优化材料取精确 量化视觉促概念

杨宁赞+乐滢滢

摘 要 小学科学教科版四年级上册声音单元学生通过拨动钢尺、橡皮筋，敲击音叉来感性认知声音的强弱高低，因环境等各方面因素的影响，学生不能准确做出判断。通过重构实验，优化材料，利用数字化传感器将定性认知转化为定量学习，尝试对经典实验进行创新设计。

关键词 小学科学；数字化传感器；实验

中图分类号：G623.6 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）23-0148-04

1 问题聚焦

小学科学教科版四年级上册声音单元第三课“声音的变化”，这一经典的实验探究课在声音单元起着承前启后的关键作用。本课教学内容由两部分组成。

第一部分：观察比较声音强弱的变化。学生通过拨动伸出桌面的钢尺，了解物体振动幅度越大，声音越强；振动幅度越小，声音越弱。

第二部分：观察比较声音高低的变化。学生通过用小棒敲击4个水位不同的玻璃杯，发现声音高、较高、低、较

低。学生通过拨弹粗细不同的橡皮筋，敲击长短与粗细不同的铁钉、粗细不同的钢管、长短不一的PC管和弹拨琴弦，发现物体振动得越快，声音就越高；物体振动得越慢，发出的声音就越低。

从活动的结构上和密度上，编者充分考虑了四年级学生的认知水平和思维能力，并且能以阶梯式螺旋结构设计实验，铺开教学。但展开教学后，四年级9个班的学生实验中，却发现以下3个问题。

问题一：声音强弱难听清。这一课在教学中，学生能够辨别声音的强弱变化是关键，但是在实验时，学生组与组之间拨动钢尺的声音互为干扰，学生讨论争辩则形成第二层声音干扰，两层干扰之下，听清钢尺发出的声音难上加难。

问题二：声音高低难辨别。第二个环节中，敲击4个水位不同的玻璃杯后，发出的声音高低区别度不大，难以辨别。第二个活动中，给每组提供的3个长度、大小或面积不等的生活材料，由于受干扰因素太多，发出的音高变化、区分度更是不明显，而且敲击不同位置，声音也不同。学生的错误前概念则容易在这难以辨析的声音中混淆强化。

問题三：物体振动难看清。这两个经典实验不仅要让学生辨别声音，还需要学生看见物体发声时的振动幅度和振动快慢。而桌面钢尺因其材料较硬，振幅大小变化很难看清；拨动橡皮筋、琴弦，振动快慢勉强看清，但是铁钉、PC管、钢管振动的快慢基本看不见。然而，“声音强弱与振幅大小以及声音高低与振动频率有关”，这恰恰是本课的重难点，“声音与物体振动的关系”更是本单元核心概念。

综上可见，经典设计、材料和普通的观察方法很难突破本课的重难点。

2 实验优化，促成效

对此，对“声音强弱与振幅大小关系”和“声音高低与振动频率关系”这两个实验进行改进，优化材料，并合理采用数字化实验，利用传感器突破重难点，最后拓展课堂外延，让学生感受科学和艺术结合的魅力，使学生在知识、技能与情感三个维度上都有效达成教学目标。

改进一：增加辅助材料共鸣（盒放大声音、声音导管接听声音、C型夹固定），让“听觉”更敏锐

1）原型实验：观察比较声音强弱的变化。具体步骤：

①让学生用一只手压住钢尺一端在桌面上，另一端伸出桌面10～12厘米；

②用另一只手轻轻拨动伸出桌面的钢尺一端，观察尺上下振动的幅度有多大，发出的声音有多强，并用振动幅度大或小、声音强或弱做记录；

③增大用力，方法同前。

实验要求：准确描述振动幅度越大，声音越强；振动幅度越小，声音越弱。

经过多次教学，不足之处有三：

①同时实验，教室吵，相互干扰大，音量大小难听清；

②用力拨动钢尺时，四年级学生无法让钢尺与桌面紧贴，导致听到的声音是钢尺与桌面碰撞的声音；轻轻拨动时避免了钢尺与桌面碰撞，能看到尺子的振幅，但音量很小，难听清声音；

③钢尺弹力不强。

2）创新设计：利用共鸣箱、声音导管、锰钢尺等放大实验现象，让学生的“听觉”更加敏锐。如图1所示，先用共鸣箱将锰钢尺压紧在桌子边缘，并用C型夹固定；拨动锰钢尺悬空部分，用声音导管接听声音。

共鸣箱虽小，效果却好，不仅可以将声音通过共鸣放大，还可以直接通过声音导管汇聚到学生的耳朵，清晰明确，避免了组与组之间以及组内讨论的干扰。共鸣箱下的浅槽将锰钢尺扣在凹槽里面，不会滑动；C形夹则解决了钢尺与桌面碰撞，看似高级，却经济实惠，一个小小的固定夹，便可以解放学生的双手；而教学用的钢尺用锰材料代替，弹性更强，听到的声音也更清楚。

通过改进材料，优化细节，放大了实验现象，学生直观感受到振动幅度越大，声音越强；振动幅度越小，声音越弱，很好地达成实验目的。

改进二：利用数字化传感器，将“视觉”化“数据”

原型实验一：观察比较声音高低的变化。如图2所示，用1、2、3、4给盛有满杯、约3/4杯、约1/2杯、约1/4杯水的玻璃杯标上号，并用小棒敲击，预测它们发出的声音会有什么不同？并用声音高、较高、较低、低排序，做好记录。根据从1号杯到4号杯或从4号杯到1杯的顺序，反复敲击杯口，比较它们发出的声音有什么不同，再与小组的预测进行比较。

实验要求：能区分声音高、较高、较低、低，并记录。

原型实验二：用多种材料观察比较声音高低的变化。如图3所示，拨弹不同松紧度的橡皮筋和小提琴琴弦，敲击长短不同的3根铁钉、3根PC管、3根粗细不同的钢管。

实验要求：让学生发现物体振动得越快，发出的声音就越高；物体振动得越慢，发出的声音就越低。

这两个原型实验不足有三（图4）。

①通过用小棒敲击4个水位不同的玻璃杯，让学生发现声音高、较高、低、较低。浙江省教研员喻伯军老师曾召集专家在省里专门研究，大家的解释都不一样，因为这个实验的变量实在太多。

②当敲击铁钉、钢管和PC管这些材料时，无法用肉眼看到它们在振动，区分振动快慢成为空话。

③生活中的材料受干扰因素太多，所以敲击时它们的频率会发生变化，甚至出现长铁钉比短铁钉的频率更大的情境（图5）。

创新设计：在音阶中辨析声音高低，用传感器量化振动现象。正因为学生听的“音高”、观察的“振动频率”无法明显辨别，所以从“专业乐器”和“数字化传感器”两方面共同入手。“数字化传感器”中的“振动频率传感器”能把现象转化为图示、数据，进一步精确且直观地帮助学生识别物体发声的振动频率，实现了1+1>2的实效。

创新设计点1：利用乐器替换生活材料（图6）。生活材料虽然随手可得，但材料的密度不均勻，音高并不稳定。因此，提供的材料为乐器和学生自制乐器，因为四年级学生在“1234567”的音阶中更容易找到音高，而且材质多元化，涉及木头、空气柱、金属、皮质，又涉及粗细、大小、长短各不相同，让学生能够更丰富、更精确地获得感性材料，帮助学生排除次要因素的干扰，更快揭示研究对象的本质，有效建构科学概念。

创新设计点2：利用“数字传感器”，将“视觉”的不可辨别转化为“数据”（图7）。这一课的“数字传感器”主要利用两种：“振动幅度传感器”和“振动频率传感器”。连接电脑后，屏幕上就会即时出现振动幅度大小、频率快慢的图像和数字。

“振动幅度传感器”主要应用在“观察比较声音强弱的变化”实验中，辅助学生进一步通过图像的形式看到钢尺发出强弱音时的振动幅度区别。当学生拨动钢尺，发出声音时，借助声音振幅传感器和电脑，屏幕上会出现在一条线上用不同颜色记录实时振幅，将原本直接用肉眼看不易区分的振幅比较，转化为清晰可见的振幅图示，结果一目了然，减少歧义，避免了学生之间的无效争论。

“振动频率传感器”则应用在“观察比较声音高低的变化”实验中，学生可以通过听到的音高、看到的波纹线密集度和频率数大小进行比较，辅助学生通过图像和数据看到发声物体发声时的振动频率（图8）。

通过图9所示8组数字和图像，学生显而易见就能得出“尺子振动得越快，发出的声音就越高；振动得越慢，发出的声音就越低”，轻松解决传统实验无法解决的问题。

3 实验高效，促生成

综上，“声音的变化”一课中，通过对实验材料的改进，对实验细节的优化，使实验环节更加细致；通过利用声波传感器采集数据和图像，从定性走向定量，使实验更加精确；通过细致的实验环节、精确的数据，更加直观形象地让学生内化了科学概念，对声音与振动的关系有了本质化的认识，使实验走向深入，不但解决了教学中的三大难处，而且大大激发了学生制作乐器的热情（图10）。

4 结语

随着“大数据”时代的来临，人类社会从建立数学模型分析食物到发明计算机加速模型运算，到今天进入数据发现和数据观察时代。“现在14纳米传感器技术在不断改进，很快会进入10纳米，直到8纳米。”Teradata天睿公司首席技术官Stephen Brobst在“2015Teradata大数据峰会”上特别强调这些细如尘沙的传感器对数字世界的巨大影响。反观小学科学课堂，需要在一些定性认知模糊的实验中适时加入“数字化传感器”的应用，让学生的实验效果更精确、直接、明了，为学生深入思维交流、共享赢得更为广阔的时间和空间。

参考文献

[1]韩桂英.科学探究活动中材料的有效应用[J].科学课，2008（5）：50-51.

[2]北京桂馨慈善基金会.走向探究的科学课[M].杭州：浙江教育出版社，2012.

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[4]教育部基础教育司.全日制义务教育科学（3～6年级）课程标准解读[M].上海：华东师范大学出版社，2002.