自制“声音的传播”创新实验装置

摘要

小学科学“声音是怎样传播的”课程因活动单一、实验设计的不严谨难以激发学生的探究热情。针对这些问题，开发了一套集成智能控制与单一变量实验设计的“声音的传播”创新实验装置，该装置能够一体化地探究声音在真空、空气、液体和固体中的传播特性，并通过可视化结果和精确的实验过程，显著提升学生的学习兴趣，激活科学课堂的活力。

Graphical abstract

关键词

声音的传播 / 创新实验装置 / 智能控制 / 科学探究

《义务教育科学课程标准（2022年版）》强调探究和实践在多样化学习方式中的核心地位，以促进学生的积极参与和深入思考^［1］。“声音是怎样传播的”课程目标在于使学生掌握声音传播的条件，并理解人耳感知声音的机制，进而培育其科学探究的核心素养^［1］。然而，现有教材中的实验尽管操作简单，却因使用大型真空泵而存在噪声和安全隐患，学生参与度不高，同时还存在其他介质的干扰，影响了实验的严谨性。针对这些问题，笔者开发了一套创新教具，集成智能控制与单一变量实验设计，旨在提升实验教学的效果，激发科学课堂的活力。

1 教材分析

“声音是怎样传播的”作为教科版科学四年级上册声音单元的核心课程，旨在通过学生熟悉的生活情境，如“上课铃声”，从而引出声音在空气中的传播概念。课程进一步通过“水中的铃铛”实验揭示声音在液体中的传播，以及通过“敲桌子”活动探讨声音在固体中的传播。这些活动旨在引导学生将科学知识应用于解释日常现象，从而促进他们科学思维的发展。

在课堂教学中，教师发现教材中的探究活动存在以下问题：一是研究声音在空气中的传播现象，采用的是观察图片、边敲击音叉（或鼓）边听声音的活动，效果单一，不足以激发学生的学习兴趣。二是研究声音能否在真空中传播，一般采用图片或视频教学，学生感受不深刻；或采用大型真空泵，需要高压电源且噪声大，导致操作不方便、不安全。三是研究声音在液体中的传播采用铃铛在水中敲击的方法，研究声音在固体中的传播一般采用敲击桌椅的方法，活动过程中声音需要经过液体、空气或者固体，探究活动不严谨，容易引起学生误解，不足以促进学生思维的发展。

2 设计开发：改进“声音的传播”实验装置

基于对现有教材的深入分析，笔者提出了改进实验装置的设计方案（图1），设计要点是：装置实现一体化、小型化，使探究更加便利、安全。通过Mind+编程实现智能控制，让声音传感器感应蜂鸣器的声音，并使结果可视化，还可以进行多次测量和定量分析，便于观察和记录现象，提高探究严谨性。装置还需要掌控板、扩展板、声音传感器和蜂鸣器，可以实现单一变量探究，排除其他介质对声音传播的影响。具体设计过程如下。

2.1 实验箱外观设计

实验箱材料为亚克力板，采用激光切割机进行切割。透明的亚克力板便于观察实验现象。在真空箱中设计了声音能否在真空中传播、声音沿各个方向传播及声音在固体中传播3个实验，根据方案设计真空箱尺寸，再根据真空箱尺寸设计水箱和电控箱尺寸，将尺寸参数输入LaserMaker制作软件输出图纸，利用切割机和图纸对亚克力板进行切割，最后组装实验箱。真空箱盖用合页进行密封，电控箱采用磁吸方案，便于开关。

需要注意的是，真空箱所用的亚克力板必须选择较厚的亚克力板（≥10 mm），如果太薄，在抽真空时会变形，进而导致漏气。

2.2 抽气泵选择

普通教学用的抽气泵均为220 V以上的高压大泵，体积大、噪声大，且存在携带不方便、使用不安全、干扰实验的问题，因此，本装置需采用体积小、噪声低、低电压（≤12 V）的低压微型抽气泵，抽气泵还需满足动力强的要求，根据真空箱体积选择泵的流量参数：如果流量太小，抽气需要很长时间或者无法抽气；如果流量太大，泵的工作电压、噪声都会大幅上升，因此，抽气泵的选择参数如下：电压12 V，流量12~15 L/min，真空吸力≥-50 kPa，最大压力≥100 kPa。将抽气泵置于电控箱内，垫上防震棉、泡沫等防震材料，进一步降低抽气泵的噪声和振动。

2.3 程序设计及调试

如图2所示，本装置利用Mind+软件进行编程设计，实现了声音能否在真空中传播（简称真空实验）、声音沿各个方向传播（简称方向实验）、声音在固体中传播（简称固体实验）以及声音在液体中传播（简称水中实验）等4个实验的程序控制，从而实现了探究实验的智能控制。

2.4 电路连接、安装及美化

本装置的电路连接简单示意图如图3所示，程序控制蜂鸣器发出声音，传感器感应声音值大小，并将声音值显示在显示器上。装置左边的程序控制真空实验、方向实验和固体实验的运行，装置右边的程序控制水中实验的运行。

3 应用实践：实验装置在声音的传播教学中的运用

胡卫平^［2］在其研究中强调，通过“动手做”的方式解决问题是培养学生探究实践能力的有效途径。通过设计制作完成的装置，教师引导学生进行声音的传播的探究实践活动，促进了科学思维的发展。

3.1 方向实验：探究声音能否沿各个方向传播

（1） 发现问题：声音可以沿各个方向传播吗？

（2） 设计方案。①通过联系实际生活，进行猜测。②猜测：声音可以沿各个方向传播。③通过在舵机上的木条放置声音传感器，利用舵机在不同方向转动，探究声音是否可以沿各个方向传播。

（3） 实验步骤。①连接电源，盖好真空箱盖，保证箱内环境密封。②连续按下掌控板A键两次，选择方向实验模式。③启动程序，蜂鸣器发出声音。④继续按A键两次，此时偏转角度为0°，传感器测试声音值；再按B键，此时偏转角度为90°，传感器测试声音值；再同时按A键和B键，此时偏转角度为180°，利用传感器测试声音值。⑤屏幕上显示声音值，记录数据。⑥测量3次，求平均值。

（4） 实验数据及结果。

测试结果如表1所示。

从表1数据可以看出，蜂鸣器偏转角度分别为0°、90°、180°时，声音值均约为460，说明声音能沿各个方向传播，且强度基本一致。

3.2 真空实验：探究声音能否在真空中传播

（1） 发现问题：声音可以在真空中传播吗？

（2） 设计方案。①观察宇航员在太空中的图片，进行猜测。②猜测：声音不可以在真空中传播。③利用微型抽气泵抽去真空箱空气，探究声音是否可以在真空中传播。

（3） 实验步骤。①按复位键。②打开抽气泵，开始抽真空。③同时按掌控板A键和B键，选择真空实验模式。④启动程序，蜂鸣器发出声音，传感器测试声音值。⑤屏幕上显示声音值，记录数据。⑥测量3次，求平均值。

（4） 实验数据及结果。

测试结果如表2所示。

从表2数据可以看出，在抽去空气前，声音值约为500，将箱内空气抽至负压20~30 kPa时，声音值降低至76。可见声音值随着空气的减少而变小。

3.3 固体实验：探究声音在固体中传播

（1） 发现问题：声音可以在固体中传播吗？

（2） 设计方案。①通过联系实际生活进行猜测。②猜测：声音可以在固体中传播。③利用抽气泵抽去真空箱内的空气，探究声音是否可以在固体中传播。

（3） 实验步骤。第三步为按掌控板B键，选择固体实验模式。其他与真空实验步骤一致。

（4） 实验数据及结果。

测试结果如表3所示。

从表3数据可以看出，将箱内空气抽至负压20~30 kPa时，声音通过固体传播后声音值为539。可见声音可以通过固体传播。

3.4 水中实验：探究声音在液体中传播

（1） 发现问题：声音可以在液体中传播吗？

（2） 设计方案。①通过联系实际生活，进行猜测。②猜测：声音可以在液体中传播。③利用创新装置，探究声音是否可以在液体中传播。

（3） 实验步骤。①在水箱中装水，没过蜂鸣器和传感器，连接电源。②启动程序，蜂鸣器发出声音。③按掌控板B键，选择水中实验模式。其他与真空实验步骤一致。

（4） 实验数据及结果。

测试结果如表4所示。

从表4数据可以看出，声音通过水传播后声音值为465。可见声音可以通过液体传播。

4 实验装置的优势与特点

（1） 一体化和小型化设计，使得实验操作更加便捷和安全。

（2） 智能控制系统的引入实现了实验结果的可视化，允许进行多次测量和定量分析，便于观察和记录实验现象，从而增强探究的严谨性。

（3） 通过单一变量控制，排除了其他介质对声音传播的干扰，确保了实验的准确性。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育科学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 胡卫平.在探究实践中培育科学素养：义务教育科学课程标准（2022年版）解读［J］.基础教育课程，2022（05）：39-45.

基金资助

珠海市2024年度教育科研规划课题“聚焦科学实践的小学科学教学改进行动研究”(2024ZHGHKT002)