关于声音可视化实验的探讨与自制教具设计

王雄杰

摘   要：笔者结合光学知识，对声现象演示实验进行了三次设计与改进，利用激光笔与橡皮膜将蓝牙音箱的振动可视化为跳动的光斑，结合“旋转的八面体棱镜”与“视觉暂留原理”完成声音波形的可视化，最终完成自制教具的制作，并呈现了自制教具的实验效果，丰富了声学领域的实验教学方法。自制教具的设计将科学知识应用于实践，融入了教师的理解与思考，不仅可以有效提升教学效果，还能提升学生的科学素养。

关键词：声音可视化;自制教具;设计与制作;实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）7-0052-3

科学教学始终离不开实验教学，实验有助于学生科学观念、科学思维的形成，进而培养学生假设、推理、验证的能力[1]。利用优良的自制教具对教材中的实验进行改进，使实验过程更有趣、操作更智能、现象更直观，能较大程度地激发学生的学习兴趣，增强实验效果，帮助学生更好地理解知识的内在逻辑。

1    声现象演示实验的缺陷

在“声音的产生与传播”教学中，传统的实验方案大致有三类（图1）：“音叉触击乒乓球”“发声的音叉放入水中”“扬声器或鼓面上撒碎纸屑”。

它们的共同点都是利用放大法将振动放大，从而达到了可视化的效果。但究其本质只能算振动的可视化，而非声音的可视化。

其缺陷主要体现在以下两个方面：

（1）以乒乓球为例，乒乓球的运动并非等同于音叉的实际振动，只是由于乒乓球受到了一个力而做单摆运动，发声的音叉仅提供一个初始的力。类似于荡秋千，一方面“秋千”做单摆运动是因其受力，并非“手”在振动。同理，在演示实验中也只能推理出乒乓球受力。另一方面， 乒乓球的振动与音叉的振动并不同频，仅仅只能反映振动的幅度（声音的响度）。因此，直接进行这样“等效”不够严谨。

（2）无法体现出声波中“波”的特性与波形，学生不能理解为什么声音也是一种波，正如华师大版科学八下《教师教学用书》中提到“声音是纵波，但空气中的疏密程度无法直接看见，只靠分析讲述，又难以使学生想象出声波的形成过程，会形成教学中的难点”[2]，在介绍空气传声时声波类比成水波更是难以想象。

在“声音的特性”教学中，即使可以用示波器、话筒、扩音器等现代设备进行声音的可视化，看出“波”的特性与波形，但示波器的原理过于复杂，学生无法深入理解波的成因，只能呈现一个结果，不符合提升科学探究的要求。因此，以上方案的“可视化”是片面的、有缺陷的可视化。

朱正元教授曾倡导“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”[3]，自制教具是常规教具的重要补充。利用生活中的小物件进行教具的开发，一方面，实验器材取之于生活，用之于教学，拉进了生活与科学的距离，增加课堂的趣味性;另一方面，自制教具的设计符合“以学生为主体”和“提升学生科学素养与技术素养”的要求，增强实验效果，提升课堂效率。因此，本文就“声音可视化”问题进行自制教具的设计与制作。

2    “声音可视化”自制教具的设计与制作

2.1    设计与改进原理

笔者以“音叉触击乒乓球”演示实验为基础进行一系列的设计与改进。

方案一

改进方案：

音叉上贴上平面镜，利用光的反射将微小振动放大，如图2所示。

优点：实验效果更明显，且光斑的振动与音叉振动同步。

缺点：

①看不出波形;

②振動方式单一（简单晃动）;

③只能观察到振幅随响度的变化。

针对方案一的优点与存在的问题，紧接着进行方案二的设计与改进。

方案二

改进方法：

在两端开口的塑料小圆柱的一端蒙上橡皮膜，中间贴一块轻质平面镜，在圆柱体内放一蓝牙音箱作为声源。另一侧用激光笔照射，令其正好照在小平面镜上，反射光落在墙上，如图3所示。

优点：

①将微小振动放大，且光斑振动与橡皮膜振动同步;

②蓝牙音箱中不同音色下的振动方式不同，呈现出不同的图案（图4）;

③利用蓝牙音箱改变音量，明显反映出振幅与响度的关系，增强实验效果。

缺点：

①仍看不出波形;

②无法观察到声音的频率。

方案三

在第三次改进过程中受题目里“多面体棱镜连续改变反射光方向进行扫描”的启发，加入旋转的多面体棱镜让光斑不单单与薄膜同步振动，还能运动起来，从而使声波的波形可视化，完成最终自制教具设计（图5）。

改进方法：

由于人眼的视觉暂留原理，当光斑移动时，前一个光斑的振动图像并不会消失，而要延续0.1～0.4 s的时间，从而我们可以看到一段时间内光斑的振动，并按时间先后排列，将多面体棱镜的转速调在适当的范围，我们即可看到连续的波形图像，最终完成声音的可视化。

优点：

①光斑振动与橡皮膜振动（即声源振动）同步;

②能看到完整的声音的波形;

③能体现出声音的各种特性;

④实验效果直观明显。

2.2    实验器材

激光笔、铁架台、塑料圆筒、橡皮膜、蓝牙音箱、轻质平面镜、电动机、八棱柱铁架、塑料镜、大号蒸架（作底座）。

2.3    操作步骤

（1）将八面体棱镜（图6）固定在电动机上并水平放置，用铁架台固定激光笔，蓝牙音箱放入小圆鼓内（图7）。

（2）打开激光笔，调节角度使激光照射到小圆鼓上平面镜的中央，经平面镜反射后恰好射到八面体棱镜上，再次反射后在墙上留下一光斑。

（3）手机连接蓝牙音箱，播放音乐，观察到墙上光斑的舞动。

（4）打开电动机（图8），带动八面体棱镜旋转，调节转速至适当的范围，观察到声音完整的波形图像。

（5）调节蓝牙音箱的响度与音乐的频率，再次观察波形的变化。

2.4    实验效果呈现

通过自制教具对声音进行可视化，我们不光可以看到一条条优美的波形，还可以通过控制蓝牙音箱来改变声音的响度、音调、音色等特性，在波形图上找到对应的振幅、频率、圆滑程度的变化，学生能从本质上理解波的形成原因与波形图的含义，为后续学习打下坚实的基础。

除此之外，自制教具通过光学、声学等原理对演示实验进行改进，将声波可视化为优美、变化的图案，让实验现象更直观，让实验探究过程更有趣。利用手机、蓝牙音箱等设备让实验的操作手段更智能。

3    声音可视化教具在教学中的应用与展望

该教具还可用于其他声学实验教学中。比如，在后续研究声音的传播条件时，可将教具放置在密封玻璃罩内，抽干罩内的空气，观察墙上波形图的变化;在研究噪音与乐音时，可分别将噪音与乐音可视化，观察两者波形图的区别。

声音可视化的改进，丰富了声学领域的实验教学方法，配合着其他各种教具，能创新出更多富有新意的想法，进一步提升教学效果。

4    总结与思考

深度实验不仅指向学习的深度、实验的深度，更是指向教与学的发展过程[4]。教师的“教”应该是一个动态的发展过程，结合新技术、挖掘新素材，通过创新的科学实验给学生帶来更好的体验，让学习在体验中发生。

叶圣陶说教无常法，贵在得法。教师通过改进或者自制教具融入自己更深入的理解与思考，将科学的知识应用于实践，不仅提升知识点的教学效果，也提升了学生对科学学习的兴趣与创新意识的形成，实验的设计与改进过程更是让“发现问题”“应用科学知识解决问题”潜移默化地深入课堂，深入学生的情感，提升学生的科学素养。

参考文献：

[1]邢海根.改进声音产生与传播实验，提升学生的物理核心素养[J].物理教学，2018，40（10）：41-43.

[2]袁运开.科学八年级（下册）教师教学用书[M].上海：华东师范大学出版社，2013：2-3.

[3]袁国道，邢海根.诠释“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”新意[J].物理教师，2007，28（03）：39-40.

[4]肖建华.学科核心素养导向的物理深度实验教学思考[J].中学物理教学参考，2017，47（06）：12-15.

（栏目编辑    刘   荣）