)生可辨別出這3種樂(lè)器發(fā)出聲音的特色、品質(zhì)不同。由此可以指出,物理中用音色表示聲音的特色與品質(zhì)。同時(shí)列舉聞聲辨人等例子,強(qiáng)化學(xué)生對(duì)音色概念的理解。
設(shè)問(wèn):不同樂(lè)器發(fā)出聲音的音色不同,那音色的影響因素是什么?
演示:敲擊合金管“編鐘”和吹奏排簫,兩次發(fā)聲的音色不同。
追問(wèn):合金管“編鐘”由金屬制作,屬于打擊樂(lè)器,排簫由竹子制作,屬于管樂(lè)器,這兩種樂(lè)器的材料和結(jié)構(gòu)不同。為什么發(fā)聲體的材料和結(jié)構(gòu)不同,發(fā)出聲音的音色不同呢?
運(yùn)用類(lèi)比方法,設(shè)計(jì)DIS實(shí)驗(yàn),分析這些聲音所形成的波形圖。教師先敲擊音叉發(fā)出聲音,再依次播放笛子、二胡的獨(dú)奏樂(lè)曲,用聲波傳感器依次采集這三組聲音,讓學(xué)生觀(guān)察這三組聲音所形成的波形圖,如圖5所示。
現(xiàn)象分析:3列聲波圖的形狀不同。很明顯,音叉發(fā)聲的波形圖形狀更平滑,更規(guī)則;相比較之下,笛子和二胡發(fā)聲的波形圖形狀不規(guī)則,但是也具有周期性,這是什么原因造成的呢?
引導(dǎo)啟發(fā):音叉、二胡和笛子等振動(dòng)的方式各不相同。音又是金屬振動(dòng)發(fā)聲;二胡發(fā)聲是拉動(dòng)弓弦與琴弦摩擦使琴弦振動(dòng)而發(fā)聲:笛子發(fā)聲是氣流進(jìn)入笛管內(nèi),與笛管內(nèi)壁發(fā)生摩擦、碰撞而使空氣柱振動(dòng)發(fā)聲。音叉作為特制的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器,金屬材質(zhì)均勻,結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)稱(chēng),所以振動(dòng)方式較為穩(wěn)定,從而形成的聲波圖形狀比較規(guī)則,呈周期正弦波圖形,即使振動(dòng)衰減,聲音的響度變小,其形狀規(guī)范性不變。相比較之下,二胡是多根琴弦振動(dòng),其振動(dòng)方式較為復(fù)雜,所形成聲音的波形圖不規(guī)則。同樣,引起笛子發(fā)聲的空氣柱振動(dòng)方式也比較復(fù)雜,聲波圖也不規(guī)則。
通過(guò)應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)顯示聲波圖的方式設(shè)計(jì)探究活動(dòng),能夠引導(dǎo)學(xué)生真正體會(huì)到由于聲源的材料和結(jié)構(gòu)不同,其振動(dòng)方式和振動(dòng)性質(zhì)有差別,因而導(dǎo)致發(fā)聲的音色不同。這種針對(duì)音色的概念教學(xué),能夠促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)其物理本質(zhì)。
3傳統(tǒng)聲樂(lè)文化教育
中國(guó)古代傳統(tǒng)樂(lè)器文化博大精深,其中蘊(yùn)含著豐富物理聲學(xué)和樂(lè)律學(xué)知識(shí),通過(guò)運(yùn)用合金管“編鐘”和排簫開(kāi)展探究活動(dòng)體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生進(jìn)行中國(guó)古典聲樂(lè)文化教育。編鐘是古代大型打擊樂(lè)器,其聲音洪亮、形態(tài)雄渾、堅(jiān)固耐用,正因?yàn)槿绱耍瑲v朝歷代都把編鐘尊為宮廷樂(lè)器之首。據(jù)史料記載,早在商朝就有了青銅編鐘,具有代表性的是1978年出土的曾侯乙編鐘,是人類(lèi)青銅時(shí)代最偉大的藝術(shù)作品,也是有史以來(lái)音樂(lè)考古學(xué)上罕見(jiàn)的重大發(fā)現(xiàn),被譽(yù)為“世界第八大奇跡”,全套編鐘由多達(dá)65件單體青銅樂(lè)鐘組成,有著三層八組的宏大構(gòu)造,總用銅量達(dá)4421.48千克。排簫是中國(guó)最早出現(xiàn)的編管樂(lè)器,最早出現(xiàn)于遠(yuǎn)古社會(huì)末期,是一件具有民族特色的樂(lè)器,其形制、音色都體現(xiàn)著中國(guó)傳統(tǒng)音樂(lè)的審美理念,是中國(guó)悠久傳統(tǒng)音樂(lè)文化的象征。
教師進(jìn)行聲音特性的教學(xué)活動(dòng)前,可以簡(jiǎn)要介紹中國(guó)古代傳統(tǒng)樂(lè)器,開(kāi)展傳統(tǒng)聲樂(lè)文化教育。這種活動(dòng)設(shè)計(jì),不僅僅介紹大型編鐘和排簫的歷史資料,還讓學(xué)生運(yùn)用合金管“編鐘”模仿編鐘演奏古代樂(lè)曲,通過(guò)實(shí)際操作體驗(yàn),增進(jìn)對(duì)編鐘的了解。學(xué)生根據(jù)排簫的發(fā)聲原理,可以在課下用吸管自制排簫,體驗(yàn)運(yùn)用排簫演奏樂(lè)曲的樂(lè)趣,激發(fā)學(xué)生對(duì)中國(guó)古代文化的興趣。
4結(jié)語(yǔ)
運(yùn)用DIS傳感系統(tǒng)和中國(guó)傳統(tǒng)樂(lè)器開(kāi)展探究活動(dòng)設(shè)計(jì),能夠培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。一方面,運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)開(kāi)展聲音的特性探究活動(dòng),將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像,學(xué)生同步觀(guān)察到聲音的動(dòng)態(tài)波形,對(duì)比分析不同聲音的波形圖,能夠促進(jìn)對(duì)音調(diào)、響度和音色等物理概念內(nèi)涵及其影響因素的理解,認(rèn)識(shí)其物理本質(zhì),更好地形成科學(xué)的物理觀(guān)念。另一方面,在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中注重滲透方法,通過(guò)轉(zhuǎn)換、放大、圖像法和控制變量法的應(yīng)用,開(kāi)展實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解釋和評(píng)估活動(dòng),進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究和科學(xué)思維能力。此外,運(yùn)用編鐘、排簫等樂(lè)器開(kāi)展探究活動(dòng),對(duì)學(xué)生進(jìn)行中國(guó)傳統(tǒng)聲樂(lè)文化教育,有利于陶冶學(xué)生的藝術(shù)情操,彰顯中國(guó)古代的文化自信,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。