核心素养目标下“声音的特性”DIS实验教学活动设计

1、核心素养目标下“声音的特性”DIS实验教学活动设计作者：张旺汪志荣来源：物理教学探讨2021年第09期图1音叉三次发声的波形图FTT：n图3排箫结构图图4DIS实验显示排箫的声波表1排箫长度和振动频率及发声的音调特征编号排箫长度)第一组(也)第二组(Hz)第三组(112)I2L43883883862173487489487313.658658458241L268S68768759.286886486667.610291030102976.4129612961294音调变化由低到高图5不同音色的声音波形图关键词：DIS实验：声音的特性：声波图：教学活动设计“声音的特性”是在介绍声音的产生与传播知

2、识的基础上，进一步对声音性质的认识，对初中声学内容起到引领和铺垫的重要作用。教学中要让学生了解声音的特性，最好的方法是动手实验，让学生通过真切的感受去认识。与传统实验教学相比，运用DIS进行本节探究活动设计，结合直观的实验现象，发挥实验数据采集和信息可视化功能，帮助学生从振动图像特征的角度去理解声音特性的概念，将声音响度的大小、音调的高低以及音色的差异，与声波波形图的高低、疏密和形状等性质结合起来进行对比分析，将有利于学生形成描述声音特性的相关物理概念。物理核心素养集中体现了物理学科的教育价值，是三维课程目标的整合、提炼与发展，为了发展学生的物理学科核心素养，本节教学将DIS数据采集分析系统和

3、中国传统乐器结合起来，设计“声音的特性”探究教学活动。1情境导入首先，欣赏一段保卫黄河交响乐，创设问题探究情境。引导学生思考，这段音乐时而亢奋，时而平稳，其中的声音有何不同？交响乐演奏当中用到哪些乐器？这些乐器发出的声音有何不同？其中有男生合唱和女生合唱，这两种声音又有何不同？进而提出如何认识不同声音的特性？由此开展实验探究教学活动。2DIS实验设计2.1探究响度及其影响因素教师首先进行实验演示：用不同大小的力敲擊音叉，让学生辨别音叉先后两次发声有何不同？引导学生分辨出声音的强弱不同，进而指出，物理中用响度来表示声音的强弱，即声音的大小。然后，让学生列举生活中有关响度差异和变化的声音现象，加强

4、学生对响度概念的理解。教师追问：影响声音响度大小的因素是什么？围绕上述问题，开展演示实验：依次用很小的、较小的和较大的力敲击音叉，并让音叉接触悬吊在铁架台上的乒乓球。引导学生听音叉三次发声的响度和观察乒乓球的振动幅度，指出乒乓球振动有何不同？三组声音的响度有何差异？进一步说明，敲击音叉，音叉振动发声，但是振动很微弱，肉眼无法观察，所以运用转化法和放大法，将振动的音叉轻触乒乓球，乒乓球便在音叉的作用下振动。乒乓球振动的幅度越大，反映音叉振动的幅度也就越大。由此指出，物理学中，用振幅表示物体振动的幅度。分析演示实验现象，得出结论：声音的响度与振幅有关，振幅越大，响度越大;振幅越小，响度越小。探究响

5、度的影响因素，除了传统实验外，还可以应用DIS实验装置。实验时，用较大的、较小的和很小的力敲击音叉，通过声波传感器依次采集音叉发出的声音，用电脑显示三段声音形成的波形图（图1），并无线投屏到讲台上的大屏幕。通过观察、分析波形图可知，不同响度的声音形成的波形图高低不同，波形图越高，说明振幅越大，则声音的响度越大。应用DIS实验探究声波振幅，利用图像进行表征，不仅有利于促进学生对振幅概念的理解，认识振幅和响度的关系，同时还能够引导学生认识通过物理图像分析声音特性的研究方法，为进一步探究音调和音色的影响因素奠定认知基础。同时，结合数字化实验技术应用，能够激发学生的探究兴趣。教师进一步追问学生：声音的

6、响度除了与声源振幅有关，还可能与什么因素有关？并列举声源距离和分散程度引起声音的响度变化，引导学生理解声音响度还与声音的传播距离和分散程度有关。2.2探究音调及其影响因素的DIS实验设计教师首先播放一段用古代编钟演奏东方红的音乐视频，让学生猜想古人用编钟演奏的声学道理。为了让学生认识编钟演奏的原理，激发学生的探究兴趣，用不同长度的合金管制作了简易合金管“编钟”，如图2所示。让学生用木棍由长到短依次敲击合金管，保持敲击力度大致相同，让学生感受长短不一的合金管发出声音的差异，体会其中音乐演奏的道理。通过引导学生辨认声音的高低不同，引出音调的概念，在物理学中，用音调表示声音的高低特性。创设问题情境：

7、教师再次用木棍依次敲击合金管，由长到短，合金管发出的声音逐渐变得尖锐，即声音的音调逐渐变高，提问音调的高低与什么因素有关？接着开展随堂小实验，让学生拨动直尺，直尺振动发声，改变直尺伸出桌面的长度，再次拨动直尺，两次操作发现直尺振动的快慢不同。由此指出，在物理中用频率表示物体振动的快慢。频率是物体每秒内振动的次数，单位是赫兹（Hz）。2.2.1定性探究音调的影响因素古代乐器排箫是由长短不同的萧排列组合而成，如图3所示。排箫发声稳定，吹奏长度不同的箫管，发出声音的音调不同。因此，可用排箫和DIS实验定性探究音调的影响因素。教师演示排箫发声：选择四根箫管，由长到短地均匀用力吹奏，用力大小相当，让学生

8、辨认几组声音的音调差异。同时，用声波传感器采集上述实验的四组声音，并将电脑显示的声波图（图4）投屏到大屏幕，引导学生观察，比较分析振动特点的差异，得出音调的影响因素。实验表明，随着排箫的萧管长度变短，发出声音的音调变咼。分析DIS显示的声波图可知，随着排箫长度变短，发出声音所形成的波形图逐渐密集。波形图的纵坐标表示振幅，横坐标表示时间，由于频率与周期成反比关系，所以波形图的疏密程度反映了振动频率的大小，波形越密，频率越大;波形越疏，频率越小。2.2.2定量探究音调的影响因素通过“听”和“看”进行定性的对比实验探究，能初步得出音调与频率的关系，但该结论的精确性和普遍性还需要定量探究。（1）设计方

9、案和实施探究DIS声振功能界面不仅能显示声音的波形图，还能显示发声物体振动的具体频率值。排箫共有14根长短不同的箫，为了凸显数据的变化规律，按照由长到短的顺序每隔一根选取一根箫为研究对象，共选择7根箫，对它们从1到7进行编号，测量其长度。由教师吹奏排箫，同时开启DIS实验装置，用声波传感器依次采集这些排箫发声的频率，学生依次辨别和记录各自发声的音调特征，并记录数据。以下记录了3组实验测量结果，如表1所示。2）科学观察和数据分析，总结结论听7根箫发声的音调，定性寻找音调与排箫长度的关系特征，记录7根箫发声时空气柱振动频率数据，定量分析排箫发声音调与排箫长度、振动频率之间的关系特征。由实验数据可知

10、，三组实验均表明从长到短依次吹奏排箫，声振的频率越来越高，声音的音调也越来越高，说明声音的音调与发声体振动的频率有关，频率越大，音调越高;频率越小，音调越低。（3）对实验结论进行科学解释关于音调决定于声源的振动频率，应从发声的物理机制进行解释，阐明物理原理。吹奏排箫，气流进入管内，与管的内壁发生摩擦和碰撞，空气柱振动发出声音，由于每根箫的长度不同，管内空气柱振动的快慢不同，即频率不同，管越长，管内空气柱振动越慢，频率越低，所以发出声音的音调越低。2.3探究音色及其影响因素理解音色概念及其影响因素的物理内涵是本节的教学难点。对于音色的影响因素，各版教科书中都未做过多描述，只提到“不同发声体结构材

11、料不同，发出声音的音色不同”。物体振动发声，振幅影响响度，振动频率影响音调，所以讨论音色的影响因素时，自然会想到声源振动的某一属性。运用DIS实验，从图像的角度去分析不同材料结构的振动方式不同，很容易突破音色这一教学难点。教师通过播放音频，让学生辨别二胡、鼓和笛子发出的声音，学生可辨别出这3种乐器发出声音的特色、品质不同。由此可以指出，物理中用音色表示声音的特色与品质。同时列举闻声辨人等例子，强化学生对音色概念的理解。设问：不同乐器发出声音的音色不同，那音色的影响因素是什么？演示：敲击合金管“编钟”和吹奏排箫，两次发声的音色不同。追问：合金管“编钟”由金属制作，属于打击乐器，排箫由竹子制作，属

12、于管乐器，这两种乐器的材料和结构不同。为什么发声体的材料和结构不同，发出声音的音色不同呢？运用类比方法，设计DIS实验，分析这些声音所形成的波形图。教师先敲击音叉发出声音，再依次播放笛子、二胡的独奏乐曲，用声波传感器依次采集这三组声音，让学生观察这三组声音所形成的波形图，如图5所示。现象分析：3列声波图的形状不同。很明显，音叉发声的波形图形状更平滑，更规则;相比较之下，笛子和二胡发声的波形图形状不规则，但是也具有周期性，这是什么原因造成的呢？引导启发：音叉、二胡和笛子等振动的方式各不相同。音又是金属振动发声;二胡发声是拉动弓弦与琴弦摩擦使琴弦振动而发聲：笛子发声是气流进入笛管内，与笛管内壁发生

13、摩擦、碰撞而使空气柱振动发声。音叉作为特制的声学实验仪器，金属材质均匀，结构规范对称，所以振动方式较为稳定，从而形成的声波图形状比较规则，呈周期正弦波图形，即使振动衰减，声音的响度变小，其形状规范性不变。相比较之下，二胡是多根琴弦振动，其振动方式较为复杂，所形成声音的波形图不规则。同样，引起笛子发声的空气柱振动方式也比较复杂，声波图也不规则。通过应用DIS实验显示声波图的方式设计探究活动，能够引导学生真正体会到由于声源的材料和结构不同，其振动方式和振动性质有差别，因而导致发声的音色不同。这种针对音色的概念教学，能够促进学生认识其物理本质。传统声乐文化教育中国古代传统乐器文化博大精深，其中蕴含着

14、丰富物理声学和乐律学知识，通过运用合金管“编钟”和排箫开展探究活动体现了对学生进行中国古典声乐文化教育。编钟是古代大型打击乐器，其声音洪亮、形态雄浑、坚固耐用，正因为如此，历朝历代都把编钟尊为宫廷乐器之首。据史料记载，早在商朝就有了青铜编钟，具有代表性的是1978年出土的曾侯乙编钟，是人类青铜时代最伟大的艺术作品，也是有史以来音乐考古学上罕见的重大发现，被誉为“世界第八大奇迹”，全套编钟由多达65件单体青铜乐钟组成，有着三层八组的宏大构造，总用铜量达4421.48千克。排箫是中国最早出现的编管乐器，最早出现于远古社会末期，是一件具有民族特色的乐器，其形制、音色都体现着中国传统音乐的审美理念，是中国悠久传统音乐文化的象征。教师进行声音特性的教学活动前，可以简要介绍中国古代传统乐器，开展传统声乐文化教育。这种活动设计，不仅仅介绍大型编钟和排箫的历史资料，还让学生运用合金管“编钟”模仿编钟演奏古代乐曲，通过实际操作体验，增进对编钟的了解。学生根据排箫的发声原理，可以在课下用吸管自制排箫，体验运用排箫演奏乐曲的乐趣，激发学生对中国古代文化的兴趣。结语运用DIS传感系统和中国传统乐器开展探究活动设计，能够培养学生的物理学科核心素养。一方面，运用DIS实验开展声音的特性探究活动，将实验现象转化为数