“声音的特性”实验的可视化创新设计

摘要

“声音的特性”教材实验是将音叉发出的声信号输入示波器中供师生观察，因其存在音叉发声效果不稳定、示波器原理复杂、价格昂贵等缺点，故在实际教学中多采用对照波形图直接讲解的方式。针对教材实验的不足，利用生活中的常见物品创新设计实验，即：利用能够将声信号转化为光信号的实验教具突破传统教学的重难点。对比不同声音的波形变化，定性探究影响声音音调、响度和音色的因素。在教学实践中，低成本的创新教具不仅能提高实验现象的可视度，还能在培养学生物理学科核心素养方面发挥有效的作用。

Graphical abstract

关键词

声音的特性 / 可视化 / 演示实验 / 创新设计

通过实验，学生不仅可以学习知识和规律，还能有效增强实验探究、分析推理以及总结概括的能力，从而提升其核心素养水平。新课标提倡师生利用身边的物品、器具、材料等自主开发物理实验器材，增强实验现象的可视化和实验数据采集的实时化。因此，教师可通过分析教学内容并预设学生活动，对教材实验进行创新设计，包括采取自制低成本教具等手段，使实验现象既明显又稳定。这些举措既是开展探究实验教学的保障，也是驱动学生深度学习、培养其实践应用和创新能力的有效途径^［1］。在“声音的特性”实验教学中，存在不同声音特性的演示实验效果不够稳定、实验误差较大等问题。为解决问题，采取创新设计实验的方法，成功实现不同声音的可视化，就成为教师的必然选择。

1 教学与学情分析

该实验选自人教版物理八年级上册第二章第二节“声音的特性”，属于“声现象”章节的核心内容。新课标对该节的教学要求是：了解声音的特性；教学内容是在学生了解了声音的产生与传播后，进一步通过直观的波形图描述抽象的声音特性，构建声学基础知识体系。从教学要求与教学内容看，该节的内容与实际生活联系紧密，突出了新课标的基本理念——从生活走向物理，从物理走向社会。同时，该节所运用的实验方法为物理学基本的研究方法，这就为后面的学习作好了铺垫。该节学习的重难点是对声音不同特性波形图的理解。八年级学生刚学习物理，正处于感性思维向理性思维过渡的阶段，此时引入一个富有趣味且与所学知识紧密相关的演示实验，更能激起学生的求知欲^［2］。因此，在分析原教材实验可行性的基础上，笔者决定对“声音的特性”实验进行创新设计，希望能够借此提高实验演示的效果。

2 教材实验可行性分析

如图1所示，教材实验是将不同频率音叉发出的声音信号输入示波器、计算机或手机中，即可直接通过这些媒介观察声音的波形^［3］。

在实际教学过程中发现，原实验存在以下问题：首先，在实验演示时，随着音叉的振动，学生所听到声音的响度逐渐减小，示波器中波形图上的振幅出现变化，导致实验效果不够稳定，不利于学生进行观察；其次，在更换不同频率的音叉进行实验时，难以确保前后两次敲击不同音叉的位置和力度相同，而这可能导致较大的实验误差，引起学生对实验现象产生疑惑，不利于他们正确分析实验结果和掌握科学的控制变量方法；再次，对初中生来说，实验所用的示波器不仅原理过于复杂，而且只能呈现实验的最终现象，无法帮助学生理解声波的成因，不利于学生提升科学探究能力；最后，实验所用示波器的价格较贵，部分学校未配备，在实验演示时教师多用安装了专用软件的计算机辅助显示声音的波形图，而这在班级教学中难以达到良好的展示效果^［4］。

为解决原实验存在的问题，笔者特对“声音的特性”实验进行了创新设计，实现了可视化，效果颇佳。

3 实验的可视化创新设计

3.1 自制教具的设计图、所用器材及其原理

（1） 设计图：自制教具的设计图如图2所示。

（2） 所用器材：支架、激光笔、蓝牙音箱、直径为1 cm的小圆镜、8块3 cm×6 cm的平面镜、可旋转的八面体、手机。其中：支架用来调整、固定激光笔；激光笔上附有使用注意事项；小圆镜被粘贴在蓝牙音箱上；电动机连接联轴器，可带动附带的八面体转动；手机用来连接蓝牙音箱。

（3） 原理。该实验运用了转换法和视觉暂留原理，即：当手机（音频发生器）连接蓝牙音箱后，蓝牙音箱通过振动产生声音；激光被蓝牙音箱上的小圆镜所反射，因入射光线与反射光线成一定角度，即可基于光杠杆原理放大蓝牙音箱的振动现象，故可观察到——通过平面镜反射的光点会上下振动，此时便将声信号转化为可视的光信号；当八面镜转动时，通过八面镜反射的光点会随其旋转的方向运动，此时利用人眼视觉暂留原理可知，当光点移动时，前一个光点的振动图像将在人眼中保留0.2 s左右，由此我们可在光屏上持续看到一段时间内声音的振动图像^［5］，实现了发声过程的可视化。实验的创新设计证明，基于自制教具，完全可以探究音调、响度和音色的影响因素，并让学生从波形图的角度深入理解声音的特性。

3.2 实验操作及现象

（1） 实验准备：使用支架调整激光笔的入射角度，闭合电动机开关并调节电动机转速；如图3所示，通过手机（音频发生器）连接蓝牙音箱，即可播放固定频率的声音；由于视觉暂留效应，墙面上的光斑会形成连续的光线（教师应避免学生长时间注视镜面反射的激光）。其实验效果如图4所示。

（2） 实验步骤。

①保持声音的响度不变，改变所播放声音的音调；如图5-a、图5-b所示，学生可通过观察光屏上波形的密集程度，比较两次声音的频率，即可从中得出影响音调的因素是频率。

②保持播放声音的音调不变，改变声音的响度；如图6-a、图6-b所示，学生可通过观察光屏上波峰、波谷的距离，比较两次声音的振幅，即可从中得出影响响度的因素是振幅。

③保持响度不变，播放不同乐器演奏的同一乐曲；如图7-a、图7-b所示，学生可通过观察光屏上波的形状，比较两次发声体的材料，即可从中得出影响音色的因素是发声体的材料、结构。

3.3 实验创新点

创新设计实验的演示，使学生在视听觉两方面学习声音的特性。其创新之处主要表现在以下几个方面。

（1） 用蓝牙音箱替换音叉，激光经蓝牙音箱上的小圆镜反射后，就将声音的变化转换为光屏上光线的变化，不仅实验现象更易观察，而且实现各种声音的可视化。

（2） 在实验中，利用手机连接蓝牙音箱播放声音，实现定量控制不同声音的音调、响度、乐曲音色等变量，实验效果稳定，探究过程有趣。

（3） 该自制教具能多功能探究声音的各种特性，并能基于视觉暂留原理实现波形图的可视化观察，有助于学生理解声波形成的本质，演示效果良好。同时，该自制教具还能帮助学生从波形图的角度理解声音的特性，辨析音调和响度的变化规律，突破学习难点。

（4） 实验器材取材方便易得。例如，通过电动机连接联轴器，带动附带的八面体转动，就能使声音的特性可视化，实现了与示波器相似的实验效果，不但价格低廉，而且演示操作简单，可复制性强。

4 教学启示

（1） 利用物理学中的转换法、视觉暂留原理，笔者对“声音的特性”实验进行可视化创新设计，教学效果良好。在教学过程中，学生可通过波形图直观比较声音的不同特性，加深了对声现象物理观念的理解，并有助于科学思维的形成。

（2） 指向科学思维的初中物理实验创新，是有效提升学生物理学科核心素养的途径^［6］。朱正元教授曾倡导“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”。随着信息、科学技术的发展，教师可以基于课标研究教材、学情并联系生活，思索如何创新设计教材实验，既增强实验现象的可视化，又提升教学效果。毋庸置疑，利用生活中的物品自制教具，不仅能够加强物理与实际生活之间的联系，还能使实验贴近学生的现实生活，有助于提升学生的核心素养。

参考文献

[1] 杨琳.初中物理实验器材的改进与创新［J］.物理之友，2022，38（11）：53-54，57.

[2] 张威明.高中物理自制教具的“智造”：以“全反射”课程中教具制作为例［J］.物理教师，2018，39（01）：58-60，65.

[3] 彭前程.义务教育教科书物理八年级（上册）［M］.北京：人民教育出版社，2024.

[4] 李中豪，田博雅，王卓异，等.基于可视化“声音的特性”的教具创新研究［J］.中学物理，2021，39（20）：36-38.

[5] 王雄杰.关于声音可视化实验的探讨与自制教具设计［J］.物理教学探讨，2021，39（07）：52-54.

[6] 党立宁.指向科学思维的初中物理实验创新：以“阻力对物体运动的影响”和“动能大小的决定因素”两个实验为例［J］.实验教学与仪器，2023，40（10）：47-49.