可視化、數(shù)顯式聲音傳播演示器

許文鳳

研究背景

《小學科學課程標準》對于“聲音”提出兩點學習目標，一是聲音因物體振動而產(chǎn)生，二是聲音通過物質(zhì)傳播。第二點細化為學習要求“聲音可以在氣體、液體和固體中向各個方向傳播”。但在實際教學過程中，我們發(fā)現(xiàn)教材所設(shè)計的實驗難以達成課標要求的目標。

如教科版小學《科學》4年級上冊聲音單元的第5課“聲音的傳播”一課，該教材期望學生能設(shè)計聲音在不同物體中的傳播實驗，并對聲音在不同物體中的傳播情況進行比較。

為此教材設(shè)計的實驗內(nèi)容如下：準備1張鋁箔，縱向折疊幾次，做成挺直的鋁箔尺;1根木制的米尺、棉線、尼龍繩等。這些材料的長度相同，比如都是1米長。先預測聲音在鋁箔、棉線、尼龍繩、木制米尺的傳播效果是否一樣，聲音通過哪一種材料傳播效果最好，再進行實驗。注意每種材料的一端要分別與音叉連接，找1名同學在材料的另一端傾聽。分別使振動的音叉接觸鋁箔、棉線、尼龍繩、木制米尺等物體，仔細傾聽和感受音叉的振動，比較這些物體傳播的聲音有什么不同。

但是，該教材所列的實驗有幾個問題還待商榷。①鋁箔尺、木制米尺、棉線、尼龍繩這些材料可以保持長度一致，但形狀、粗細均不相同，實驗不夠嚴謹。且該實驗只能探究聲音在不同的固體中傳播，并未涉及其他兩種物質(zhì)的研究。②通過手動敲擊音叉發(fā)聲，因?qū)W生每次敲擊的力度保持難以一致，主觀影響了實驗結(jié)果。③學生通過耳朵區(qū)分聲音在不同固體中的傳播效果，容易受主觀感性因素影響。④本實驗需要用手繃緊材料，但每組學生拉的松緊度可能不一樣，因而影響了實驗效果。⑤做這個實驗時，還有些學生會提出質(zhì)疑：耳朵聽到的聲音不一定是通過被測物質(zhì)傳播的，還有可能是直接通過空氣傳過去的。

查看其他版本的教材，也發(fā)現(xiàn)類似問題存在。因此，為了讓實驗更加科學嚴謹，使學生能夠更好地探究聲音的傳播現(xiàn)象，通過研究，我自主設(shè)計制作了可視化、數(shù)顯式聲音傳播演示器，讓實驗現(xiàn)象數(shù)字化、可視化，解決現(xiàn)有實驗存在的各種問題，提高學生的學習效率和熱情。

教具結(jié)構(gòu)

本教具的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，實物圖如圖2所示。

用透明亞克力板制成第一箱體，在箱體全部側(cè)面的內(nèi)側(cè)壁均設(shè)有1個聲波傳感器，全部外側(cè)壁上均設(shè)有1個聲控燈，每個側(cè)面的聲波傳感器和聲控燈一一對應(yīng)連接。在箱體內(nèi)部設(shè)有1個蜂鳴器和聲音傳播器，聲音傳播器延伸至箱體外，與聲音分貝儀連接;聲音傳播器還可連接聽診器。該箱體內(nèi)可根據(jù)實驗需要填充氣體、液體或固體介質(zhì)。

用透明亞克力板制成第二箱體，箱體包括容室一和容室二，第一箱體放置于第二箱體的容室一內(nèi)。容室二內(nèi)設(shè)有1個彈簧敲擊錘。彈簧敲擊錘包括錘球、錘桿和復位彈簧，在容室二內(nèi)設(shè)有1個支撐板，錘球位于支撐板下方，錘桿貫穿支撐板延伸至箱體外，錘桿上設(shè)有1個彈簧座，彈簧座位于支撐板上方，復位彈簧兩端分別頂持于彈簧座和支撐板。箱體上放置鐘表游絲振動器。第一箱體放置在第二箱體內(nèi)，可以降低外界聲音對聲波傳感器的干擾。

教具的功能及使用方法

實驗一：可視化認知到聲音傳播的方向

第一箱體內(nèi)分別填充有水、空氣、沙子、塑料泡沫等不同的介質(zhì)。分別裝入第二箱體容室一內(nèi)，當蜂鳴器發(fā)出聲音時，通過相應(yīng)的介質(zhì)傳播，被內(nèi)側(cè)壁上的聲波傳感器捕捉到后，聲控燈會亮起來，由此將

聲音可視化，清楚直觀地告訴學生聲音可以在不同物質(zhì)中向四面八方傳播。

實驗二：數(shù)顯聲音傳播的效果

在實驗一的基礎(chǔ)上，將內(nèi)置于第一箱體內(nèi)的聲音傳播器連接到聲音分貝儀（見圖3）。當蜂鳴器發(fā)出的聲音經(jīng)過不同介質(zhì)傳播給聲音分貝儀，分貝儀可以直觀顯示數(shù)據(jù)，學生可以直觀記錄測量結(jié)果。

實驗三：用耳朵感受不同介質(zhì)的傳播效果

與實驗二的方法相似，只需將聲音分貝儀換成聽診器，手動敲擊彈簧敲擊錘，使錘球與第二箱體接觸發(fā)出聲音，聲音通過容室一內(nèi)的不同介質(zhì)傳播后，被聲音傳播器捕捉，學生從聽診器聽取其傳播后的聲音效果（見圖4）。

實驗四：利用鐘表游絲演示聲音的振動

在第一箱體上設(shè)有1個鐘表游絲振動器，在實驗一或?qū)嶒炄难菔具^程中，聲音傳播產(chǎn)生的振動，被該鐘表游絲振動器捕捉，從而使得聲音的振動可視化，也可借此模擬鼓膜振動，提高學生對聲音傳播的知識理解。

創(chuàng)新點

令聲音以聲源為中心向各個方向傳播的可視化演示，以前未見涉及。

采用分貝儀實現(xiàn)不同介質(zhì)中聲音傳播差異的數(shù)字顯示，該演示方式以前未見述及。

小結(jié)

本套裝置還可靈活更換介質(zhì)探究聲音的傳播效果，可分開或組合使用，功能豐富、通用性強，并具有可復制性。該教具申請了實用新型專利，并獲得了通過（201721768887.4）。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目制作了適合小學教學的可視化、數(shù)顯式聲音傳播演示器，能夠有效幫助學生客觀地學習和理解聲音傳播的相關(guān)知識。該項目原理科學、概念清晰、構(gòu)思巧妙、設(shè)計合理，作品實用性強。項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。希望該項目在工藝方面作出改進和提升。