振动与声基础课堂演示实验设计方法探究

    陈文剑 张揽月 孙辉

    摘? 要 演示实验是增强振动与声基础理论授课效果的有效辅助教学方法。演示实验把振动与声的规律和现象直观地对学生进行展现，增强学生对理论知识的理解，同时吸引学生注意力，活跃课堂气氛。遵循针对性、直观性、可靠性、安全性和启发性的原则进行演示实验设计，采用合理的实施方法在理论授课过程中进行实验演示，达到增强振动与声基础理论课程授课效果的目的。

    关键词 振动与声基础;演示实验;大学物理

    Abstract Demonstration experiment is an effective assistant teaching method to improve the teaching effect of Foundation of Sound and Vibration. Demonstration experiments show the laws and phenomena of vibration and acoustics intuitively， and enhance students under-standing of theoretical knowledge. At the same time， it attracts stu-dents attention and can activate classroom atmosphere. Following the principles of pertinence， intuition， reliability， safety and enligh-tenment， the design of demonstration experiment should be carried out. In order to improve the teaching effect of Foundation of Sound and Vibration， the demonstration experiment is carried out in the course of theoretical teaching by reasonable implementation method.

    Key words foundation of sound and vibration; demonstration experi-xment; college physics

    1 引言

    “振动与声基础”是声学类专业的一门理论基础课程，也是一门以实验为基础的课程[1]。在理论课的教学过程中，会有大量抽象的和难以理解的振动规律和声学现象，通过演示实验直观地进行振动与声学物理规律和现象的展示，将会提高教师的授课质量，也会令学生对知识点的理解达到事半功倍的效果。

    教育部在最新颁布的《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》中明确指出：“大学物理课程的主要内容都应有演示实验（实物演示和多媒体仿真演示），其中实物演示实验的数目不应少于40个。”可见演示实验对大学物理理论教學具有十分重要的作用和意义[2]。声学是物理学的一个重要分支，在声学课程教学过程中也应重视相应演示实验的设计、开发和实施。

    2 演示实验的作用

    演示实验是理论课教学的一部分，是为了配合理论知识的讲解、更有效地让学生理解物理概念和规律的辅助教学手段。“振动与声基础”课程包含理论课和实验课，实验课是让学生作为主体动手操作的实验。演示实验是在理论课堂上为某一个理论知识点设计的、主要是教师操作演示的实验，每个演示实验的用时较少，学生不参与动手，以观察现象、总结规律为主要目的。理论授课中的演示实验不能代替课程配套的实验课中以学生动手为主的专题实验。

    演示实验把振动与声学规律和现象直观地对学生进行展现，可增强对理论知识的理解，加深印象。理论课讲授过程中，通常是用数学方法分析振动与声问题，通过公式推导得到问题解的方程;或是分析得到某一物理问题的规律;或是在公式推导过程中引入某一振动或声学定义和概念。此时通过演示实验结合数理公式的讲解，让学生由形象思维过渡到抽象思维，加深对概念的理解，快速接受和掌握相应知识点。另外，相比用单纯的公式和语言讲解，通过演示实验得到的结论、规律等能给学生留下更深刻的印象。

    演示实验可以纠正学生头脑中的一些错误观念。如人耳的可听阈范围为20 Hz～20 kHz，但人的发声频率范围在80 Hz～1 kHz。在一些学生的错误观念里认为人也能发出1 kHz以上的声音，这一错误观念如果只是教师讲解来纠正，很难让学生接受。通过设计“人类发声频率测量演示实验”，课堂上实际测量若干个学生的发声频率，让学生通过亲身测量更能轻松纠正自己的错误观念。

    演示实验具有示范作用。通过教师对实验目的、实验仪器、实验过程的讲解，以及对实验设备仪器的现场操作，都会对学生产生潜在的影响，使学生学会正确的实验方法。再通过对实验结果的总结和分析，示范性的作用会使学生形成科学、严谨的学习态度。

    演示实验可以吸引学生的注意力，活跃课堂气氛，提高课堂教学效率。教师长时间进行数理公式的推导和讲述，容易让学生产生枯燥乏味的感觉;在教学过程中穿插一些针对性的演示实验，观察振动现象或听一些配合理论讲解的声音，能够让学生在听课过程中以多样化的形式进行学习，增加学习兴趣，保持长时间的听课专注力。

    3 演示实验设计原则

    物理课堂演示实验设计，一般应遵循针对性、直观性、可靠性、安全性和启发性的原则[3-4]，“振动与声基础”课程也应遵循这些原则。

    针对性? 演示实验是配合理论教学的手段，其目的是让学生理解和掌握某个概念或规律现象，所以要根据不同的教学内容和目的制定相应的演示实验。如阻尼振动系统中引入的品质因数的概念，其定义是振动系统自由振动时，振幅衰减到初始值的1/eπ倍时所经历的周期数。为了让学生更深刻地理解品质因数的概念，可设计一个单自由度阻尼振动系统，即将一定质量的球悬挂在一个弹簧下方，通过演示和记录质量球振幅衰减到初始振幅时的1/eπ倍的周期数，具体测量得到这个振动系统的品质因数;然后重新悬挂相同质量但体积不同的球，目的是改变空气阻力，重复测量品质因数。通过针对性的设计和实施品质因数测量演示实验，达到让学生对概念深入理解的目的。

    直观性? 课堂演示实验是教师在讲台或讲桌上进行操作，学生在台下进行观察。因此，实验器具要足够大，仪器的刻度线要足够明显。仍以品质因数测量演示实验为例，弹簧和质量球在足够大的同时并具有鲜艳的颜色，方便学生清晰地观察振动现象。另外，振动幅度测量时需要用到刻度尺进行标记，普通的钢尺刻度线太细太小，应自制刻度尺，用鲜艳颜色进行刻度标记，保证整个教室的学生都能清晰地观察到实验现象，才能成功达到演示实验的目的。

    可靠性? 理论课的学时有限，每节课都要在有限的时间内完成计划的课程内容。演示实验作为课程一部分，不能占据过多时间。因此，教师在备课过程中应提前进行仪器检查、设备联调，并完成至少一次实验过程，确保授课过程中演示实验的成功。对于课堂演示中出现的问题，不能回避，要现场分析问题和解决问题。对于演示实验测量过程中出现的误差，要分析误差的来源和减小误差的方法，必要时可重新进行演示实验测量。

    安全性? 振动与声的演示实验主要包含两方面的安全因素。

    一是教师的用电安全。在播放声音的演示过程中会用到信号源、功率放大器、喇叭等设备，需要注意线路连接的安全。在麦克风接收声音显示波形时，自制的滤波放大电路要模块化封装处理，保证教师演示操作时的安全。

    二是学生的听力安全。如音频声演示实验中，播放20 Hz～20 kHz范围的单频声，声音强度不易过大，以免对学生的听力造成损伤;每一个单频声播放时间不宜过长，以免对学生造成不适。

    启发性? 演示实验在达到直观形象地展示理解物理概念的同时，应进一步引导学生进行分析、推理、判断、概括，不断引导学生思考，根据学情和课程内容设置悬念，积极引导学生获得感性认识的同时进行总结和提高。如“拍现象演示实验”中，学生通过听觉感受两个频率相近的单频声的拍现象，改变频率时拍现象发生变化，此时可以引导学生思考：钢琴调音师是如何利用拍现象进行调音工作的？不同的初始条件是否对拍频振动产生影响？理论联系实际或理论深入讨论的问题，会进一步调动学生学习和思考的积极性。

    4 实施方法

    教师准备，学生预习? 教师在进行理论备课的过程中，设计好本次课共需要进行哪些演示实验，计划好每个演示实验在授课过程中的顺序和时长，提前进行演示实验过程，保证课堂演示的成功进行。在前一次课结束时，告知学生下节课的授课内容，要求学生提前预习理论知识，预习过程中不清楚和不明白的知识，在课堂上带着问题听课，再配合演示实验观察学习，彻底理解所学内容。

    同步解说，学生配合? 演示实验进行过程中，教师首先把实验的目的、所用设备和仪器讲述清楚，实验过程中对每一步操作进行解释说明。有些演示实验需要带动学生配合，如在通过测量人的发声频率作为“单自由度机械振动系统受迫振动”课程内容的情景创设演示实验中，教师首先让学生思考回答自己发声的最高频率是多少，然后让学生上台测试发声频率，再次讲解人类男女分别能发声的频率范围，最后提出问题：为什么人类相似的发声结构，产生的声波频率范围不一样？为什么超过这个范围的声音发不出来？进而引出本节课的授课内容。

    可视化虚拟演示? 很多振动问题和声学问题很难在课堂上进行演示实验，此时可以利用可视化的虚拟演示技术向学生进行展示。利用计算机软件程序实现一些特殊的振动或声学问题，模拟显示各种抽象的、微观的或动态的现象，充分利用现代化多媒体技术进行课程教学。如平面障板圆面活塞辐射器指向性问题，如果课堂演示进行指向性测量，会用到大量的实验仪器和专业设备，并且需要耗费很长时间测量大量数据，因此不适合进行课堂演示实验。通过计算机软件可以画出其三维空间的指向性图，调整声波频率、活塞尺寸等参数得到不同条件下的指向性结果。虚拟化的演示可以补充课堂演示实验的不足，同时达到提高教学效率和质量的目的。

    思考题? 基于演示实验的启发性设计原则，完成演示实验后，教师要引导学生进行扩展思考或深入思考，给出思考题让学生课后通过查阅资料、理论分析等进行解答。如“空气中声速测量演示实验”结束后，让学生根据演示实验中的声波频率、现场的空气温度等参数理论计算声速值，分析理论和实验误差产生的原因，进一步思考和查阅文献，总结声速测量有哪些方法。

    改进实验? 根据授课效果，教师调整和完善演示实验的设备和方法，并结合其他理论知识点设计新的演示实验。另一方面，把改进实验的内容作为作业留给学有余力的学生，提高学生主动思考的能力，也培养了学生的动手能力。

    5 结语

    综上所述，演示实验是振动与声基础理论授课中的重要辅助教学手段，在明确演示实验作用的前提下，设计和实施配合理论授课中相应知识点的演示实验。演示实验的实施主体是教师，接受主体是学生，同时两者相互配合，充分发挥演示实验的作用，增强“振动与声基础”理论课程的授课效果。

    参考文献

    [1]张揽月，孙辉，田宝晶，等.声学专业课程教学改革的探讨[J].林区教学，2011（3）：11-12.

    [2]王金玉，赵言誠，孙秋华，等.浅谈演示实验在大学物理教学中的作用[J].教育教学论坛，2018（20）：208-209.

    [3]祁晓晖.做好物理演示实验的“四性”[J].科学咨询：教育科研，2017（3）：83.

    [4]汪文明.大学物理演示实验教学研究[D].武汉：华中师范大学，2006.