利用传感器探究音调与频率的关系

郁志芸

案例背景：美国教育技术CEO论坛第3度（2000）报告明确指出：“培养21世纪的能力素养，学校必须将数字化内容与学科课程相整合.”而“数字化内容与学科课程相整合”就是我们通常所说的“信息技术与学科课程相整合”（信息技术就是对数字化信息进行处理的技术，其处理结果都是“数字化内容”）.也就是说，信息技术与学科课程相整合是方法，教育改革和创新人才的培养是我们要达到的目標.拥有数字化实验设备，就要更好地去开发这些设备在一线教学中的运用与改进，就要改进传统实验，更新教学理念不断创新，推进实验探究的发展，让更多的学生在数字化实验中收益.

1问题叙述

在苏科版物理八上第一章第二节声音的特性的教学中，我们引导学生利用刻度尺进行探究，通过改变刻度尺伸出桌面的长度，改变尺子的振动频率，并且听音调的变化，从而得出音调与频率的关系.几乎每一轮教学，做这个实验，都会有学生提出，看不清尺子振动的快慢，不明白为什么伸出长就振动慢，伸出短就振动快，这里教师也不可能详细介绍这个原理，这也不是本节课的教学内容，但毕竟给学生留下疑惑.于是我们用疏密不同的梳子，或用转速不同的齿轮来改进实验，让学生能分辨频率大小，但有学生就提出来，为什么不能直接测出声源的振动频率呢？这不是比用肉眼观察更有说服力吗？

2处理对策

利用数字化实验设备（图1），我们可以测出声源的振动频率.

比如，我们可以测音叉的频率：

敲击音叉，用传感器收集音叉的声音（图2），在电脑上能显示出这样的波形（图3）.

而根据频率的定义，我们可以用声源振动的次数除以振动这么多次所用的时间来算得频率.（1）频率：每秒钟振动的次数.

（2）频率=振动次数时间.

振动次数可以通过选取的声波的个数来确定，而在横坐标上显示对应的时间（图4）.比如，选取9次振动（图5）.

只需在测频率对话框里输入波形个数9个，软件预先编好的计算程序模版就会迅速算出频率为255.660 Hz（图6）.

而这个音叉上的标注为256 Hz（图7）.

可见这种方法对声源振动频率的测量误差还是很小的.

所以，可以测量不同音调的声音的频率，来探究音调与频率的关系.可以选取的声源很多，除了音叉之外，还可以选取同学们熟悉的乐器，比如钢琴等乐器.

首先，请同学依次弹奏三个音调不同的音，用声音传感器收集（图8）.

用刚才的方法分别测出三个音的声源振动频率（图9）.

分析数据可以得出：频率越高，音调越高.3反思改进

3.1数字化改进的优势

3.1.1数据更有说服力

此案例一改传统实验靠肉眼对振动快慢的观察，而是直接测出频率，用数据说话，让实验结果更有说服力.3.1.2实验更贴近生活

用钢琴做实验，出乎学生们的意料，没想到平时演奏的乐器也可以作为实验声源，能测出他们熟悉的不同音调琴声的声源振动频率，已令他们激动不已.这大大引起了他们的探究兴趣.

3.1.3突破传统实验

测频率的实验是对传统实验的一大突破，做到了传统实验不可能做到的事情，测出了声音的频率，大大发挥了数字化实验的优势，学生们掌握了数字化实验技术，在他们未来的高中乃至大学的进一步学习中，对学生能力发展有至关重要的作用.

3.2数字化实验的不足3.2.1技术难度.

由于实验的完成对学生的实验操作能力有很大的提高作用，也就意味着对于参差不齐的生源，不是任何能力水平段的学生都能够掌握好数字化实验技能，数字化实验的推广还不够.

3.2.2分析难度

直接比较频率值大小并不难，但测量频率的过程并不是非常容易理解的，学生必须要理解频率定义，了解公式原理，再去实际操作，尽管不需要自行计算，但掌握测频率的方法，减小选取波形的误差，对学生的能力都要要求.

3.2.3钢琴无法分组

用钢琴做这个实验，希望能突破学生们对声源选取的局限性，让物理实验更贴近生活，但也提高了成本，学生分组实验是不可能使用钢琴的，这也使这个实验不具有普遍性，但通过多种乐器实验比对，笛子、小提琴等都可以完成测频率实验，还有各种非乐器声源，也都可以，所以这个数字化实验还可以有更多的创新与尝试.

3.3针对不足进行的改进

由于无法做到学生全员参与，笔者将此实验做成了5分钟的微课，在课上播放，作为这一节课学生实验后的一个深入理解和巩固.学生们非常感兴趣，还有学生希望拿着自己的乐器来演奏，测频率.最重要的是，本节课音调与频率的关系是个重难点，而这个实验的改进，真正测出频率，给学生留下了深刻的印象，他们对“频率越高，音调越高”这个实验结论印象深刻.