自制教具优化“声音的强与弱”实验

赵一凡

教科版小学科学四年级上册教材第一单元第5课《声音的强与弱》中，有一个探究活动是有关声音的强与弱实验。教材设计的这个实验总体而言是操作简单、容易理解的，但在实际教学后却发现受材料所限，振幅模糊不清;受学生身体力量所限，杂音干扰强烈;受制于教材框定，用力界限不清。通过自制声学教具进行实验优化，使振幅“清晰可见”、按压“轻而易举”、力度“精准可控”，以期提升实验教学效果。

实验内容：将一把钢尺伸出桌面大约20厘米，用一只手压住钢尺的一端，另外一只手拨动钢尺的另一端。先轻轻拨动钢尺，听一听钢尺发出的声音，并观察钢尺是怎样振动的;再用力拨动钢尺，钢尺发出的声音和它的振动幅度有什么变化。（见图1）

一、实验存在的弊端

（一）受材料所限，振幅模糊不清

工欲善其事必先利其器。一套好的实验材料，能有效降低操作难度，提升实验精度，从而更好地呈现知识与探究活动的内在逻辑，促进学生对科学概念和原理的深入理解。目前市面上与小学科学课程配套的实验材料中，有一部分材料有较大的优化空间，比如我校原先采购的器材箱中的钢尺是15厘米的，长度极短。笔者带领学生在对本实验进行实际操作后发现，若钢尺伸出桌面较短，拨动以后钢尺振动的速度会非常快，没一会儿便停止振动，学生用不同的力拨动钢尺时，由于钢尺前后两次振动的速度都很快，且持续时间极短，学生几乎看不出振幅大小的差别。尤其是少数学生在操作时，出现了前后两次按压力度差不多的情况，这就更难发现钢尺振动幅度的变化了。钢尺自身的弊端导致实验现象不够明显，学生也因此得出错误的结论，继而在研讨环节中出现了极大的争议，出于时间考虑，笔者只好稍作解释便草草结束。

（二）受学生力量所限，杂音干扰强烈

结构优良的实验材料，除了要呈现直观的实验现象，也要便于学生操作。要想清晰地听到钢尺振动的声音，学生在操作时需将钢尺紧紧按住，否则发出的一般都是钢尺拍打桌子的声音，而钢尺自身的振动声音则被完全掩盖。四年级小学生上肢的力量有限，很难有效压住钢尺，杂音的产生难以避免，并且在拨动钢尺的力度相差不大的情况下，钢尺拍打桌子的音量听起来也是差不多的。这就对实验效果造成了极大的影响，学生根本無法听出前后两次声音的差别，而他们通常意识不到这些问题。而且在实际操作时，由于教室嘈杂，教师也很难分辨出学生的操作是否规范，无法及时干预，即便在实验前百般提醒，此种情况也难以避免。

（三）受教材规定所限，用力界限不清

新课改要求教师实现从“教教材”到“用教材教”的转变，教师要形成超越教材的视野和精准育人的理念，不可受制于教材的框定。要结合教学内容特点和学生的能力发展水平，对教材进行多样化解读，并进行适当补充、修改、拓展和延伸。在本课的实验中，要求学生先轻轻拨动钢尺，再用力拨动钢尺，观察钢尺声音和振动幅度的变化。笔者认为，教材中所描述的“轻轻”与“用力”，界限不是很清晰，这让学生在操作的时候不太好把握拨动力度，当实际操作时，“轻轻”与“用力”的差别不是特别大时，则又会受到前面两个因素的干扰。

二、实验的优化

声音的强弱、高低是四年级学生在学习“声音”这一单元时的难点，教师难教，学生难理解。因此，教师需对教材实验进行改进优化，通过呈现结构化的探究材料，设计学生乐于操作、便于理解的活动，使教学从定性走向定量。笔者结合上述声音单元的实验弊端和自己的思考，自制了一个能体现声音高低强弱的实验教具（见图2），期望通过该教具对教材实验进行改进优化，促进学生对科学概念和原理的理解。

（一）焊接激光头，振幅“清晰可见”

受限于材料自身的弊端及学生操作的不规范等因素，笔者思考：如何才能让振幅从“看得见”走向“看得清”，从而使振幅变得可以测量？通过自制的声学教具，就可以实现这个目标。在设计该教具时，笔者选择的是长度为30厘米的钢尺，在钢尺上端，配备了一个3V点状激光头，可以持续稳定地发射光线。在电源的选择上，笔者最初考虑的是干电池搭配干电池盒，但在安装过程中发现，将电源固定在钢尺上，其重量会影响钢尺的振动，固定在木材上，则又需要提供更长的导线用于钢尺的抽拉。在几次改进迭代之后，最终选择搭配3V的纽扣电池及纽扣电池盒，用热熔胶枪焊接在钢尺上。相比于干电池，采用纽扣电池固定在钢尺上，这样的电路装置更为轻便，不影响钢尺的抽拉和振动。以不同大小的力拨动钢尺时，刻度纸上会显示光点往复运动的距离区间，即振幅大小（见图3），如此一来，振幅情况一目了然。

（二）主体上开槽，按压“轻而易举”

为了让学生在操作过程中更为省力，势必要摒弃直接在课桌上按压的操作方式，需将钢尺固定在适当的物体中。为使教具更具推广性，同时考虑造价成本，笔者认为将钢尺固定在木材中进行操作不失为一个好办法。在制作该教具的主体部分时，需要在木材合适的位置开槽以放置钢尺，为使钢尺能够向下按到一定幅度，开槽位置需选在中间偏上，由于电路装置的存在，槽的深度需小于30厘米（钢尺自身的长度）。最终，笔者在木材的上半部分向内开了一个25厘米深的槽。除了深度，槽的纵向厚度也需严格控制，太宽会压不紧钢尺，导致拨动钢尺时会产生击打木头的声音，而太窄又会使得钢尺的抽拉不够灵活。在多次切割和测试后发现，最佳厚度为1毫米，既能够让钢尺在其中灵活地抽拉，按压木头时，也能够把钢尺压紧。学生在使用该教具时，只需轻轻按压木头，便可消除杂音，此时便不再有钢尺振动声以外的声音。

（三）增加刻度板，力度“精准可控”

为解决教材实验的弊端，分清“轻轻”与“用力”的界限，笔者在教具的侧面配备了一块带有刻度的木板（见图4），可以作为参照，让学生精准控制自己拨动钢尺的力度。在授课时，教师可以事先做好规定，“轻轻”按就是把钢尺按到第一个刻度，“用力”按就是把钢尺按到最后一个刻度，精准可控的操作过程让教师能够更好地引导学生自主参与探究活动，有效降低了实验难度，同时提升了实验的精确性。

此外，该教具在第6课《声音的高与低》中也可应用，侧面木板的刻度可以作为参照，使每一次按压的力度保持不变。学生可以小组合作，改变钢尺伸出桌面的长度，比如分别为14厘米、12厘米、10厘米、8厘米等，然后使用具有“慢动作”拍摄功能的手机，拍下钢尺的振动过程，数出一定时间内钢尺振动的次数，使得振动的快慢像振动幅度一样可以测量。以华为手机的“慢动作”拍摄为例，其拍摄持续时间为7秒，教师可以根据不同手机的功能差异，自由决定拍摄持续时间，但要控制4种情况下的拍摄持续时间一致。

三、教学效果

在使用该教具进行实验时，学生对于拨动钢尺的力度把控得非常精确，在操作过程中最大限度地避免了其他声音对钢尺振动声音的干扰，能够清晰地感受到钢尺声音强弱的变化。除此之外，在观察钢尺的振幅情况时，学生只需观察刻度纸上的光点。光点的往复运动呈现出来的是一条直线，学生一眼就能看出，钢尺振动幅度越大，声音越强，反之，钢尺振动幅度越小，声音越弱（见图5）。钢尺振动时的振幅从原本的“看得见”成功走向“看得清”，实验效果显著提升。

教材中有关声音高低强弱的实验属于定性实验，定性教学只是关注认知的表象。笔者自制的声学教具，可进行定量教学，让振幅、振动的快慢可以测量，帮助学生追寻概念形成的本质，指向知其然且知其所以然的目标。教师精心思考，设计学生乐于操作、便于理解的活动，精心优化实验设计，使教学从定性走向定量，有助于攻破声音单元的教学难点。