改进设计教具 组织《声音的强与弱》实验教学

◇张旭梅 赵茂婷 叶 超 喻文静 王朝君（四川：乐山师范学院教育科学学院）

教具是科学教学的有利工具，基于现存教具的不足进行改进设计，既能提升教师专业能力，又能提高教学效果。研究以《声音的强与弱》这节课为例，阐述了小学科学教具的改进设计与应用，分析了应用效果。

一、问题的提出

教科版小学科学四年级上册“声音”单元中第5 课《声音的强与弱》的核心内容，是探究声音强弱与振动幅度的关系。教科书中共呈现了3 个探究活动供教师参考，但在实践过程中发现，原型实验教具存在一些不足之处。下文将对原型实验教具进行深入分析，并基于其不足，阐述改进教具的设计思路、创新之处、制作材料和制作过程。

二、小学科学教具的改进设计

（一）教具一的改进设计与说明

教科书中探究活动3是用不同的力量敲击鼓面，当鼓面发出强弱不同的声音时，观察鼓面振动幅度的变化，从而建构两者之间的关系。对于这个活动，在实践过程中发现：鼓声明显，易对比强弱，但鼓面振动的变化难用肉眼直接观察，振动幅度也就不显性化，无法比较振动幅度，无法建构声音强弱与振动幅度的关系。

鉴于如上情况，笔者对教具进行了改进。主要有如下几点创新之处：

将振动幅度显性化。在鼓面上放一粒小纸屑，当敲击鼓面时，鼓面振动，从而将纸片弹起来。纸屑弹跳的高度代表鼓面振动的幅度，当学生用不同力度敲击鼓面时，通过比较声音强弱和纸屑弹跳高度，即可建构声音强弱和振动幅度的关系。

对比明显。通过对比米粒、黄豆、白色纸屑、彩色纸屑等多种材料，由于豆粒容易滚落，白色纸屑与鼓面颜色相近，彩色纸屑颜色明显，最终选择蓝色纸屑作为放大鼓面振动现象的物品，以有利于学生观察和比较。

5 寸的牛皮鼓1 个；1 对鼓槌；直径0.8cm的圆形蓝色纸屑1粒。

用蓝色卡纸裁剪1粒直径为0.8cm的圆形纸屑，放在鼓面上，作为观察对象。

第一，将蓝色纸屑放在鼓面中间，手持鼓槌，以较轻的力度敲击鼓面中间，观察纸屑跳动高度，同时感受声音的强弱。

第二，将蓝色纸屑再次放在鼓面中间，加大敲击力度。

第三，观察、比较，以敲击力度轻、较重、重三个力度依次敲击三次。

（二）教具二的改进设计与说明

教科书中探究活动2是将橡皮筋固定在木板的两根钉子上，用不同力度拨动橡皮筋，让橡皮筋发出强弱不同的声音，观察橡皮筋在发出强弱不同的声音时，振动幅度的变化。通过实践发现振动幅度很明显，但存在以下几点不足之处。

声音小。橡皮筋本身振动发出的声音就较小，对比不明显，加之在课堂教学中有其他声音的干扰，对比声音强弱更加困难。

存在安全隐患。小学四年级学生天性好动，在拨动橡皮筋过程中，特别是大力拨动时，很容易弹到手指，伤到自己和他人。

不能实现关系的动态建构。在该活动中，学生重复地拨动橡皮筋，只能通过短时发声和振动现象来建构关系，而不能建构声音强弱随振动幅度变化的动态过程。

一位小学教师曾设计变频扬声装置替代教科书原有教具，用于探究音高与振动频率的关系，通过变频改变声音的高低，同时在扬声器上放上米粒等物体，通过观察其跳动变化，进一步巩固关系。受此启发，笔者在此基础上进行了改进。该教具主要有以下创新点：

声音对比明显。喇叭扬声器的工作原理是接入电源后，电流会通过喇叭上的线圈，并产生磁场反应。当接入的是交流电源时，由于电流方向会不断改变，导致产生的电磁方向也会不断变化，根据同性相吸、异性排斥规则，线圈会一收一扩，从而带动纸盆振动，同时反复拉伸和压缩周围的空气，产生声波，发出的声音要比橡皮筋大很多，对比起来更加明显。

小球不会掉落。由于扬声器喇叭的圆形纸盆是一个凹槽，所以小球会向四面八方跳动，而在纸盆边缘固定一个亚克力透明半球罩，就能保证小球只在半球罩内跳动，便于观察。

可实现动态建构。只要一直接通电源，喇叭就会持续发声，同时里面的小球会不断跳动，当改变电压后，磁极大小改变，纸盆振动、小球跳动高度也会随之改变。因此，在接通电源的情况下，改变电压大小，可通过喇叭的持续发声和小球的持续跳动来建构振动幅度和声音强弱的动态关系。

10 寸的喇叭1 个；16V、长20cm、宽15cm、高8cm 的学生电源1 个；直径1.5cm 的彩色棉小球1 粒；直径240mm 的亚克力透明半球罩1 个；长20cm 的U 型导线2 根；绝缘胶带若干；电烙铁1个；烙铁架1个；锡线50g；热熔胶枪1个。

第一，将彩色棉小球放在扬声器喇叭的凹槽里，用热熔胶枪将亚克力透明半球罩固定在喇叭纸盆上，只需固定边缘对角的四个点即可，保证小球不会跳出来，同时空气能够进入半球罩内。

第二，先将2 根导线一端的U 型接口剪去，再将包裹的塑料绝缘层剪去，留下1cm 的铜芯线，按照同样的方法，将扬声器喇叭上的接线也进行处理；随后将导线和喇叭接线的铜芯线手动缠绕在一起，再用电烙铁固定，用绝缘胶带缠绕所有露出的导线进行再次固定，防止在拉扯中断裂；最后将2 根导线剩余的U 型接口连接在学生电源的交流接口处。

第一，先将学生电源的插头插在插座上，打开电源开关，观察小球跳动高度。

第二，缓慢顺时针转动电压调节开关，比较声音强弱的同时，观察小球跳动高度变化，每改变1个电压值之间，可停留10 秒及以上时间，用于观察。

第三，将电压转回到最小之后，关闭电源开关，取下插头。

（三）教具三的改进设计与说明

关于探究声音强弱和振动幅度关系，教科书上主要的探究活动是将一把钢尺（或塑料尺）的一部分伸出桌面大约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。通过轻轻拨动钢尺与用力拨动钢尺，讨论钢尺发出的声音和它的振动幅度之间的关系。该活动虽然材料易得，操作简单，但存在以下几点不足。

钢尺与桌面碰撞会发出干扰声音。活动要求用一只手压住钢尺的一端，但学生很容易因操作不当或不规范，使得钢尺一端并没有紧紧贴在桌面上，钢尺会与桌面发生碰撞而产生声音。如此一来，学生不易分清是钢尺碰撞的声音，还是拨动使其振动产生的声音，难以对比声音强弱。

声音不明显。经过实验发现，无论是钢尺还是塑料尺，拨动发出的声音都较小，强弱对比不明显。

存在安全隐患。该活动要求学生用手固定钢尺，在拨动过程中很容易因固定不牢而发生钢尺弹出的现象，造成学生受伤。

鉴于如上情况，查阅相关文献，发现腾俊玲对教科书中原有实验进行了改进：用钢条替代钢尺，将反光条贴在橡皮筋中间和钢条的顶端，用转速仪对准反光条，用于测出橡皮筋和钢条振动的快慢。受此启发，加之音叉箱的原理启示，对实验进行了改进。该教具主要有如下几个创新之处。

声音更加明显。将钢尺换成金属条，更加容易拨动，且声音较明显，加之共振箱的作用，声音较大。

观察简便，且能定量建构。在钢条顶端固定一个红色的二极管，确定一个观察点，再在钢条后面固定一个刻度板，可实现将振动幅度数值化。只需拨动钢尺到不同位置，观察二极管上下振动的距离，即可知晓振动幅度的大小，同时比较声音的强弱，即可定量建构两者对应关系。

科学性更强。该教具唯一的变量是振动幅度，符合实验操作过程中的单一变量原则，更加严谨，且能引导学生认同该原则的价值。

长17cm、宽1cm 的金属条1 根；长11.5cm、宽10cm、高1cm 的木板1 块；长17cm、宽10cm、高1cm 的木板1 块；长30cm、宽11.5cm、高1cm 的木板2 块；长30cm、宽10cm、高1cm 的木板2 块；长6cm、宽3cm、高1cm 的木条1 根；长4.5cm、宽3cm、高2cm 的木块2 个；长18cm、宽4cm、高0.3cm 的KT 板1 块；直尺1 把；黑色记号笔1 只；502 胶水6 瓶；木工锯1 把；透明胶带若干。

第一，按照尺寸，用记号笔在大木板上勾勒线条，用木工锯进行割据，再用502 胶水将6 块木板边缘粘在一起，制成一个空心的长方体木箱。

第二，先将金属条的一端平行放在一块木块的最大面中间位置，滴上502 胶水，迅速将另一块木块粘在上面，使两块木块对齐，等待10 秒，再将502 胶水沿着缝隙滴入木块，再次固定；将一个红色二极管的两根引线架剪掉，将剩余部分的平面粘在金属条的另一端。

第三，将固定了金属条的木块的最大面用502胶水粘在木箱上面中间位置。

第四，在木箱侧面找到金属条垂直往下对应位置，在往后1cm处，将木条的一端粘牢。

第五，先将KT 板裁成对应大小，将其贴在木条靠近金属条的一侧，找到与金属条平行的地方并做上记号，取下，用记号笔和直尺画上刻度，等待字迹风干，用透明胶带缠绕，最后将刻度板粘在木块上，使0刻度与金属条水平。

第六，用灰色墙纸贴在所有木块露出部分，进行美化装饰。

第一，对应刻度尺，先轻轻拨动金属条露出的一端，使其振动幅度到达0.5cm 处，松开手指，仔细听金属条振动发出的声音。

第二，加大拨动力度，将金属条一端拨动到对应刻度尺1cm处，松开手指，仔细听声音。

第三，以此类推，逐渐加大拨动力度，增大振动幅度，比较声音。

三、小学科学教具的改进设计与反思

基于上述的教具改进，笔者将改进的教具应用于教学中。实践结果显示：三个教具在使用过程中的现象都能说明振动幅度和声音强弱之间的关系。但在实验过程中也发现了一些不足之处。

教具二的制作材料较贵，体积偏大，难以广泛应用，在实际教学中也因此不足，只限于作为教师的演示教具。

在使用教具三过程中，虽然有了共振箱放大声音，但声音仍然较小，作为教师演示教具，后排学生不易听到声音；金属条长度不够，导致不能大幅度改变振动幅度，且拨动较困难，但如果长度过长，声音又会很低沉，更加难以分辨，因此怎样选取一个恰当的长度，是一个有待解决的问题；教具三只能用于探究振动幅度和声音强弱之间关系的演示教具，怎样改进，使其既能探究音量和振动幅度，又能探究音高和振动快慢关系呢？这些问题还有待研究。

本研究详细分析了教材原型教具的不足，改进设计并制作了教具，具体阐述了制作方法、过程、创新点以及使用方法，并且将自制教具于实践，希望能为广大一线科学教师提供一定的参考。