科学结论不能建立在错误的实验现象基础上

尹傲 王敏媛 刘水河

《义务教育科学课程标准》指出，教师应指导学生通过观察和实验，探究声音的产生和传播、声音的高低与强弱，了解声音的高低、强弱与物体振动的关系。在使用教科版小学科学教材对“声音”单元进行教学时，发现“钢尺振动发声”实验的理论建设存在问题：学生在实验时，能观察到钢尺振动，但听见的声音并不是由观察到的钢尺振动产生的。用“钢尺振动发声”实验探究声音是由钢尺振动产生的一系列实验，是建立在“错误的实验现象”基础之上的。鉴于此，提出基于实验器材和操作方法两方面的改进与创新，力求构建现象清晰、操作严谨的科学实验设计。

小学科学课程是一门实践性课程。实验探究活动是学生学习科学的重要方式，能够使学生初步了解与之认知水平相适应的基本科学知识。教师在使用教科版小学科学教材进行教学实践中获得丰富经验，同时也发现教材存在部分科学实验的理论与现象不相符的情况，阻碍学生的思維发展与科学概念的建构，具有改进与创新的必要性。本研究以教材中的“钢尺振动发声”实验为例，结合日常教学中的实际情况，对教材中与之相关的实验进行实践研究与反思。在此基础上，以学生为出发点，围绕实验探究目标对实验进行改进与创新，从而解决这部分知识教学的难点，提高课堂教学效果，满足学生实际探究活动的需要。

一、教材中的“钢尺振动发声”实验分析

在教科版小学科学教材四年级上册“声音”单元中，《声音是怎样产生的》《声音的强与弱》和《声音的高与低》三课中都有“钢尺振动发声”相关的实验。

第二课《声音是怎样产生的》中的实验：把钢尺压在桌面，让其一端伸出桌面。轻轻拨动钢尺，让钢尺发出声音。用手轻轻触摸还在发声的钢尺，感受钢尺的振动。用手捏住钢尺伸出桌面的部分让其振动停止，发现声音同时也停止了。教材意图通过学生看到尺子振动的同时听到声音，尺子停止振动的同时声音消失，让学生初步建立“声音是由于物体振动而产生的”科学概念。第五课《声音的强与弱》的实验：将钢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。保持伸出桌面部分的长度不变，用大小不同的力拨动，学生通过观察钢尺发出的声音和钢尺振动幅度的变化，建立振幅与音量的关系。第六课《声音的高与低》的实验：改变钢尺伸出桌面的长度，学生通过观察钢尺发出的声音和振动快慢（频率）的变化，建立振动快慢与音高的关系。

从实验操作的角度思考：三个实验中设计了“用书压住尺子”和“直接用手指压住尺子”两种压住尺子的方法。在实践研究中发现，用这两种压住尺子的方法进行实验存在三种声源：1.观察到的钢尺振动产生的声音;2.钢尺振动时碰撞桌面产生的声音;3.手指拨动钢尺时，手指与钢尺摩擦产生的声音。实验中的主要研究对象“观察到的尺子振动产生的声音”极易受到后两种声音的干扰，尤其是第二种声音。这就给学生的学习带来困扰，难以得出科学结论。所以这部分内容的学习经常成为教学难点。

从实验研究主体的角度思考：这三个探究声音的实验，学生观察的“振动”应以“拨动钢尺后，观察到的尺子振动”为研究对象，听到的“声音”也应以“观察到的尺子振动产生的声音”为研究对象。然而在教学实践中发现：学生能观察到尺子振动，但听见的声音并不是由看到的尺子振动产生的，并且存在其他不明确的干扰声音。在学生刚从科学的角度开始认知“声音是由物体振动产生的”科学概念时，就选择让学生研究对相关知识的学习容易引起误导的实验，有悖于循序渐进的学习原则，也超出了小学生的思维理解水平，因此是不合适的。

从实验设计的角度思考：在探究钢尺发出的声音高低与振动快慢的关系实验中，当钢尺伸出桌面部分短时，拨动钢尺后的振动频率高，持续时间短，学生无法直接观察到钢尺振动快慢。当钢尺伸出桌面部分长时，拨动钢尺后的振动频率低，延续时间长，宜于学生观察。由于受到视觉停留效应的影响，学生容易得出“钢尺露出桌面部分长时振动得快”的错误结论，从而影响到整堂课教学目标的顺利实现。

二、“钢尺振动发声”实验的频率研究

为研究钢尺振动发声实验中“听到的声音是否为观察到的钢尺振动发出来的”这一科学问题，首先通过手机拍摄慢倍速视频的方式来探究观察到的钢尺的振动频率。准备不同规格的钢尺，一部华为P40pro手机。利用华为手机的256倍慢动作拍摄记录钢尺振动发声的全过程。钢尺在振动过程中，可近似看成简谐振动。通过视频回放，记录钢尺在偏离平衡位置最高处的起始时间t1和振动一次后重新回到最高处的时间t2，可得出钢尺完成一次完整振动的时间为（t2-t1）。根据物体振动的频率（f）与其周期关系满足f=256/（t2-t1），可计算得出钢尺振动的频率。重复三次实验，所得数据如表1所示。

将长15.5厘米、宽1.9厘米的不锈钢尺，伸出桌面部分15厘米，256倍慢动作拍摄钢尺振动过程。钢尺在偏离平衡位置最高处的起始时间为第6秒，重新回到最高处的时间为第21秒。根据公式计算得出钢尺振动频率f约为17赫兹（Hz）。由于人耳能听到的声音频率范围在20 Hz ～20000 Hz。在这种情况下，人耳听不到钢尺振动发出的声音。

按照同样的方法，将长50厘米、宽2.8厘米的不锈钢尺，伸出桌面部分15厘米，钢尺在偏离平衡位置最高处的起始时间为第4秒，重新回到最高处的时间为第14秒。计算得出钢尺振动频率f为26 Hz。这时尺子振动发出的声音近于人耳听到声音的极限频段，通常情况下感知不到这种频率的声音。调整钢尺伸出桌面部分为20厘米，记录钢尺在偏离平衡位置最高处的起始时间为第5秒，重新回到最高处的时间为第22秒。此时的钢尺振动频率f约为15 Hz。这种情况下，人耳无法听到钢尺振动发出的声音。

分析上述实验结果可知：在教材设计的常规实验操作下，观察到的钢尺振动频率低于或处于人耳能听到的声音频率范围极限，人耳几乎听不见。

那么，钢尺振动发声实验中听到的声音来源于哪里？本研究借助手机软件商店免费的音频探测软件Oscilloscope检测出声音的频率与波形。通过辨识不同声音的波形特征从而判断出钢尺振动发声的声源。

Oscilloscope是一款声音示波器软件，它能灵敏地捕捉手机周围发出的声音，将声波可视化成波形，同时屏幕左下角的数字显示出声音的频率。按照上述同样的实验操作方法，结合Oscilloscope软件，重复三次以上实验后检测出手指拨动钢尺时产生的声音的振动频率和波形，以及钢尺敲击桌面时产生的声音的振动频率和波形。手指拨动钢尺松开的一瞬间，钢尺与手指摩擦的声音频率范围在102.8 Hz ～2838.8 Hz，处于人耳能听见声音的范围内。钢尺振动敲击桌面产生的声音频率在62.0 Hz ～1998.2 Hz，完全覆盖人耳能听见的声音范围。

通过观察Oscilloscope屏幕显示的波形可知，钢尺振动发声并不是某一单一频率，而是存在多种声音的复合频率。由于Oscilloscope软件捕捉周围声音的高灵敏度，实验过程中无法避免周围噪声信号的干扰，因此屏幕显示的波形也存在周围噪声的波形。

通过上述所有的实验分析可得：“钢尺振动发声”实验中，钢尺振动本身产生的是学生无法听见的次声波，或很难辨别的低频声波。学生能够听见的声音是由“手指与钢尺摩擦”和“钢尺振动与桌面碰撞”产生的。因此，通过“钢尺振动发声”实验建构的“声音是由钢尺振动产生的”“物体振动越慢，产生的声音越低”等概念，是建立在错误的实验现象基础上的。

三、“振动发声”实验的改进方案

鉴于钢尺振动发声实验存在的诸多问题，笔者结合教学实践，借助转换放大法对振动发声实验进行了创新与改进。

音叉是一种振动发声器材，能够发出人耳频段范围内单一频率的声音。利用音叉结合激光笔，将不容易看到的音叉振动现象，转换成清晰可见的振动波形。实验器材如图1所示。将音叉和激光笔固定在一块木板上，音叉的一端粘贴反光镜，激光笔照射在镜面上的光能反射到墙上，形成光斑。将上述实验设备安装在三脚架上，使之整体能自由转动。敲击音叉，原本很难直接观察到的音叉振动，通过光的反射，转换成光斑在墙上的大幅度振动，形成一条“线段”。转动三脚架的手柄，使实验装置转动，墙上就会出现一段连续的“振动波形”。如此，便可将音叉微弱的振动可视化，利于学生建立“声音是由物体振动产生的”科学概念。这一实验设计可以让学生在听到声音的同时观察音叉的振动情况，便于学生探究声音是怎样产生的，彻底解决了非主要因素对学生探究过程的干扰，为学生的实验探究提供保障。

学生在探究第五课《声音的强与弱》实验中，也可以使用上述实验装置进行教学，实验结果如图1所示。用力敲击音叉，音叉的声音强，振动波形的幅度大。随着音叉的声音减弱，音叉的振动波形幅度减小，从而顺利地建构“声音强弱与振动幅度有关”的科学概念。在此过程中，音叉的波数始终保持不变，证明声音强弱与振动频率无关。通过改进实验的材料与操作方法，排除了次要因素“快慢”的干扰，只剩下强弱与振幅的关系，实验的可观察性增强，学生能够将更多的精力投入科学探究的过程中，提高了科学实验效率。

第六课《声音的高与低》中的核心实验是钢尺振动发声实验，也是让学生探究音高与振动频率关系的唯一实验。一个音叉的振动波形虽能反映声音强弱与振动幅度的关系，但仍无法反映声音高低与振动频率的关系。进一步改进实验装置如图2所示：将两个音叉固定在木板上，让两个音叉近乎同时发声，转动三脚架上的实验装置，通过观察光斑的运动间接判断音叉的振动情况。实验结果如图2所示：小音叉振动的波形密，振动的频率快，声音高。大音叉振动的波形疏，振动的频率慢，声音低。学生能直观地感受到声音的高低是由物体振动的频率决定的，从而建立“振动频率越快的物体，发出的声音越高”的科学概念。实验器材和实验操作方法两方面的改进与创新，真实地反映物体振动的频率与声音高低的关系。同时，实验的改进也扩展了学生思维的深度，培养了学生观察与推理的能力。

四、结论与反思

教学实践证明，实验的质量直接影响到课堂教学目标的顺利实现，进而影响学生探究科学的积极性和科學概念的建构。本文通过定量的数据有力地证明了“钢尺振动发声”实验中听见的声音是由“手指与钢尺摩擦”和“钢尺振动与桌面碰撞”产生的，而观察到的钢尺振动产生的声音人耳听不见。鉴于此，提出教科版小学科学教材中的“钢尺振动发声”实验设计不够严谨，易误导学生将正确的科学结论建立在错误的实验现象基础之上。

为解决上述的关键性问题，提出的可行性改进方案通过借助音叉、三脚架、反光镜、激光笔等材料，将原本不明显的音叉振动发声现象进行可视化放大，让学生在听到声音的同时能够看到音叉的振动情况。这样，有利于学生建立“声音与物体振动之间的关系”“音量与物体振幅的关系”和“音高与物体振动频率的关系”等科学概念，减少实验中不良因素给教学带来的影响，提高科学实验的科学性和严谨性，为学生科学思维的发展奠定良好基础。

【本文系基金项目：深圳市福田区教育科学规划项目（FTJY3015）、深圳市福田区教育科学规划项目（FTJY16060）、2021年度深圳市福田区教育科学“十四五”规划课题研究成果（FTJYYB2021098）】