传统物理实验的数字化改进例解与启示

1、课 程 整 合w w w.it ed u. o r g. cn教学研讨 36 中小学信息技术教育 2007年第 5期一、实验数字化改进的案例1. “ 测 一 测 你 听 觉 的 频 率 范 围 ”实验的改进该实验能激发学生的兴趣,扭转学生“声音都能 听见”的偏见,进而为引入超声波、次声波奠定基础。 但实验中用到的音频发生器,由于价格因素,条件较 差的学校可能无力配置。我们可以利用电脑上的声卡 和音箱,再从互联网上下载、安装一个免费的“虚拟 仪器”软件(如:A u d i o S C S I 等 ,就可把电脑变成一 台音频发生器。其应用方法如下:打开音箱的电源,运行“虚拟仪器”软件。出现 界面后

2、,单击选择信号发生器功能,即进入音频发 生器界面(如图 1 。单击、,分别打开电源、 左声道和右声道,即可进行测试。、两旋钮可分 别控制左右声道的音量,拖过滑块、,可分别改 变左右声道声音信号的频率,信号的实时频率可在滑 块旁的窗口里显示出来,如果实验中需要精细地改变 频率,只要将鼠标按住滑块后滚动鼠标的滚轮即可实 现。实验时可先用鼠标拖动滑块,较迅速地改变声音 的频率,当接近临界频率时,再改用鼠标滚轮来精细 地改变频率。实验中如果对某一频率的声音能否听见 有疑问,也可按滑块旁的精确输入按钮,手动输入有 疑问的频率,进行测试。如果你用的是 A u d i o S C S I 正式注册版,你也可

3、 以 直 接 使 用 其 中 的 扫 频 功 能 。 先 按 精 确 输 入 按 钮 , 设 置 起 始 频 率 和 截 止 频 率 (默认值是 1H z 20000Hz,然后 将 旋 钮 调 到 扫 频 功 能 , 再 打 开 电 源 和 左 右 声 道 , 就 可 以 进 行 /白振宇实验了。实验中学生不仅能听见声音,还能从两个主 窗口中看见左右声道声音的波形,当声波频率落在 20Hz20000Hz 以外时,学生已不能听见超声波和次 声波,但仍能看见它们的波形,这就让他们对次声 波、超声波的存在获得了直接的感受。由于不但能听 见,还能看见,所以实验效果比使用真实的音频发生 器还要优越。2.

4、“观察声音的波形”实验的改进教材中是用示波器来显示声音的波形的,这样 做有一个缺点,就是声音的波形转瞬即逝,无法被 长久保存,不利于进行细致观察和比较。利用常见 的音频编辑软件和电脑可以克服上述不足。具体做 法如下。器材:电脑一台(安装有声卡和音频编辑软件 、 麦克风 (能接驳电脑的麦克风插口 。操作:将麦克风插入电脑的麦克风插口,打开麦 克风。运行音频编辑软件(下面以 B l a z e A u d i o RipEditBurn2.0为例,出现界面后,单击进入 声音编辑界面。连击按钮,直至出现“麦克风”字样,表示将 声 音 输 入 选 择 为 麦 克 风 。 单 击 录 音 按 钮 , 跳

5、 出 “chooseformat”菜单,选择 OK 后,录音开始。必 要 时 可 以 调 节 滑 块 , 控 制 录 音 音 量 的 大 小 。 再 次 单 击 录 音 按 钮 , 停止录音。连 击 按 钮 , 将 波形 图 放 大 。 单击按钮,开始放音,这时就可以看到刚才所录声音的波形了。 如果要仔细观察,你也可以单击按钮,暂停放音,图 1AudioSCSI 操作界面图 2 BlazeAudioRipEditBurn操作界面传统物理实验的数字化改进例解与启示课 程 整 合w w w.it ed u. or g. cn教学研讨 这时出现的就是暂停处的声音波形。 3.“测量声速”实验的改进教材

6、中测量声速的方法是:量出一段 300m 以上 的直线距离(让发令者、计时者分别站在上述距离的 两端 ,当计时的同学看到发令枪冒烟时,按下秒表; 听到发令枪声时,按停秒表,进而计算出声音每秒钟 传播的距离大约是多少。由于实验中所用的器材是 秒表,本身的计时精度就不高,再加上按表时人需要 一定的反应时间,所以从这个实验中学生虽能看出 声音的传播需要时间,但测出的声速值却与准确值 相差很大,几乎没有意义。利用电脑和软件则能克服 上述不足。具体操作如下。将两台安装有相同音频编辑软件(仍以 B l a z e AudioRipEditBurn2.0为例的电脑放在一起, 都进入录音状态后,先记录同一次基准

7、声,基准声越 短 促 越 好 ; 再 将 两 电 脑 分 别 移 置 发 令 处 和 计 时 处 (注:移动过程中电脑始终处于录音状态 ,记录同一 发令枪声。停止录音后,观察两电脑各自记录的波 形,从窗口中读出基准声和发令枪声所对应的时 刻,相减就可得出枪声和基准声之间的时间间隔,两 电脑所记录的时间间隔之差就是声音在空气中的传 播时间,量出发令处与计时处的距离即可计算出声 速了。由于避免了手动计时人体反应时间的干扰,加 上电脑计时一般可准确到 0. 001s ,有些音频软件甚 至可以准确到 0. 0001s ,计时准确度大为提高,实验 中即使传播距离只有 100m ,也能测出较准确的声速 值

8、,甚至还能测出声音在铁管中的传播速度。笔者曾 指导学生利用教室走廊前的不锈钢栏杆,测出了声 音在其中的速度,与理论值很接近,极大地提高了学 生的学习兴趣与自信。二、实验数字化改进的启示启示一:实验的数字化改进并不神秘难测从上述案例中不难看出,实验的数字化改进并 不神秘。它是以计算机为核心搭载各种传感器构成 的一个实验平台,其中传感器的主要功能是收集数 据,计算机主要起数据处理和测量结果显示的作用, 其综合功能等同于一个数字化的测量仪表。此外,由 于在使用时师生都不必去关心数字实验仪器的结构 和原理,而只需关心其功能(如测量类型、测量范围、 测量精度是否合乎我们实验的需要 ,所以如同不知 道电流

9、表的原理并不妨碍初中生正确使用电流表一 样,他们也能很快地掌握数字化仪器的用法。启示二:数字化并不意味着高成本搭载不同的传感器,结合不同的测量数据处理 软件,数字化实验平台就能实现不同的测量功能。如 搭载压敏传感器,就能进行力的测量;搭载温度传感 器和相关软件,就成了一支数字式温度计。数字化平 台这种“一机多能”的优势使得其综合配置成本要小 于配置多个分列式仪器的成本总和,尤其对于那些 已经大量配置了计算机的学校,进行实验的数字化 改进更是有效挖掘现有设备的潜力,节约成本而又 达到更好教学效果的首选。启示三:数字化将是实验改进的一条重要途径创造性地进行实验改进是新课程教学中的一项 经常性工作。

10、实验改进的途径很多,其中重要的一 条就是对实验进行数字化改造。数字化改进不同于 以往的“利用瓶瓶罐罐做实验”式的、以日常低成 本器材所进行的实验改进,它以全新的数字技术为 核心手段,对实验的各个环节、层面进行优化,是 一种高科技、高规格的改进。数字化成为实验改进 的重要途径,首先在于数字实验平台所特有的优势 及其衍生的良好教学效果。如在观察环节,数字化 手段可以极大地扩展实验的可视性和可重复性,以 往用肉眼观察非常困难的物理现象,现在可以借助 数字视频技术清楚地采集下来反复观察。在数据采 集环节上,计算机和传感器等数字手段的介入,可 以更快、更准地得到实验数据,从而节省宝贵的教 学时间,把更多的时间用于讨论物理问题之中。在 数据分析环节上,利用计算机的强大数据处理能力, 可将学生从简单、机械、烦琐的数据处理过程中解 脱出来,让他们的时间和精力用在更有创造力的方 面。其次还因为并不是所有的实验都能利用“瓶瓶 罐罐”来改进,有时数字化甚至是实验改进的唯一 选择! 这就使得数字化成为实验改进之必需,上述几个声学实验即是如此。最后数字化改进还得益于