STEAM教学理念在声音的特性实验中的应用

龚杰

(银川市第九中学 宁夏 银川 750021)

汪成瑞

(宁夏大学附属中学 宁夏 银川 750021)

徐超凡

(南京师范大学附属实验学校 江苏 南京 210023)

1 引言

随着《普通高中物理课程标准(2017年版)》的公布，义务教育阶段的物理课程标准也逐步开始修订，帮助初中阶段的学生建立物理学科核心素养理应得到教师广泛关注.这样，怎样将物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个维度有效统一便成了迫在眉睫的问题.

在教育邻域STEAM理念并不是新兴事物，早在上世纪70年代为加强美国K12关于科学、技术、工程、以及数学的教育，美国学者Hurdz率先提出了STEM教育[1]，是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)4门学科英文首字母的缩写，到2008年美国学者Georgette Yakman在此基础上添加了对学生的艺术(Art)教育，便形成了今天我们所讲的STEAM教育[2].STEAM教育理念强调将各学科融入到具体的实践项目中，在实践中巩固理论，并且可以为学生创造真实的教学情境.因此将STEAM教育理念引入初中物理教学，结合DIS数字化信息系统，完成实验探究，具有一定的实际意义.

2 “鸟笛”项目的制作

初中阶段的学生，身心发展尚不完善，所以在项目设计上必须要考虑到学生的学习能力与动手能力，不能过于复杂.用中性笔与棉签制作鸟笛是中学生能够完成的任务，而且材料廉价简单易得.准备好中性笔、棉签、水等材料，将中性笔的两个顶端打开，把棉签沾湿，从一端塞入中性笔管内，如图1所示，这样一个简易版的鸟笛就制作完成.将空气吹入笔管未封闭的一端，拉动棉签便可听到犹如鸟鸣的声音，如发生漏气现象可在管内加入少许的水将其密封.

图1 “鸟笛”示意图

3 基于“鸟笛”项目的实验探究

声音对于初中学生来说，既熟悉又陌生，经过小学科学课与前期物理课的学习，对声音已经有了基本认识，但是对声音的3个特性:音调、响度与音色，没有科学地认识，尤其对于音调和响度难以区分.DIS数字化信息系统是将传感器、数据采集器与计算机连接起来共同测量物理量的装置[3]，如图2所示，可直接在计算机上显示获得的实验数据，并通过图表、图线等直观方式呈现数据.我们将制作好的“鸟笛”与DIS数字化信息系统结合，把抽象难以观察的声音信号可视化，强化学生对声音特性的理解.

图2 DIS数字化信息系统示意图

3.1 利用探究实验帮助学生建立振动的观念

在前期的学习中学生已经知道，声音是由物体振动产生，它的传播是依靠介质振动，但是学生对振动的了解仅停留在前概念阶段，并不科学，也不系统，没有形成与振动有关的图式，不能将频率、周期、振幅等概念与振动相关联.利用DIS数字化信息系统把学生看不见、摸不到的声波可视化，从而帮助学生建立振动的观念.

(1)实验仪器介绍

计算机、数据采集器、声音传感器、音叉、自制鸟笛.

(2)实验方案

第一步，把声音传感器、数据采集器、计算机相连接，在计算机中打开相应软件；第二步，敲动音叉采集数据生成音叉的声波图像，并让学生仔细观察音叉；第三步，吹动鸟笛用DIS数字化信息系统收集数据.

(3)实验结果

学生通过观察音叉，可以看到音叉发声是由于音叉振动.DIS数字化信息系统生成的图像，如图3、图4，能够清楚地看到振动的波形图，声音传感器是在声音的传播路径中，证明了声音传播需依靠介质振动.仔细分析该振动波形图(图3)，可清楚地观察出周期、频率、振幅.完成一次全振动所需的时间叫做周期，即两个横坐标之间所对应的图像为一个周期，图中共经历了8个全振动，就有8个周期.单位时间内完成全振动的次数叫做频率，通常单位时间为1 s，即1 s内振动的次数，此时频率的单位为赫兹(Hz)，从图中可以看出该音叉所发出声波的频率为505 Hz，这样一个周期约为0.002 s.振幅是物体振动的幅度，在图像中能够直观地反映出该声波振动的幅度.从图4中可以看出，鸟笛所发出的声波同样具有周期、频率、振幅.

图3 音叉发出声波的图像

图4 鸟笛发出声波的图像

3.2 利用实验探究音调与频率的关系

吹动鸟笛，来回拉动棉签，让学生感受声音的变化，发现声音有高有底，物理学中把这种声音的高低叫做音调.通常在没有教师引导的情况下，学生并不能将音调与频率相互联系.利用数字化信息系统，采集声音的频率，使学生探究音调与频率的关系.

(1)实验仪器介绍

计算机、数据采集器、声音传感器、自制鸟笛.

(2)实验方案

第一步，如图1所示，从插入棉签端的端口开始，在笔管上每隔一定长度作出相应标记(图中每隔1 cm作一次标记)；第二步，把声音传感器、数据采集器、计算机相连接，在计算机中打开相关软件；第三步，先使棉签固定在最底端的标记点，吹动鸟笛收集数据；第四步，将棉签向上移动到下一标记点，吹动鸟笛收集数据；第五步，重复上述步骤，收集6次以上的数据.

(3)实验结果

实验结果如图5所示，分别从最底端开始记录，向上移动6次棉签，共记录了7组数据如表1所示.当棉签在最底端时，采集的频率为763 Hz，听到声音的音调较低，在“鸟笛”内空气振动较慢.当棉签在最顶端时，采集第7次的频率为1 636 Hz，听到声音的音调较高，在“鸟笛”内空气振动较快.

图5 声音频率实验结果图

表1 声音频率实验数据表

3.3 利用实验探究响度与振幅的关系

在用鸟笛“演奏”时，细心的学生其实就能够发现，当他用较弱的气息吹动鸟笛时，鸟笛发出的声音较小，用较强的气息吹动鸟笛则声音较大.但是声波看不见，也摸不着，初中阶段的学生通过教材(以人教版为例)中“拨动”直尺的实验虽能够在振幅与响度两物理量之间建立联系，但采用数字化实验，将抽象的声信号转换成直观的图形，可进一步帮助学生将二者关联，获得更好的教学效果.

(1)实验仪器介绍

计算机、数据采集器、声音传感器、自制鸟笛.

(2)实验方案

第一步，把声音传感器、数据采集器、计算机相连接，在计算机中打开相应软件；第二步，使棉签固定在任意位置，保证实验过程中棉签位置不发生改变；第三步，用渐变的气息吹动鸟笛，听鸟笛声音大小的变化，并记录数据.

(3)实验结果

我们采用从弱到强的气息吹动鸟笛，实验结果如图6所示.从图中可以清楚地看出，在气息由弱到强的变化过程中，声音的响度不断变大，鸟笛所发出声波的振幅也随之不断变化.0.60 s时声波轻微振动，响度较小，1.20 s以后声波振幅较大，响度较大.不难发现，声波的振幅与响度有关，振幅越小，响度越小，振幅越大，响度越大.

图6 声音的响度与振幅实验结果图

3.4 利用实验感受音色

不同的人说话声音不同，不同的乐器所发出的声音也有差异，其实就是不同物体振动时发出的声波不同.物理学中把这种声音的特性叫做音色[4]，通常情况下我们能够感受到音色的不同，结合数字化实验，从波动的角度去理解音色，加深学生对声音的认识.

(1)实验仪器介绍

计算机、数据采集器、声音传感器、自制鸟笛、钢琴、葫芦丝.

(2)实验方案

第一步，把声音传感器、数据采集器、计算机相连接，在计算机中打开相应软件；第二步，采集钢琴产生的声波；第三步，采集自制鸟笛产生的声波；第四步，采集葫芦丝产生的声波.

(3)实验结果

钢琴发出的声波图像如图7所示.

图7 钢琴发出声波的图像

葫芦丝发出的声波图像如图8所示.

图8 葫芦丝发出声波的图像

从图4、图7、图8中可以看出，鸟笛、钢琴、葫芦丝3种乐器所发出声音的频率基本一致时(鸟笛886 Hz、钢琴885 Hz、葫芦丝881 Hz)，3者声音的波形图却有很大区别，这便是它们的音色不同.

基于STEAM教学理念制成的鸟笛，与DIS数字化信息系统有机结合，让“顽皮”的声音显出原形.结合直观的图形，能帮助学生透过表面现象从波动的角度去揭示声音的本质，探究声音的音调、响度、音色这3个主要特性.

4 完善“鸟笛”

鸟笛虽然已经制作完成，但不能够区分具体音调，还不能演奏出悦耳的乐曲，因此要对鸟笛做进一步完善.要想使鸟笛演奏出标准音调，就必须要清楚鸟笛中棉签位置与声音频率的关系.利用Excel表格便可以简单明了地发现棉签在鸟笛中的位置与鸟笛发出声音频率之间的关系.把表1中的数据导入Excel表格中，以鸟笛发出声音频率为纵坐标，棉签在鸟笛中的位置为横坐标，绘制散点图，如图9所示，得出函数关系式y=146.86x+498.71,公式中y为频率，x为距离端口(棉签端)的位置，这样便可知道某一位置的声音频率,也可以知道某一频率所在位置.例如，在频率表中查出高音3(mi)的频率为1 318 Hz，带入公式得出x的值约为5.58 cm，即在插入棉签一侧从端口开始量取5.58 cm，做好相应标记，将棉签推动到该位置，吹动鸟笛，就可以演奏出高音3(mi).用这种方法，选一首较为简单的乐曲，在频率表中找到相应音调所对应的频率，带入公式计算出每个音调所在的位置，做好标记，这样一根可以演奏出优美乐曲的鸟笛便制作完成.

图9 鸟笛频率与棉签位置关系图

5 结束语

STEAM教育理念重视学科间的融合,重视学生动手能力,以作品化的成果来评价学生.基于此教学理念，设计制作出鸟笛(这里的制作方式只是提供参考，可用其他的材料与方法完成制作)，用制成的鸟笛完成科学探究，培养学生的物理学科核心素养与跨学科综合能力，该实验所设计的内容如表2所示.综上，将STEAM教学理念与物理探究实验相结合，一方面践行了物理学科核心素养的要求，另一方面展现了全方面培养学生的教育观念.这样的融合式实验学习即能让学生享受应用知识解决实际问题的乐趣,又能充分调动学生的学习积极性, 培养学生自主学习能力、逻辑思维、批判性思维和创新性思维.同时，优化了传统的教学方式，从物理学科核心素养的角度，深化了教学中的情境性，促进学生对知识的理解，增加了课堂的趣味性.

表2 鸟笛STEAM实验涉及内容