对“振动类科学玩具”课程化的研究

1、对“振动类科学玩具”课程化的研究 图1各类吸引人的玩具基本都具备美妙的音乐或者各种动物的模仿声。像拨浪鼓，摇铃和小汽笛一类成为了婴儿最早接触到的科学玩具，像叫蝉和水鸟发出的的动物模仿声吸引了幼儿们的好奇与青睐。这些振动发声类玩具传统而经典，制作巧妙，变化万千，以其结构简单、操作方便和声音悦耳的优势在玩具市场久盛不衰。拨浪鼓是中国最为古老的玩具（如图1所示），据考究，在战国时期就有了，发展至宋代已经在三个领域出现，一是礼乐之用；二是商业之用；三是儿童玩具。拨浪鼓的主体是一面小鼓，两侧缀有两枚 HYPERLINK t _blank 弹丸，鼓下有柄，转动鼓柄，弹丸甩动击鼓发声。“四层拨浪鼓”则由四个

2、由小渐大的小鼓，逐个叠摞在一起，相间转向90 度，摇动时一起发声。一般而言，鼓面越大，发音越低沉，反之发音越高亢。拨浪鼓这种玩具之所以得以广泛流传，主要是它的音响效果与娱乐效果共同发挥了作用。图2叫蝉是一种用竹木制作的民间玩具，也叫响蝉、竹蝉（如图2所示），它由蝉体（空腔）、空腔底膜、细线和甩棒构成。转动甩棒使蝉体做圆周运动，细线被拉紧，细线的一端在棒上的凹槽中转动，凹槽的松香细末加大了细线与棒的摩擦，从而通过圆筒底膜发生振动，膜的振动又推动竹制空腔的空气产生共鸣，从而让我们听到音调起伏变化的鸣叫声（类似蝉鸣）。这类玩具对优化课堂教学，丰富研究性学习课程，提高学生的综合素质方面都能发挥很大的促

3、进作用。本文中，笔者想从“振动类科学玩具”的课程化方面，谈一些具体的做法和体会。1、丰富演示实验，激发主动学习物理是以实验为基础的学科，而演示实验生动有趣，易形成悬念，它在创设问题情境，激发学生的学习兴趣和探究热情，增强学生在学习中的积极性和主动性，引导学生追根求源探索知识上有极其重要的作用。比如在简谐运动的教学时，我先拿出玩具架子鼓，请学生来即兴表演，激起他们的参与热情，我的教学设计如下：师：你为什么能听到声音？生：因为有健康的耳朵；因为锣鼓发出了声音；因为空气能传播声音。师：从声源开始研究，锣鼓为什么能发声？生：（初中已有的知识）因为物体的振动。师：如何知道锣鼓在振动？生：（经过自主探究后

4、提出）用手触摸敲击后的锣，感觉到明显振动；在鼓面上放一些小纸屑，当鼓面振动时，纸屑会在鼓面上“跳舞”；用手阻止鼓面的振动时，鼓声会立即停止。（并请学生按自己的设想用实验演示，通过听觉、触觉、视觉来感受振动） 图3师：那振动是怎样的运动呢？你能举出一些振动的实例吗？图4接着我拿出了玩具竖琴（如图3），拨动琴弦能发出清脆的琴声，仔细观察能发现琴弦在原来位置两侧做往复运动，我又拿出一个滑稽的不倒翁来回摇摆，拿出一个毛毛球上串下跳（如图4），从这些玩具的运动中找出了振动的特点。如此一来，学生已经完全投入到新课的学习中，我就可以引入理想的物理模型了。在简谐运动的描述中，我用架子鼓、风铃、敲打琴（如图5）

5、等玩具感知音调与响度的不同，引发学生对振幅周期的思考；在外力作用下的振动中，我有节奏地推动不倒翁，让学生观察周期和振幅的变化，然后用改装成“小动物荡秋千比赛”的共振摆来导入课题，又用了伸缩喇叭、叫蝉及鸟笛等玩具来说明空气柱共振。图5学生对这些简易的实验用具感到既熟悉又亲切，而在物理的课堂中出现，能把玩的乐趣转变为学的兴趣，带着一个个问题来探究其中的奥妙。之后的学生反馈和学习成果足以证实我们的尝试取得了阶段性成功。2、娱教合一，优化课堂教学 威廉格拉塞博士认为人的行为内驱力来自人的固有的需要，学生有三种需要：对爱的需要；对力的需要；对自由、娱乐的需要。 我们追求的“娱教”是生动有趣的紧跟时代前沿

6、的注重人性的教育理念，只有将古板的“迂教”变成“娱教”，改变以往的教学模式，才能提高现在物理教学质量，从而让我们的物理学科充满生命力。作为物理教师，我们可以从实验探究入手，增加实验的趣味性和娱乐性。图6我在多普勒效应一节中做过这样的教学尝试：让学生分组用叫蝉来探究多普勒效应产生的条件。让一人在水平面内匀速快速旋转细线，使叫蝉发声（如图6），该组的其他同学站在原地仔细听，判断音调是否变化，是否有多普勒效应发生？也可以靠近或远离叫蝉，或者站在转动轴轴心处倾听，或者与叫蝉同方向或者反方向跑动，或者让学生设计方案自主探索研究。我们看到每组学生都积极主动地进行实验，仔细感知、分析，沉浸在探究的愉悦之中，

7、在身心愉快中进行学习。等几组实验都完成后，分别让他们汇报探究结果，从而可以培养学生的信息收集和处理能力、语言交流表达能力、团队协调合作能力，等等。下课铃响以后，学生们还在用叫蝉转着玩着，体验着物理学的博大与神奇。图7在外力作用下的振动一节中，通过受迫振动仪了解共振条件后，我拿出了鸟笛现场吹出了婉转悦耳的笛声，通过它来了解一些乐器的发声原理。其实，管乐器的发声方式和鸟笛相类似（如图7），只要设法激起空气柱的振动，就能使空气柱产生驻波，并在周围空气中发出声波。讲到这，有的学生点头称绝，也有的学生带着更疑惑的表情提出了更为深刻的问题，比如“驻波是什么？”“驻波是怎么产生的？”，我不禁窃喜，难道这不就

8、是我们老师想达到的目的吗？图8在驻波中，我们能深入分析内部的奥妙。驻波是两列沿相反方向传播的振幅和频率相同的波叠加时形成的。如图8所示，同频等幅的两列波发生干涉，如a点振动总是最激烈，b点始终处静止状态，某一频率的声波因为产生驻波所以显得格外响亮。在实践中，我们积累的经验是：要提高物理教学的有效性，有效的方式就是“娱教合一，先娱后教”。传统的课堂教学不能形成一个真正的“师生学习共同体”，但如果我们能把目光对准学生，努力创设和谐、愉快的教学气氛和各种教学情境，发挥出科学玩具的教学价值，那么就可以变“苦学”为“娱学”，变“要我学”为“我要学”。3、自制玩具乐器，开展研究性学习图9体验学习体现着娱教

9、理念中对人之“乐”的尊重，并欲将之实现为学习的动力，而研究性学习是以“培养学生具有永不满足、追求卓越的态度，培养学生发现问题、提出问题、从而解决问题的能力”为基本目标而开展的自主活动，那么，精彩多姿的物理世界必然会成为学生研究性学习活动的天然题库。作为物理教师，我们应该让科技活动贯穿于物理教学的始终，让学生有更多的机会去设计开发，实践体验和创新。图10有一研究性学习小组提出了“玩具敲打琴发音原理”课题，通过对琴面金属条大小形状材质长短以及厚度的分析来探寻音调规律，并在此基础上倡导大家开展了玩具设计与制作比赛，其中有很多环保作品，比如锯条琴（如图9），用一些废锯条，像琴键一样从左到右、由长到短排

10、成一行，然后把它们固定在一块木板上或者木盒子上。用手指弹动锯条，锯条产生振动，不同长短的锯条会产生不同音调的声音；又有用废旧的啤酒、酱油、陈醋、白酒等玻璃瓶装入不同的水做成简易的“瓶琴”（如图10）；把易拉罐、饮料瓶、废钢管、竹竿等废旧材料进行处理，制作成打击乐器；把奶茶吸管剪成不同的长度，底部密封排在一起做成“排箫”；用废旧的空箱子和不同长短的橡皮筋做成了“弦琴”，如此便组成了一个环保小乐队，同学们拿着自制的乐器兴奋不已，用自己的智慧完成了一首首简单儿歌的演奏，完成了科学与音乐，科学与技术的的大综合活动，不仅提高了科学素养与技术素养，也提高了艺术素养。还有其他学习小组同学提出了“振动类玩具的

11、市场调查”、“乐器中的物理规律”、“振动类玩具的研究与改进”等，在老师的指导下，他们饶有兴趣地完成了从选题到组队、从调查实践到总结报告的整个学习过程。我们鼓励学生自由奔放地想像，拓展学生“探究”、“发现”、“研究”、“创造”空间，有效地培养学生的创新精神和实践能力。4、挖掘玩具素材，设计创新试题图11为了体现新物理课程理念，在试题中应体现科技与社会发展，联系自然与生活，注重考察学生的科学探究能力与学科渗透，提高学生的科学素质，培养学生终生学习的兴趣。以科学玩具为背景的题目立意新颖、活泼生动，学生愿意做、乐意做，大大提高了解题效率和练习效果。图12题1：管乐器靠管内空气柱的振动发声，基于空气柱内

12、产生驻波。应用这一原理可以用来测定声速，如图11所示，一根长约一米B端封闭的玻璃管，称为昆特管，当右边铜杆振动时，在管内形成声波，从A端发出的波传到B端后发生反射，调节管长L满足一定条件时，入射波与反射波形成驻波，在管内均匀地散布一些锯木屑，发现有的地方木屑变稀有的地方变密，这就是波腹和波节处，设实验得到波节为n个，铜杆振动频率为f，则测得声速为（ ）A.fL/n B. 2fL/n C.fL D.2 fL根据驻波原理可知L=n/2，故=2L/n，再根据v=f可以测知声速，选A。题2：有兴趣小组同学做了一个“魔术风车”玩具，在一根圆木棒上均匀地刻划一排凹槽口，在另一端钉上一木片作旋翼（如图12所

13、示），当用另一根棒轻快地抚摩凹槽时，会看到旋翼神奇地飞快旋转。保持不同手指接触棒，可以看到旋翼向不同方向旋转，该如何解释这么有趣的现象呢？图13其实，当凹槽受到抚摩时，棒参与了水平和竖直两个方向的振动，由于棒的水平与竖直方向形状不同以及手指粘棒位置不同造成这两个振动的振幅和初相都是不同的，为了简明起见，我们可以吧它们看做两个互相垂直的同频简谐振动的合成：x=A1cos(t+1)，y=A2cos(t+2)，两式消去t得到轨迹方程：+=sin2，合成的详细情况如图13所示，当-0时沿逆时针方向旋转，当0时沿顺时针旋转，可知，当A1=A2且=时退化为圆。我校物理教师正在努力构建有开放性、综合性的校本教材，提供完整的研究