張 旺 汪志榮

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241000)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》規(guī)定“課程內(nèi)容包括兩大組成部分，即科學(xué)探究和科學(xué)內(nèi)容”[1].科學(xué)探究既是重要的課程內(nèi)容，又是主要的教學(xué)方式，應(yīng)受到物理教師足夠的重視.科學(xué)探究教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑，研究物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)是體現(xiàn)物理課程價值的必由之路[2].

探究影響音調(diào)的因素是認識聲音特性的教學(xué)重點和難點.在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，通常采用撥動尺子，讓學(xué)生聽聲音，觀察尺子振動.這種教學(xué)方法雖然易于操作，靈活性很強，但尺子振動很快且振幅迅速衰減，也難以觀察其振動周期和頻率等特性[3]；同時，由于實驗過于簡單，只能大致得出定性的結(jié)論，不僅難以達成探究教學(xué)的綜合目標(biāo)，也很難激發(fā)學(xué)生的探究興趣.鑒于此，通過仿制中國古代傳統(tǒng)樂器編鐘，自制一組由合金管組成的探究影響音調(diào)因素的樂器“編鐘”，探討在核心素養(yǎng)視域下探究音調(diào)的影響因素教學(xué)活動.

1 自制教具及實驗原理

編鐘是中國古代大型傳統(tǒng)樂器.中國青銅樂鐘是以瓦片對合狀腔體結(jié)構(gòu)為主要特征、有固定音高、可以演奏旋律的青銅鐘類樂器，通常分為三大鐘型：甬鐘、紐鐘和镈[4].編鐘是由青銅鑄成的大小不同的扁圓鐘組成，這些扁圓鐘按照音調(diào)高低的次序依次排列起來，懸掛在一個巨大鐘架上，用木錘分別敲打編鐘會發(fā)出不同音調(diào)的聲音，按照樂譜敲打，可以演奏出美妙的音樂.

用編鐘演奏時，由于鐘體的形狀和大小不同，敲擊不同的編鐘，發(fā)聲相異，其鐘體越小，音調(diào)越高，音量越??；鐘體越大，音調(diào)越低，音量越大.

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，積極參與課堂探究，同時也為提高實驗的直觀性和準(zhǔn)確性，基于編鐘的形制和發(fā)聲原理，設(shè)計并制作了一組探究音調(diào)高低性質(zhì)的合金管“編鐘”樂器，可稱之為音調(diào)探究儀，如圖1所示.

圖1 音調(diào)探究儀實驗組合

該演示儀主要由8根長短不一的合金管構(gòu)成.這組合金管內(nèi)外徑分別為1.35 cm和1.59 cm，測出它們的長度，并且根據(jù)長度進行編號依次為1～8號.用細繩分別將它們按照由短到長的順序依次豎直的吊在一組木架上，用小木棍敲擊不同的管子，會發(fā)出不同的聲音，音調(diào)的變化能夠很清楚地辨別出來，依次敲擊發(fā)聲，能產(chǎn)生八度音，形成一個完整的聲音倍頻單位，如表1所示.音調(diào)探究儀取材于生活中常見物品合金管，結(jié)構(gòu)簡單，而且具有很強的可操作性.

表1 合金管長度、振動頻率及其對應(yīng)的八度音名稱

利用DIS系統(tǒng)開展探究活動，可以更好地將實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為物理圖像，在電腦顯示屏上直觀地看到聲音的波形，可以比較不同音調(diào)的聲音，其聲源振動頻率的差異性[3].并且運用DIS實驗系統(tǒng)開展實驗，使得實驗數(shù)據(jù)采集更加方便，數(shù)據(jù)分析結(jié)果能夠可視化.只要將聲波傳感器和數(shù)據(jù)采集器與計算機相連接，如圖1所示，即可用于顯示出聲波的波形圖和頻率值.

將音調(diào)探究儀放置在水平桌面上，敲擊不同的管子，會發(fā)出不同音調(diào)的聲音，此時聲波傳感器將采集發(fā)聲體的聲音信息，經(jīng)與電腦端相連接的數(shù)據(jù)采集器傳送，在電腦顯示屏上會直接顯示出聲波的波形圖和頻率值，如圖2所示.其中，波形圖的縱坐標(biāo)表示振幅，橫坐標(biāo)表示時間，由于頻率與周期成反比關(guān)系，所以波形圖的疏密程度反映了聲音的頻率大小，波形越密，頻率越大，波形越疏，頻率越小.

圖2 計算機顯示聲波波形圖

2 自制教具在音調(diào)探究活動中的應(yīng)用

運用這套音調(diào)探究儀和DIS實驗系統(tǒng)的組合，可以定性和定量探究音調(diào)與頻率的關(guān)系.

2.1 定性探究實驗設(shè)計

定性探究合金管的長度對于聲音的音調(diào)及其振動頻率的影響，可以分別敲擊1號和8號管子，即最短和最長的管子，首先引導(dǎo)學(xué)生仔細聽兩組聲音，辨別二者發(fā)聲的音調(diào)有何差異，然后在體會兩組聲音的音調(diào)高低有別的基礎(chǔ)上，判斷敲擊哪根管子發(fā)出聲音的音調(diào)更高.

結(jié)合DIS實驗裝置進行實驗，需要利用兩只聲波傳感器采集發(fā)聲空氣的振動頻率，通過觀察計算機顯示屏上的聲音波形圖，對比分析兩只合金管引起發(fā)聲空氣的振動頻率.如圖3所示，兩列波分別表示1號和8號管子的聲波圖.

圖3 波形圖比較

教師運用DIS實驗裝置開展定性實驗，主要引導(dǎo)學(xué)生辨別1號和8號管子發(fā)出的聲音，誰的音調(diào)高？同時，通過觀察兩列波形圖，哪個頻率高一些？

實驗表明，1號管子比8號管子發(fā)出聲音的音調(diào)要高.通過分析DISlab顯示的實驗數(shù)據(jù)可知，敲擊1號管子形成的波形圖明顯比8號管子的密，也就是說1號管子發(fā)出聲音的頻率比8號管子要高.

由此初步得出結(jié)論：兩根管子振動發(fā)聲時，音調(diào)與振動頻率有關(guān)，較短的管子發(fā)聲的音調(diào)更高，頻率也高一些.

2.2 定量探究實驗設(shè)計

學(xué)生通過“聽”和“看”進行定性的對比實驗探究，能初步得出音調(diào)與頻率的關(guān)系，但該結(jié)論還不具有精確性和普遍性，因此還要進一步深入探究音調(diào)與頻率的定量關(guān)系，檢驗該結(jié)論正確與否.

活動1：設(shè)計方案和實施探究

音調(diào)探究儀共有8根管子，可以選用8根合金管進行定量實驗探究.首先測量每根合金管的長度，依次辨別和記錄各自發(fā)聲的音調(diào)特征，然后開啟DIS實驗裝置，利用兩只聲波傳感器依次采集這些合金管振動發(fā)聲的頻率，最后分析實驗數(shù)據(jù)，得出結(jié)論.為了體現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的可靠性，可以先后開展多組實驗.表2記錄了3組實驗測量結(jié)果.

表2 合金管長度和振動頻率及發(fā)聲的音調(diào)特征

活動2：科學(xué)觀察和數(shù)據(jù)分析

首先感受8根合金管發(fā)聲的音調(diào)，尋找音調(diào)與合金管長度的關(guān)系特征，同時，記錄8根合金管發(fā)聲時空氣振動頻率數(shù)據(jù)，然后分析合金管發(fā)聲音調(diào)與管長、振動頻率之間的關(guān)系特征.

活動3：基于實驗現(xiàn)象和證據(jù)分析，總結(jié)結(jié)論

總結(jié)實驗結(jié)論：3組實驗都表明，從短到長依次敲擊合金管，發(fā)聲的頻率越來越低，并且聲音的音調(diào)也越來越低，進一步驗證了在初步探究中所得出的結(jié)論是正確的.

活動4：對實驗結(jié)論進行科學(xué)解釋

關(guān)于音調(diào)決定于聲源的振動頻率，應(yīng)從發(fā)聲的物理機制進行解釋，闡明物理原理.聲音是由物體振動而產(chǎn)生的，敲擊合金管，管子自身振動發(fā)聲并帶動管內(nèi)外空氣振動發(fā)聲.由于八根管子的長度不同，質(zhì)量不同，質(zhì)量小的相對于質(zhì)量大的振動得更快，即頻率更高，因此帶動管外空氣振動傳播這種聲音；需要注意的是，管子是空心的，空心部分有空氣振動，但由于空氣流速低，所以管內(nèi)空氣振動發(fā)聲對聽覺影響小.

另外，實驗時很難保證每次敲擊合金管的力相同，外在實驗條件變化是否影響實驗結(jié)果，也應(yīng)予以解釋.很顯然，用力大小決定聲音的響度，學(xué)生通過之前學(xué)習(xí)，已經(jīng)理解“響度”的概念，聲源振幅主要決定聲音響度，即在波形圖上的體現(xiàn)是縱坐標(biāo)的高低.如果敲管子所用的力大一些，那么聽到的聲音的響度會大一些，即波形圖會“高”一些，反之，波形圖則會“低”一些.音調(diào)與響度是聲音的兩個不同的性質(zhì)，所以用力大小不會影響實驗結(jié)果.

通過本次實驗探究，進一步得出結(jié)論：聲音的音調(diào)與發(fā)聲體振動的頻率有關(guān)，頻率越大，音調(diào)越高；頻率越小，音調(diào)越低.

2.3 開展中國古典聲樂文化教育

中國是禮儀之邦，古代國家慶典、大型宗廟祭祀、宴請貴賓時，常用樂器編鐘演奏.編鐘是古代大型打擊樂器，其聲音洪亮、形態(tài)雄渾、堅固耐用，正因為如此,歷朝歷代都把編鐘尊為宮廷樂器之首.據(jù)史料記載，早在商朝就有了青銅編鐘，如圖4所示，1978年出土的曾侯乙編鐘，是人類青銅時代最偉大的藝術(shù)作品，也是有史以來音樂考古學(xué)上罕見的重大發(fā)現(xiàn)，它一時被國際學(xué)人譽為“世界第八大奇跡”，全套編鐘由多達65件單體青銅樂鐘組成，有著三層八組的宏大構(gòu)造，總用銅量達4 421.48 kg[5].

圖4 曾侯乙編鐘

教師進行有關(guān)聲音特性的教學(xué)活動，需要開展中國古代聲樂文化教育，不僅僅局限于介紹大型編鐘的歷史資料，可以運用音調(diào)探究儀模仿編鐘演奏古代慶典音樂.音調(diào)探究儀與編鐘的發(fā)聲原理類似，管子的長度符合一定音律學(xué)的規(guī)律，按照從短到長的順序依次敲擊它們，會發(fā)出哆、瑞、咪、發(fā)、嗦、啦、西、哆的音調(diào)，所以按照樂譜敲打它們，會奏出一首曲子.課堂教學(xué)結(jié)束后，讓學(xué)生在課余時間嘗試利用音調(diào)探究儀自行演奏，通過實際操作體驗，增進對編鐘了解，激發(fā)學(xué)生對于中國古代禮儀文化的興趣.

中國古代傳統(tǒng)樂器文化博大精深，其中蘊含著豐富的物理聲學(xué)和樂律學(xué)知識，在我國傳統(tǒng)樂器文化中，還有很多極具我國文化特色的樂器，如二胡、古箏、笛子等.學(xué)生學(xué)習(xí)音調(diào)知識之后，還可以引導(dǎo)他們課下查閱資料，結(jié)合所學(xué)知識進一步了解這些古代樂器的發(fā)聲原理.

3 結(jié)論

根據(jù)古代編鐘的形制和發(fā)聲原理，自制音調(diào)探究儀結(jié)構(gòu)簡單，易于操作.基于音調(diào)探究儀與DISlab相結(jié)合，開展科學(xué)探究教學(xué),不僅能增強實驗現(xiàn)象的直觀性，也能開展定量研究教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生獲取證據(jù)，收集和處理數(shù)據(jù)，總結(jié)結(jié)論，并作出合理解釋，進而培養(yǎng)中學(xué)生在科學(xué)思維、科學(xué)探究能力等方面的物理學(xué)科核心素養(yǎng).這種融入STEAM教育理念的教學(xué)活動設(shè)計，有助于學(xué)生從多學(xué)科視角認識不同學(xué)科間的聯(lián)系，提高自身綜合運用知識解決現(xiàn)實問題的能力[6]，同時在物理教學(xué)中滲透我國優(yōu)秀的傳統(tǒng)聲樂文化，也有利于陶冶學(xué)生的藝術(shù)情操，彰顯中國古代的文化自信.