探究影响声音强弱变化的原因

□ 主讲人：徐敬洪

教学背景

《义务教育科学课程标准（2022年版）》要求，小学3～4年级学生应知道声音有高低和强弱之分，能解释声音的产生与物体振动的关系，以及声音高低、强弱的改变与振动幅度变化的关系。

在传统的教学中，学生往往是通过敲击音叉进行实验，从而探究影响声音强弱变化的原因。敲击音叉时，音叉振动并发出声音，从而说明声音是通过振动产生的。用不同的力度敲击音叉，音叉振动幅度越大，发出的声音越大，从而说明声音的强弱变化与物体的振动幅度有关。传统实验虽然能比较好地呈现音叉的振动幅度，但是无法对声音的强弱进行量化，我们只能通过感官主观地判断声音的强弱，使得实验结果缺乏数据，不够客观。

在本次案例中，我们将借助行空板、模拟声级计等开源硬件对声音的强弱进行量化，把实验结果更加直观、客观地呈现给学生，使学生更加清晰地理解声音强弱变化和物体振动幅度之间的关系。

教学目标

科学观念：通过观察和跨学科实验，知道物体振动幅度的变化能引起声音强弱的变化。

科学思维：能在教师指导下，以“敲击越用力，振动幅度越大，声音分贝值越高”为证据，说明声音强弱的变化与物体振动幅度的关系。

探究实践：能够利用多种感官以及跨学科的工具，如模拟声级计等，描述声音强弱的变化。

态度责任：具有敢于探究身边事物特性的勇气，提高探究科学的浓厚兴趣。

教学重点与难点

教学重点：知道物体振动幅度的变化能引起声音强弱的变化。

教学难点：能说明声音强弱的变化与物体振动幅度的关系。

教学准备

一、材料准备

行空板1块、模拟声级计1个、音叉一套、杜邦线若干。

二、制作实验装置

本实验装置的制作比较简单，学生可利用杜邦线将模拟声级计连接到行空板上。为了避免实验过程中产生其他变量，需要把模拟声级计固定在音叉上，并且在实验过程中保持位置不变。实验装置搭建如图1所示。

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图1

三、编写硬件程序

程序界面设计如图2所示，行空板的程序主要用于记录音叉振动后声音的分贝大小，通过声音的分贝大小反映声音的强弱。由于音叉被敲击后，振动产生的声音是动态变化的，为了更加准确地记录音叉振动产生的声音数据，我们点击“开始测试”按钮后，程序将持续记录声音的分贝值，直到“结束测试”按钮被按下。当学生结束测试后，程序会自动提取测试期间的最大分贝值，作为该次测试的最终分贝值。完整程序如图3所示。

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图3

教学过程

一、情境导入

教师播放生活中有关声音的视频，如鸟叫声、火车行驶声、汽车鸣笛声、学生读书声等，让学生认真聆听这些声音，并进一步引导学生说出自己身边其他常见的声音，体会声音在日常生活中的无处不在。

教师提出问题：这些声音是怎么产生的？这些声音之间有什么不一样的地方？

学生分小组进行讨论并由代表进行回答。

教师小结：通过刚才的讨论，我们知道这些声音既有“叽叽喳喳”，也有“轰轰轰”，不同人说话的声音也不一样，而这种声音表现出来的差异我们称作“音色”。除此之外，我们听到的这些声音还有“大小”的不同，我们把声音的“大小”称为声音的“强弱”。

二、实验探究

1.教师讲解实验装置的使用方法

教师示范正确连接装置的操作后，需要向学生强调的是模拟声级计的位置不仅要固定好，且实验过程中不能发生变动，避免模拟声级计的位置发生变化而产生其他影响实验结果的变量。

实验开始后，教师点击“记录环境分贝”按钮，记录当前环境的声音分贝值，以此作为空白对照组数据。接着点击“开始测试”按钮后，程序便会不断地记录环境的分贝值。教师开始敲击音叉，学生就可以观察到音叉的振动。等待音叉发出的声音完全消失后，师生再次观察音叉，会发现音叉振动也随之消失，此时点击“结束测试”按钮，程序自动显示测试过程中记录到的最大声音分贝值。

教师继续试验，并不断改变敲击音叉力度的大小，学生通过反复观察，并结合音叉的振动情况与实验中所听到的声音大小，以及记录到的准确的声音分贝值，就能总结并分析得到实验结论。

2.学生自主探究实验

学生以小组为单位，结合教师的示范操作与提示，展开实验。在本实验中，教师要引导学生做好小组的分工，明确实验操作员、实验记录员等不同人员的职责。由于敲击音叉的力度是主观的，每组学生可以自行定义敲击力度为“较轻”“中等”“较大”三种，将每种敲击力度产生的振动幅度和声音分贝值记录下来。除此之外，音叉的振动幅度同样无法量化，学生需要认真观察，准确用语言来描述和记录。教师可以提前引导学生定义能准确区分振动幅度的形容词，分别为“较大”“一般”“较小”三种。

环境中的声音容易对实验结果产生影响，因此教师需要要求学生在实验过程中保持绝对的安静，小组之间也应该拉开一定的间隔，防止不同小组在实验探究过程中互相产生干扰。最后，学生填写如下实验记录表格。

实验记录表

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三、分享总结

学生以小组为单位在课堂上分享实验数据及小组实验结论。分享过程中，教师应引导学生正确描述实验过程中敲击音叉力度的变化、音叉振动幅度的变化、声音分贝值的变化，并让学生结合所学知识和实验数据，初步分析物体的振动幅度变化与声音强弱变化之间的关系。

学生通过实验发现，当敲击音叉的力度越大，音叉振动的幅度就越大，产生的声音分贝值也越大。由此说明，当物体的振动幅度发生变化后，声音的强弱也会发生变化，振动幅度越大，声音的分贝值也越大，反之，声音的分贝值越小。即物体的振动幅度由大变小，所产生的声音则由强变弱，反之，则声音由弱变强。

教学反思

本案例围绕“生活中的声音”这一情境展开，教师通过创设情境，引导学生了解声音的“音色”“强弱”等概念，让学生对声音的特性有了初步的认识。之后，教师进一步引导学生开展实验，探究影响声音强弱变化的原因。

本案例是一个以音叉为主要实验器材的经典探究实验。为了解决传统实验过程中声音无法量化的问题，我们借助了一些开源硬件，在一定程度上把传统实验数字化，让实验结果更直观。

在实际开展教学的过程中，实验的操作难点主要是如何控制环境的声音、如何正确描述敲击音叉力度的变化以及音叉振动幅度。因此，在课堂探究实验过程中，教师必须要求学生做到绝对的安静，维持班级的纪律，控制学生小组之间的距离，最大限度地减少环境对实验结果的干扰。在实验开始以及总结阶段，教师应指导学生正确描述敲击音叉的力度以及音叉的振动幅度。