搭建科学支架，突破学习难点——以《声音的高与低》一课的教学为例

□ 陈 斌

教科版《科学》四年级上册“声音”单元是小学科学课程中疑难较多的一个单元。经调查，科学教师认为其中的《声音的高与低》一课是本单元中学习难度较大的一课。从学生的角度进行分析，可以得出本课难学的原因主要有三点。一是声音的高低“听不清”。对于标准的乐音，学生区分高低时问题不大，但是对于本课中钢尺发出的声音，大部分学生难以识别其高低。二是声音的强弱和高低“分不清”。为了降低难度，避免学生混淆声音的强弱和高低，教材设置了两课内容。即便如此，学生在学习声音的高低时，仍时常提到“声音强弱”，说明他们很难分清声音的强弱和高低。三是振动快慢“看不清”。很多发声物体的振动（如铝片琴的振动），学生很难观察清楚。没有直观的现象作为证据，要比较出振动的快慢确实存在较大难度。

为了解决以上难点，教师在教学过程中为学生搭建了解决问题的各种支架，帮助学生由表及里地开展科学探究，拾级而上，在深度学习中建构起“声音”与“振动”之间的联系。

一、搭建概念支架，巩固基础认知

在进入课堂之前，学生对即将学习的科学事物和现象已经有了一定的认知，这些前概念有的是接近实际的，有的是浮于表面的，还有的甚至与科学原理是完全相悖的。教师要先了解学生的学习出发点，据此搭建支架，使学生对研究对象形成更清晰的认识。

（一）温旧知，分清声音的强弱与高低

对于《声音的高与低》这节课，如果一开始就直奔主题，让学生感受声音的高低变化，探究其形成原因，很容易就会使他们混淆声音的强弱、高低两个概念。如果学生的关注点不聚焦在对声音高低的研究上，整个探究活动就会低效甚至无效。为避免这些问题，在课堂的导入环节，教师先用不同的力敲击大铝片琴，让学生分辨强弱不同的声音，初步形成对声音强弱的认识，巩固声音强弱与振动幅度的关系，再把这些内容写在黑板上，与之后要探究的“声音的高低”这一概念区分开来。

（二）听音阶，感知声音的高低变化

音阶是学生最熟悉的认识音高变化的载体，因此让学生听一听、唱一唱，感知声音从低到高、从高到低的变化很有必要。教师借助音阶，向学生提问：“你是怎么分辨出高的声音和低的声音的？”学生根据自身的经验，回答道：“高的声音是尖的、刺耳的；低的声音是粗的、低沉的。”引导学生用这些词汇描述声音的高低，可以提高他们对声音高低的辨别能力，为后续辨别铝片琴、不锈钢管、尺子等物体发出的高低不同的声音打下基础。

（三）比高低，明确音高是比较的结果

事实上，声音的高与低并不是绝对的，而是比较出来的。这里指向的是声音的内涵，对于学生来说是隐藏的知识。为了让学生认识到这一点，教师设计了如下教学环节。

教师敲5音，提问：这个音是高还是低？

生1：我觉得是高的。

生2：我觉得不是很高也不是很低，处于中间的位置。

师：一个音能分出高低吗？

生：不能，声音的高低是比较出来的。

生4：较高。

师：我们用四个词来表示声音的高低。（板贴：高、低、较高、较低）

二、搭建材料支架，提升探究效力

教材中，有的实验材料存在着一些先天不足的问题，导致操作不方便，实验现象不明显，学生无法通过观察获取证据。这就需要教师改进实验器材，创新探究活动，促使学生更好地搜集证据，建立概念。

（一）改进学具，排除实验干扰

“声音”单元中，《声音是怎样产生的》《声音的强与弱》《声音的高与低》等都涉及到了拨动钢尺的实验。这看似是一个简单的实验，实际上却很难获得理想的效果。原因在于学生没有沿着桌边按紧钢尺，实验中发出的声音由钢尺和桌面撞击产生，而不是由钢尺振动产生。这会影响学生对声音的强弱与高低的判断。

基于这些思考，教师改进了钢尺实验的学具（如图1）。学具的上半部分放一个薄木块，下半部分放一个厚木块，用螺丝钉固定住上下两个木块。木块中间留出空隙，插入钢尺，如图1。

图1

改进后的学具优点有三：一是用手按住木块，钢尺就牢牢地夹在两个木块之间，发出的声音基本是由尺子本身的振动产生的；二是钢尺可以自由地插进和拿出，且可根据实验需要调整振动部分的长度，非常方便；三是在探究钢尺发出的声音高低和振动快慢的关系时，如果把钢尺按到底，那么钢尺的振动幅度就是厚木块的高度（如图2），因此只要每次发声时钢尺的振动幅度保持相同，声音的强弱就能保持一致。

图2

（二）实物板贴，形象展示结论

学生在得出高低不同的声音与发声物体长短之间的关系后，进入交流讨论环节。教师将铝片琴中的4 片铝片拆卸下来，并粘上磁铁，作为板贴使用，如图3。

图3

用长短不同的铝片用作板贴并与实验现象进行匹配，能够更加形象地把实验结论表达出来，帮助学生深入理解。

（三）创新实验，迁移应用新知

《声音的高与低》一课中，学生主要用“高、较高、较低、低”等字来描述声音的高低，用“快、较快、较慢、慢”等字来表述振动的快慢。在迁移应用环节，教师引入了一个创新实验：往一个玻璃容器中倒水，边倒水边敲击玻璃杯壁（如图4），随着水量增多，玻璃杯壁发出的声音由高到低慢慢变化。这就使声音的变化和物体振动快慢之间的关系清晰呈现出来，帮助学生建立“物体振动得越快，发出的声音越高”的科学概念。

图4

三、搭建思维支架，实现深度学习

《义务教育科学课程标准（2022 年版）》对于科学课程的培养目标进行了明确定位，着重强调了科学思维这一核心维度。在教学过程中，教师要设计一些能产生思维冲突的教学环节，最大限度地激发学生的学习动机，点燃学生的思维火花，促使学生主动参与学习并获得思维发展。

（一）制造冲突，迸发思维火花

科学课上，学生是否真正在进行深度学习，取决于其思维参与程度的高低。而要提升学生思维的参与度，就要想方设法创造认知冲突，点燃他们的思维火花。本节课中，当学生通过铝片琴和钢尺实验得出“物体越长，发出的声音越低；物体长短一样，发出的声音高低也一样”的结论时，教师适时出示长短一样、粗细不同的四根不锈钢管（如图5）以及大小不同的编钟（如图6）。学生猛然发现：长短一样，但粗细不同、大小不同的物体发出的声音的高低也是不同的；物体发出的声音的高低与物体的长短、粗细、大小都有关系。

图5

图6

（二）二次实验，寻找关键证据

通过实验，学生发现物体发出声音的高低和物体的长短、粗细、大小都有关系，之后渐渐地将声音的高低与物体的振动联系起来。课堂上，一个学生提出物体发出声音的高低可能和振动的快慢有关系，因为他在第一次实验中就发现钢尺发出的声音高低不同时，振动的速度也是不同的。教师及时肯定这个学生的发现，并提出每一个同学都可以再次观察钢尺发出高低不同的声音时振动的快慢情况。钢尺在本节课中一共使用了两次，第一次使用让学生初步认识到钢尺长短和声音高低的关系，其实已经为深入探究振动快慢和声音高低的关系埋下了伏笔。

（三）由表及里，助推思维深入

对于《声音的高与低》一课，教材的编写意图是先让学生通过观察了解铝片琴、口琴发出声音的高低和发声物体的长短存在联系，再改变钢尺的伸出长度，让学生研究其与振动快慢之间的关系，然后来解释声音高低与发声物体的粗细、长短也存在着关系。教师对本节课的教学顺序做了一些调整：先观察铝片琴、钢尺，初步探究长度与声音高低的关系，然后引导学生发现物体的粗细、大小也影响着声音的高低。此时学生就联想到“声音是由物体振动产生的”，从表层的发现逐渐深入到科学的本质，进而探究声音的高低与钢尺振动快慢之间的关系。在第二个探究活动中，教师带领学生对尺子的长度、声音的高低、振动的快慢进行对比观察，加深学生的整体认知，具体如表1。这样的逻辑顺序更符合学生的认知规律。学生的过程拾级而上，逐步推进。

表1 物体发声的高低与振动快慢的关系探究

四、搭建技术支架，辅助建立概念

在日常的科学教学中，有不少实验很难呈现直观的现象和数据。信息技术的应用打破了这种限制，它可以很好地揭示实验现象内部的发展变化，使一些不易观察到的事物形象直观地呈现出来，从而达到事半功倍的教学效果。

（一）播放慢速视频，对比振动快慢

上文提到，《声音的高与低》这节课的第三个难点为振动快慢“看不清”。要解决这个难点，需要借助现代信息技术手段，帮助学生看到发出高低不同声音的物体振动速度的区别。教师用放慢32倍的慢镜头拍摄视频，拍完后先逐个出示钢尺伸出长度为10厘米、13厘米、16厘米、19厘米时的振动情况的视频，再将四组视频放在同一界面上同时播放，对比它们的振动速度。慢速视频的播放效果十分明显。学生很快发现“钢尺伸出的长度越短，振动得越快，声音越高”，如图7。

图7

（二）使用音频软件，化现象为数据

随着现代信息技术的普及和发展，科学教学中的实验也不可避免地向自动化、数字化、智能化的方向发展。比如，在上《声音的高与低》一课时，学生看不到物体振动速度的差别。教师可以借助一些手机软件来测出声音的频率，比如调音器软件，如图8、图9。

图8

图9

音频软件的使用，使得原本看不到的现象转化为直观的数据。学生对测得的“声音每秒钟振动的次数”这个数据进行分析并得出结论，使得科学实验更具说服力。数字化实验开拓了学生的视野，也使学生懂得同一实验结论可采用多种方法进行证明。

总体而言，教师可以通过搭建支架，多角度、多方式帮助学生攻克学习难点。学生在深层体验、深层理解的深度学习过程中不断提升学习力，最终明确“声音高低”与“振动快慢”之间的关系，在思维螺旋发展的过程中提升科学核心素养和综合能力。