郁志蕓

案例背景筆者曾在《物理課程與教學論》一書中看到了這樣一段話：美國教育技術(shù)CEO論壇第3屆（2000）報告明確指出：“培養(yǎng)21世紀的能力素養(yǎng)，學校必須將數(shù)字化內(nèi)容與學科課程相整合.”這里所強調(diào)的“數(shù)字化內(nèi)容與學科課程相整合”.就是我們國內(nèi)通常所說的“信息技術(shù)與學科課程相整合”.（信息技術(shù)就是對數(shù)字化信息進行處理的技術(shù)，其處理結(jié)果都是“數(shù)字化內(nèi)容”）也就是說，信息技術(shù)與學科課程相整合是方法，教育改革和創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是我們要達到的目標.這給筆者很大的啟示.

近幾年筆者所在的學校配備了數(shù)字化實驗室.數(shù)字化實驗體系是一個適合教學、革新教學的全新教學手段和互動媒介，它利用傳感器收集實驗數(shù)據(jù)，利用計算機處理數(shù)據(jù)信息，利用網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)教師的遠程操控與指導(dǎo)，實現(xiàn)學生實驗的快速提交、共享與交流，這正是數(shù)字化內(nèi)容與學科課程相整合的契機，要把數(shù)字化資源充分運用在物理教學中.

所以，致力于用數(shù)字化實驗技術(shù)改進常規(guī)課堂上的傳統(tǒng)實驗，讓學生對實驗設(shè)計和實驗過程有更深刻的體驗，進一步提高學生的設(shè)計與改進實驗的能力，現(xiàn)象觀察力和結(jié)論的歸納總結(jié)能力，甚至是對新技術(shù)的學習與掌控能力.

問題敘述以“比較材料的隔聲性能”這個綜合實踐活動的實驗為例（圖1），在以往的教學中，我們一直按照書上的方法設(shè)計實驗，當時對于隔聲效果的判斷方法有兩種設(shè)計：一是利用控制變量的方法用各種不同材料隔聲后，聽鈴聲的強弱來判斷；二是書上推薦的方法，用聽不到聲音時人與聲源的距離進行比較.

經(jīng)過對比分析后，大家選擇了第二種方法，因為比起直接用人耳判斷聲音的響度，不如將聲音的響度轉(zhuǎn)化和量化為聽不到聲音時人與聲源的距離.這個方法確實比第一種方法的誤差要小得多，而且量化為數(shù)據(jù)，更容易進行比較，減少了聲強判斷的許多主觀因素.在現(xiàn)有的實驗設(shè)備基礎(chǔ)上，課本上的方法確實指導(dǎo)了學生如何更科學的改進實驗，并且實驗誤差較小.然而這兩個方法利用的都是人耳，每個人對于不同頻率的聲音有不同的聽閾（即人在某個頻率剛能聽到的最小聲強的聲音），而不同的人對同一頻率的聲音聽閾也不同，那么同一個人對于同一頻率的聲音聽閾就一定穩(wěn)定嗎？對于剛好聽不見聲音的這一瞬間的判斷，也仍然會有許多主觀因素所導(dǎo)致的誤差，所以這個實驗用人耳來判斷，就難以避免生理因素的影響，引起主觀判斷導(dǎo)致的誤差.而這就是數(shù)字化實驗?zāi)芨锩越鉀Q的問題.

處理對策在數(shù)字化實驗室，我們可以用聲音傳感器代替人耳（圖2）.

筆者面向尚未參與數(shù)字化實驗教學的這一屆的部分學生，他們已經(jīng)上過常規(guī)教學的初二物理課，見過一些演示實驗的數(shù)字化改進，卻仍未嘗試過數(shù)字化分組實驗.而正是面對過渡階段的這一屆學生，向他們普及數(shù)字化實驗教學，更能讓我們深刻體會數(shù)字化與傳統(tǒng)實驗的革新之處，也更能鍛煉學生新技術(shù)的運用能力和實驗改進的設(shè)計能力.

筆者帶領(lǐng)學生先學習用聲音傳感器測量環(huán)境噪音，在他們學會使用聲音傳感器后，向他們提出了這個實驗，“比較材料的隔聲性能”，并且向他們提出了以下問題：

（1）你們以前做過這個實驗嗎？

（2）你們是怎么做的呢？

（3）現(xiàn)在有了聲音傳感器，你們打算怎么改進這個實驗?zāi)兀?/p>

學生們回顧了以前的兩種設(shè)計方法，介紹了他們選擇第二種方法“比較聽不到聲音時人與聲源距離”的原因.很快，就有學生提出這個實驗現(xiàn)在可以利用傳感器了……

方法一有人提出用聲音傳感器代替人耳，將聲音傳感器逐漸遠離被隔聲材料包裹的聲源，直到傳感器接收到的聲音響度降為0 dB.

這個方法很快就被其他同學推翻了，因為大家在測環(huán)境噪音時在教室比較安靜的情況下環(huán)境噪音都在六十幾分貝，傳感器接收到的聲音響度根本不可能降為0 dB.于是出現(xiàn)了方法二.

方法二有同學說既然傳感器能直接測出聲音的響度得到的是數(shù)據(jù)，那就不需要用遠離聲源測距離這樣的方法，直接用聲音傳感器測響度大小就行了.大家都非常支持，還有同學補充說要控制傳感器與聲源的距離不變，比如5厘米，要有穩(wěn)定的聲源……

于是筆者應(yīng)同學們的要求，給他們提供了穩(wěn)定的聲源——蜂鳴器（圖3）.

大家開始嘗試，在鞋盒分別里塞滿海綿、報紙、塑料袋、毛巾等等，保持鞋盒和傳感器的位置不變，看得到的實驗數(shù)據(jù)如何變化.

學生的實驗波形可以隨時截圖，通過網(wǎng)絡(luò)提交到講臺教學電腦，于是我們看到了這組同學的實驗現(xiàn)象如圖4所示.

筆者立即和大家分享了這組同學的實驗結(jié)果，有不少組都有同感，幾次實驗傳感器接收到的聲音響度非常不穩(wěn)定，而且區(qū)別也不大，于是筆者請大家再討論一下，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是什么？這個實驗方法還可以如何改進？

有同學分析，剛才教室安靜時環(huán)境噪音都有六十多分貝，現(xiàn)在大家一起做實驗，環(huán)境噪音可能都提高到七十多分貝，傳感器測到的不單純是盒子里聲源的聲音，更多的是環(huán)境噪音，所以三種材料隔聲后得到的聲音響度差異不大，而且非常不穩(wěn)定.那么現(xiàn)在要解決的問題就是怎樣能讓傳感器穩(wěn)定地接收聲源被隔聲后的聲音，而盡量少受環(huán)境影響呢？

同學們都覺得要減小傳感器與鞋盒的距離，甚至有同學提出將傳感器放到鞋盒里，但立刻有同學反對，說放到鞋盒里傳感器就在隔聲材料中，如何控制材料厚度相同呢？

筆者帶領(lǐng)孩子們一起分析，我們當初的設(shè)計，為什么要用鞋盒，而不是直接用材料包裹聲源？于是很多同學說，鞋盒塞滿材料，聲源放在正中間，就是為了控制隔聲材料的厚度相同，所以傳感器一定不能放進鞋盒.但為了減少外界噪音的影響，我們確實要減小傳感器與鞋盒之間的距離……于是有同學提出將傳感器的聲音接收孔緊貼鞋盒，但也有同學顧慮，這會受到鞋盒在桌面上微小振動的影響，因為讓接收孔緊貼鞋盒感覺好像在測鞋盒發(fā)聲似的.這時，有同學發(fā)現(xiàn)自己帶來的鞋盒上面有一個孔，如果用傳感器接收口對著這個孔會如何？鞋盒本身就不必作為隔聲材料，這時的隔聲材料完全就是填充在鞋盒里的材料，這不是更嚴謹嗎？于是，方法三就這樣誕生了.

方法三利用鞋盒側(cè)面的洞，沒有洞的盒子可以自行開個直徑兩厘米左右的洞，用材料將鞋盒填滿，蜂鳴器置于正中，并且保證洞與蜂鳴器完全被材料隔開，將傳感器接收口對準并緊貼洞口進行測量，測出同一蜂鳴器被相同厚度的不同材料包裹時洞口接收到的聲音響度（圖5）.

于是大家再次分組進行實驗，得到了許多小組提交的數(shù)據(jù)如圖6所示.

這次，通過圖線，大家基本都可以分辨出每一次接收到的聲音響度了，確實減少了許多外界噪音的影響，同學們激烈的討論，一步步地改進實驗，真的解決了許多問題，實驗效果越來越好，筆者能感受到同學們和我一樣很有成就感，同學們都愉悅地根據(jù)自己得到的實現(xiàn)現(xiàn)象，寫出實驗結(jié)論，根據(jù)隔聲性能由好到差的排列著自己帶來的不同材料.然后，通過分享，大家也不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在大家的實驗現(xiàn)象很明顯，傳感器的誤差也比人耳的小多了，但是為什么大家得到的結(jié)論不盡相同呢？

對此筆者例舉了的兩份數(shù)據(jù)（圖7），一組同學說海綿隔聲性能最好，另一組推舉紙的隔聲效果最好，這又是怎么回事呢？是傳感器的測量出錯了嗎？這又引發(fā)了同學們新的思考和討論……

教學反思利用聲音傳感器可以直接測量出聲音的響度，取代人耳進行更客觀準確的判斷.這是數(shù)字化實驗的革命性突破，也正是設(shè)備的革新，鍛煉了老師和學生對于新技術(shù)的運用能力，對于常規(guī)實驗的大膽嘗試與改進的能力.

對于最后出現(xiàn)的結(jié)論不一致的問題，我們也可以科學地去看待，結(jié)論不一致并不一定是實驗出錯，本來學生帶來的材料不同，紙質(zhì)不同，填塞方式不同，海綿是整塊還是碎塊，這些都會影響隔聲效果，學生通過實驗?zāi)馨l(fā)現(xiàn)這些，從而對實驗有了新的思考，甚至是課后新的探索，這些都是我們課堂最難能可貴的生成，這極大地提高了同學們對物理探究的興趣，也提高了他們對思考和實踐、討論與創(chuàng)新的興趣，這是學習物理多么可貴的動力.

“比較材料的隔聲性能”的實驗雖然只是一個案，但是帶領(lǐng)學生利用數(shù)字化實驗對常規(guī)實驗進行了改進是有意義的，我們希望數(shù)字化實驗?zāi)芨嗟刈呷氤Ｒ?guī)課堂，能讓更多的同學收益，得到能力上的提高.

當然，我們面臨的問題是學生能力參差不齊，不是所有學生都能得心應(yīng)手地使用數(shù)字化實驗器材，有些學困生甚至常規(guī)實驗都沒有掌握好，數(shù)字化實驗?zāi)軌蛱崞鹚麄兊呐d趣，但他們的學習能力未必能跟上數(shù)字化教學的節(jié)奏.所以，我們的研究目前只針對學情較好的部分學生，讓他們得到更多的提高，而我們所希望的是能設(shè)計更多更好的數(shù)字化實驗項目，把問題分得更細，臺階鋪的更低，能讓更多的同學參與進來，讓他們在我們的數(shù)字化物理課上開拓視野，邁上新的臺階.