“用尺子研究声音的变化”实验教具的改进

◇张洪顺（山东：阳信县温店镇中心小学）

2022年版《义务教育科学课程标准》指出，科学是人类在研究自然现象、发现自然规律的基础上形成的知识系统，以及获得这些知识系统的认识过程和在此过程中所利用的方法。科学是一门体现科学本质的综合性基础课程，具有实践性。为此，科学课安排了大量的科学实验，需要大量的实验器材和药品。而在当前，实验器材不足或个别器材实验效果不好的现象时有发生，致使小学科学课堂教学效果不理想。为此，很多教师自制科学教具、学具。作为一名有着三十年教龄的小学科学教师，我也制作过许多科学教具、学具，应用于自己的教学，现对“用尺子研究声音的变化”实验教具的改进与运用进行介绍。

一、发现问题

（一）课标要求

教育科学出版社的科学教材（2020年6月第一版）四年级上册，第一单元是“声音”，其中第5、6课分别是《声音的强与弱》《声音的高与低》，课标对这两课的内容要求是：知道声音有高低和强弱之分，声音高低和强弱的变化是由于振动的变化引起的；制作能产生不同高低、强弱声音的简易装置。学业要求是：能解释声音产生与物体振动的关系，以及声音高低、强弱的改变与振动变化的关系。

（二）教科书上的实验做法

第5课《声音的强与弱》第一个探索实验，教科书上是这样要求的：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。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，观察钢尺发出的声音和它的振动幅度有什么变化。

第6课《声音的高与低》第三个探索实验，教科书上是这样要求的：分别将一把钢尺(或塑料尺)的一部分伸出桌面大约5~6厘米、10~11厘米、15~16厘米、20~21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，听听钢尺发出的声音，并观察钢尺振动快慢，填写音高变化柱形图，研讨声音高低与物体振动之间的关系。

（三）实验时存在的问题

学生在分组做这两个实验时，主要存在以下三个方面的问题：

实验时，尺子振动产生声音的同时，还有一些其他的噪声。学生在做这两个实验时，尺子振动发出声音的同时，有的小组还听到“啪”“啪”的声音，并且这种“啪”“啪”的声音比尺子振动发出的声音还要强。这样就干扰了学生对声音强与弱、高与低的分析，影响了实验效果。

学生观看尺子的振幅变化不明显。在做《声音的强与弱》第一个探索实验中，学生在观察尺子振幅的变化时，有的感觉不到振幅的明显变化。

学生实验时用的时间较多。看上去实验比较简单，学生轮流做每个实验时，用的时间却比较长，影响了教学的进度。

（四）问题分析

通过多次观察学生的实验操作过程，我发现了实验存在问题的原因。

实验时尺子振动产生声音的同时，还有一些其他噪声的原因。这主要是由学生实验操作不标准引起的，两种不标准的操作都会引起这种情况：一是在桌面上按压尺子一端时，手的位置偏后，手离桌子边缘还有一段距离，学生另外一只手拨动尺子的另一端时，尺子振动弹起后敲击桌面，发出“啪”“啪”的响声，并且声音比较大，导致无法听到尺子振动发出的声音；二是学生在桌子上按压尺子时用力不足，另外一只手拨动尺子的另一端时，尺子振动仍然能够弹起后敲击桌面，虽然发出“啪”“啪”的响声比较小，却还是干扰了学生对尺子振动发出声音的倾听。

学生观看尺子的振幅变化不明显的原因。尺子伸出桌面，从学生的角度来看，其振幅的大小不易观察。

学生实验时用的时间较多的原因。虽然从教师的角度看，这两个实验都比较简单，但是对学生来说，操作起来并不容易，所以耽误了很多时间。

二、改进教具

（一）需要解决的问题

根据“用尺子研究声音变化”实验存在的问题，制作一种相应的教具，要做到以下几点。

固定尺子。必须想办法将尺子固定在一个地方，振动时不能弹起敲打桌面，产生其他噪声。

便于观察。从学生的角度能清晰地看到振幅大小、振动快慢的变化。

节省时间。要让学生做这两个实验时，都比较容易，省时省力。

（二）问题解决方案

经过多方面的思考，我设计了以下解决方案：

夹住尺子。用两个比较硬的物体将尺子紧紧夹住，保证拨动尺子时，尺子只能振动，不产生其他噪声。

在桌面上操作。把实验器材放在桌面上进行实验，便于学生观察尺子振幅大小、振动快慢的变化。

操作简单。准备好实验器材后，学生只要用手拨动就能完成实验。

（三）改进教具

1.制作过程

我找了一个比较大的木块，在其中部挖了一个浅槽，能放上学生的塑料尺（浅槽深度要小于塑料尺的厚度），在木块的一端用一个螺丝固定。然后找一个大小合适的木板，将木板一端钻一个小孔，把木板盖在木块上，木块上的螺丝要刚好穿过木板上的小孔，另一端用钉子将木板和木块固定在一起。在穿过木板的螺丝上面安装一个学生能用手拧动的大螺母。这样，“用尺子研究声音的变化”实验教具就做成了。我还给它起了个名字，叫“用塑料尺探索声音的变化研究装置”。把塑料尺插入木块的浅槽，拧紧螺母，把塑料尺紧紧夹在木板和木块之间，放松螺母可以方便地推拉塑料尺，调整塑料尺伸出的长度。

2.注意事项

制作这个教具时，一定要保证木块上浅槽深度小于塑料尺的厚度，否则不仅不能将塑料尺夹紧，在实验时还会出现塑料尺敲击木块产生噪声的现象。如果不做这个浅槽，则不能很好地固定塑料尺的方向，在实验时会使塑料尺发生倾斜。

三、进行实验

在教学时，我让学生用这个教具进行了实验。

做《声音的强与弱》第一个探索实验。将器材放在桌面上，学生将大螺母放松，将一把塑料尺插入木块的浅槽，伸出20厘米，将螺母拧紧，把塑料尺紧紧夹在木板和木块之间，用一只手拿着木块，另外一只手拨动塑料尺的另一端。先轻轻拨动塑料尺，听一听塑料尺发出的声音，并观察塑料尺是怎样振动的；再用力拨动塑料尺，听一听塑料尺发出的声音，并观察塑料尺是怎样振动的。学生只用了十几秒就完成了这个实验，小组的四个学生都做了一次这个实验，用时还不到一分钟。

做《声音的高与低》第三个探索实验。将器材放在桌面上，学生将大螺母放松，将一把塑料尺插入木块的浅槽，伸出5厘米，将螺母拧紧，把塑料尺紧紧夹在木板和木块之间，用一只手拿着木块，另外一只手拨动塑料尺的另一端，听听塑料尺发出的声音，并观察塑料尺振动快慢，填写音高变化柱形图。然后将塑料尺伸出长度分别调整为10厘米、15厘米、20厘米，进行相同的操作。本组所有学生都做了一次，用时2分多钟。

实验效果分析。通过实验我们发现，用这个教具完美地解决了学生原来做“用尺子研究声音变化”实验存在的所有问题：一是把这个教具放在桌面上进行实验，从周围学生的角度更加容易观察振动快慢和振幅大小的变化。特别是在观察振幅大小时，因为有桌面这个参照物，通过观察塑料尺末端和桌面的距离，更容易感知振幅的大小。二是拧紧螺母后，不必再用一只手去按压塑料尺，只要拨动塑料尺就行，操作简单还省时间。三是塑料尺被紧紧夹在木板和木块之间，不会出现敲击木板或木块而产生其他声音的现象。总体感觉，用这个教具研究声音的变化，操作方便，节省时间，效果明显。

四、后期思考

（一）教具制作成本思考

所有实验器材的使用，我们都要考虑制作成本。我制作的“用塑料尺探索声音的变化研究装置”，它的制作成本是比较低的。所需要的材料只有五种：一个木块、一个木板、两个钉子、一个双头螺丝（一头是带尖的木螺丝，比较容易固定在木块上，一头是能安装螺母的普通螺丝，用于安装大螺母）、一个和螺丝配套的大螺母。木板、木块和钉子，学校的木工综合实践活动教室很多，可就地取材。双头螺丝和配套的大螺母在淘宝上的报价大约0.9元。至于教具的制作，因为比较简单，我只制作了两个，其他的由学生在木工综合实践活动教室自己制作。这样不仅节约了教具制作的人工成本，还锻炼了学生动手制作能力。

（二）教具批量制作思考

本人认为，因为教具“用塑料尺探索声音的变化研究装置”使用效果确实不错，是可以批量制作推广使用的。如果批量制作，就可以不用木板、木块、钉子、双头螺丝，可通过模具，用塑料制作，一次成型，成本还会更低。

（三）教具与现代教育技术相融合的思考。

教具“用塑料尺探索声音的变化研究装置”使用效果虽然挺好，但在使用过程中，学生观察到的现象毕竟是感性的，只能通过比较来分辨声音的高低强弱，没有更准确的数据记录与分析。有的学生对于声音高低强弱的感知不太敏锐。此外，还有部分听力有障碍的学生，这些学生在使用教具“用塑料尺探索声音的变化研究装置”时，学习效果就不太好。对于这个问题，笔者也一直在思索探究，近期终于想到了一个办法，那就是与现代教育技术相融合。其实现实生活中有很多测试声音高低的仪器，打开一测就知道发出的声音有多少赫兹。生活中也有很多测试声音强弱的设备，一测就知道声音的强弱是多少分贝。这样，在实验时，是不是只要用仪器测一下声音的高低强弱就行了呢？其实并不容易，主要是因为这些专用仪器成本比较高，在教学中使用率又比较低，从投入与产出方面来说，并不实惠。怎样解决“用塑料尺探索声音的变化研究装置”在使用中与现代教育技术相融合，而使用成本比较低的问题，就摆在了笔者面前。笔者经过多方查找，找到了一种能安装在手机上测试声音高低强弱的APP。可以找一些旧手机（当然新的更好），安装这种APP，将手机放在教具的一个固定位置，在实验时，就能测试声音高低强弱的具体数值了。实验完成后将手机取走就行，不必增加额外的成本。

以上就是我对“用尺子研究声音的变化”实验教具的改进与运用的介绍。