以传感器代替人耳的数字化实验改进案例
郁志芸
案例背景笔者曾在《物理课程与教学论》一书中看到了这样一段话：美国教育技术CEO论坛第3届（2000）报告明确指出：“培养21世纪的能力素养，学校必须将数字化内容与学科课程相整合.”这里所强调的“数字化内容与学科课程相整合”.就是我们国内通常所说的“信息技术与学科课程相整合”.（信息技术就是对数字化信息进行处理的技术，其处理结果都是“数字化内容”）也就是说，信息技术与学科课程相整合是方法，教育改革和创新人才的培养是我们要达到的目标.这给笔者很大的启示.
近几年笔者所在的学校配备了数字化实验室.数字化实验体系是一个适合教学、革新教学的全新教学手段和互动媒介，它利用传感器收集实验数据，利用计算机处理数据信息，利用网络进行数据传输，实现教师的远程操控与指导，实现学生实验的快速提交、共享与交流，这正是数字化内容与学科课程相整合的契机，要把数字化资源充分运用在物理教学中.
所以，致力于用数字化实验技术改进常规课堂上的传统实验，让学生对实验设计和实验过程有更深刻的体验，进一步提高学生的设计与改进实验的能力，现象观察力和结论的归纳总结能力，甚至是对新技术的学习与掌控能力.
问题叙述以“比较材料的隔声性能”这个综合实践活动的实验为例（图1），在以往的教学中，我们一直按照书上的方法设计实验，当时对于隔声效果的判断方法有两种设计：一是利用控制变量的方法用各种不同材料隔声后，听铃声的强弱来判断；二是书上推荐的方法，用听不到声音时人与声源的距离进行比较.
经过对比分析后，大家选择了第二种方法，因为比起直接用人耳判断声音的响度，不如将声音的响度转化和量化为听不到声音时人与声源的距离.这个方法确实比第一种方法的误差要小得多，而且量化为数据，更容易进行比较，减少了声强判断的许多主观因素.在现有的实验设备基础上，课本上的方法确实指导了学生如何更科学的改进实验，并且实验误差较小.然而这两个方法利用的都是人耳，每个人对于不同频率的声音有不同的听阈（即人在某个频率刚能听到的最小声强的声音），而不同的人对同一频率的声音听阈也不同，那么同一个人对于同一频率的声音听阈就一定稳定吗？对于刚好听不见声音的这一瞬间的判断，也仍然会有许多主观因素所导致的误差，所以这个实验用人耳来判断，就难以避免生理因素的影响，引起主观判断导致的误差.而这就是数字化实验能革命性解决的问题.
处理对策在数字化实验室，我们可以用声音传感器代替人耳（图2）.
笔者面向尚未参与数字化实验教学的这一届的部分学生，他们已经上过常规教学的初二物理课，见过一些演示实验的数字化改进，却仍未尝试过数字化分组实验.而正是面对过渡阶段的这一届学生，向他们普及数字化实验教学，更能让我们深刻体会数字化与传统实验的革新之处，也更能锻炼学生新技术的运用能力和实验改进的设计能力.
笔者带领学生先学习用声音传感器测量环境噪音，在他们学会使用声音传感器后，向他们提出了这个实验，“比较材料的隔声性能”，并且向他们提出了以下问题：
（1）你们以前做过这个实验吗？
（2）你们是怎么做的呢？
（3）现在有了声音传感器，你们打算怎么改进这个实验呢？
学生们回顾了以前的两种设计方法，介绍了他们选择第二种方法“比较听不到声音时人与声源距离”的原因.很快，就有学生提出这个实验现在可以利用传感器了……
方法一有人提出用声音传感器代替人耳，将声音传感器逐渐远离被隔声材料包裹的声源，直到传感器接收到的声音响度降为0 dB.
这个方法很快就被其他同学推翻了，因为大家在测环境噪音时在教室比较安静的情况下环境噪音都在六十几分贝，传感器接收到的声音响度根本不可能降为0 dB.于是出现了方法二.
方法二有同学说既然传感器能直接测出声音的响度得到的是数据，那就不需要用远离声源测距离这样的方法，直接用声音传感器测响度大小就行了.大家都非常支持，还有同学补充说要控制传感器与声源的距离不变，比如5厘米，要有稳定的声源……
于是笔者应同学们的要求，给他们提供了稳定的声源——蜂鸣器（图3）.
大家开始尝试，在鞋盒分别里塞满海绵、报纸、塑料袋、毛巾等等，保持鞋盒和传感器的位置不变，看得到的实验数据如何变化.
学生的实验波形可以随时截图，通过网络提交到讲台教学电脑，于是我们看到了这组同学的实验现象如图4所示.
笔者立即和大家分享了这组同学的实验结果，有不少组都有同感，几次实验传感器接收到的声音响度非常不稳定，而且区别也不大，于是笔者请大家再讨论一下，出现这一现象的原因是什么？这个实验方法还可以如何改进？
有同学分析，刚才教室安静时环境噪音都有六十多分贝，现在大家一起做实验，环境噪音可能都提高到七十多分贝，传感器测到的不单纯是盒子里声源的声音，更多的是环境噪音，所以三种材料隔声后得到的声音响度差异不大，而且非常不稳定.那么现在要解决的问题就是怎样能让传感器稳定地接收声源被隔声后的声音，而尽量少受环境影响呢？
同学们都觉得要减小传感器与鞋盒的距离，甚至有同学提出将传感器放到鞋盒里，但立刻有同学反对，说放到鞋盒里传感器就在隔声材料中，如何控制材料厚度相同呢？
笔者带领孩子们一起分析，我们当初的设计，为什么要用鞋盒，而不是直接用材料包裹声源？于是很多同学说，鞋盒塞满材料，声源放在正中间，就是为了控制隔声材料的厚度相同，所以传感器一定不能放进鞋盒.但为了减少外界噪音的影响，我们确实要减小传感器与鞋盒之间的距离……于是有同学提出将传感器的声音接收孔紧贴鞋盒，但也有同学顾虑，这会受到鞋盒在桌面上微小振动的影响，因为让接收孔紧贴鞋盒感觉好像在测鞋盒发声似的.这时，有同学发现自己带来的鞋盒上面有一个孔，如果用传感器接收口对着这个孔会如何？鞋盒本身就不必作为隔声材料，这时的隔声材料完全就是填充在鞋盒里的材料，这不是更严谨吗？于是，方法三就这样诞生了.
方法三利用鞋盒侧面的洞，没有洞的盒子可以自行开个直径两厘米左右的洞，用材料将鞋盒填满，蜂鸣器置于正中，并且保证洞与蜂鸣器完全被材料隔开，将传感器接收口对准并紧贴洞口进行测量，测出同一蜂鸣器被相同厚度的不同材料包裹时洞口接收到的声音响度（图5）.
于是大家再次分组进行实验，得到了许多小组提交的数据如图6所示.
这次，通过图线，大家基本都可以分辨出每一次接收到的声音响度了，确实减少了许多外界噪音的影响，同学们激烈的讨论，一步步地改进实验，真的解决了许多问题，实验效果越来越好，笔者能感受到同学们和我一样很有成就感，同学们都愉悦地根据自己得到的实现现象，写出实验结论，根据隔声性能由好到差的排列着自己带来的不同材料.然后，通过分享，大家也不难发现，现在大家的实验现象很明显，传感器的误差也比人耳的小多了，但是为什么大家得到的结论不尽相同呢？
对此笔者例举了的两份数据（图7），一组同学说海绵隔声性能最好，另一组推举纸的隔声效果最好，这又是怎么回事呢？是传感器的测量出错了吗？这又引发了同学们新的思考和讨论……
教学反思利用声音传感器可以直接测量出声音的响度，取代人耳进行更客观准确的判断.这是数字化实验的革命性突破，也正是设备的革新，锻炼了老师和学生对于新技术的运用能力，对于常规实验的大胆尝试与改进的能力.
对于最后出现的结论不一致的问题，我们也可以科学地去看待，结论不一致并不一定是实验出错，本来学生带来的材料不同，纸质不同，填塞方式不同，海绵是整块还是碎块，这些都会影响隔声效果，学生通过实验能发现这些，从而对实验有了新的思考，甚至是课后新的探索，这些都是我们课堂最难能可贵的生成，这极大地提高了同学们对物理探究的兴趣，也提高了他们对思考和实践、讨论与创新的兴趣，这是学习物理多么可贵的动力.
“比较材料的隔声性能”的实验虽然只是一个案，但是带领学生利用数字化实验对常规实验进行了改进是有意义的，我们希望数字化实验能更多地走入常规课堂，能让更多的同学收益，得到能力上的提高.
当然，我们面临的问题是学生能力参差不齐，不是所有学生都能得心应手地使用数字化实验器材，有些学困生甚至常规实验都没有掌握好，数字化实验能够提起他们的兴趣，但他们的学习能力未必能跟上数字化教学的节奏.所以，我们的研究目前只针对学情较好的部分学生，让他们得到更多的提高，而我们所希望的是能设计更多更好的数字化实验项目，把问题分得更细，台阶铺的更低，能让更多的同学参与进来，让他们在我们的数字化物理课上开拓视野，迈上新的台阶.
案例背景笔者曾在《物理课程与教学论》一书中看到了这样一段话：美国教育技术CEO论坛第3届（2000）报告明确指出：“培养21世纪的能力素养，学校必须将数字化内容与学科课程相整合.”这里所强调的“数字化内容与学科课程相整合”.就是我们国内通常所说的“信息技术与学科课程相整合”.（信息技术就是对数字化信息进行处理的技术，其处理结果都是“数字化内容”）也就是说，信息技术与学科课程相整合是方法，教育改革和创新人才的培养是我们要达到的目标.这给笔者很大的启示.
近几年笔者所在的学校配备了数字化实验室.数字化实验体系是一个适合教学、革新教学的全新教学手段和互动媒介，它利用传感器收集实验数据，利用计算机处理数据信息，利用网络进行数据传输，实现教师的远程操控与指导，实现学生实验的快速提交、共享与交流，这正是数字化内容与学科课程相整合的契机，要把数字化资源充分运用在物理教学中.
所以，致力于用数字化实验技术改进常规课堂上的传统实验，让学生对实验设计和实验过程有更深刻的体验，进一步提高学生的设计与改进实验的能力，现象观察力和结论的归纳总结能力，甚至是对新技术的学习与掌控能力.
问题叙述以“比较材料的隔声性能”这个综合实践活动的实验为例（图1），在以往的教学中，我们一直按照书上的方法设计实验，当时对于隔声效果的判断方法有两种设计：一是利用控制变量的方法用各种不同材料隔声后，听铃声的强弱来判断；二是书上推荐的方法，用听不到声音时人与声源的距离进行比较.
经过对比分析后，大家选择了第二种方法，因为比起直接用人耳判断声音的响度，不如将声音的响度转化和量化为听不到声音时人与声源的距离.这个方法确实比第一种方法的误差要小得多，而且量化为数据，更容易进行比较，减少了声强判断的许多主观因素.在现有的实验设备基础上，课本上的方法确实指导了学生如何更科学的改进实验，并且实验误差较小.然而这两个方法利用的都是人耳，每个人对于不同频率的声音有不同的听阈（即人在某个频率刚能听到的最小声强的声音），而不同的人对同一频率的声音听阈也不同，那么同一个人对于同一频率的声音听阈就一定稳定吗？对于刚好听不见声音的这一瞬间的判断，也仍然会有许多主观因素所导致的误差，所以这个实验用人耳来判断，就难以避免生理因素的影响，引起主观判断导致的误差.而这就是数字化实验能革命性解决的问题.
处理对策在数字化实验室，我们可以用声音传感器代替人耳（图2）.
笔者面向尚未参与数字化实验教学的这一届的部分学生，他们已经上过常规教学的初二物理课，见过一些演示实验的数字化改进，却仍未尝试过数字化分组实验.而正是面对过渡阶段的这一届学生，向他们普及数字化实验教学，更能让我们深刻体会数字化与传统实验的革新之处，也更能锻炼学生新技术的运用能力和实验改进的设计能力.
笔者带领学生先学习用声音传感器测量环境噪音，在他们学会使用声音传感器后，向他们提出了这个实验，“比较材料的隔声性能”，并且向他们提出了以下问题：
（1）你们以前做过这个实验吗？
（2）你们是怎么做的呢？
（3）现在有了声音传感器，你们打算怎么改进这个实验呢？
学生们回顾了以前的两种设计方法，介绍了他们选择第二种方法“比较听不到声音时人与声源距离”的原因.很快，就有学生提出这个实验现在可以利用传感器了……
方法一有人提出用声音传感器代替人耳，将声音传感器逐渐远离被隔声材料包裹的声源，直到传感器接收到的声音响度降为0 dB.
这个方法很快就被其他同学推翻了，因为大家在测环境噪音时在教室比较安静的情况下环境噪音都在六十几分贝，传感器接收到的声音响度根本不可能降为0 dB.于是出现了方法二.
方法二有同学说既然传感器能直接测出声音的响度得到的是数据，那就不需要用远离声源测距离这样的方法，直接用声音传感器测响度大小就行了.大家都非常支持，还有同学补充说要控制传感器与声源的距离不变，比如5厘米，要有稳定的声源……
于是笔者应同学们的要求，给他们提供了稳定的声源——蜂鸣器（图3）.
大家开始尝试，在鞋盒分别里塞满海绵、报纸、塑料袋、毛巾等等，保持鞋盒和传感器的位置不变，看得到的实验数据如何变化.
学生的实验波形可以随时截图，通过网络提交到讲台教学电脑，于是我们看到了这组同学的实验现象如图4所示.
笔者立即和大家分享了这组同学的实验结果，有不少组都有同感，几次实验传感器接收到的声音响度非常不稳定，而且区别也不大，于是笔者请大家再讨论一下，出现这一现象的原因是什么？这个实验方法还可以如何改进？
有同学分析，刚才教室安静时环境噪音都有六十多分贝，现在大家一起做实验，环境噪音可能都提高到七十多分贝，传感器测到的不单纯是盒子里声源的声音，更多的是环境噪音，所以三种材料隔声后得到的声音响度差异不大，而且非常不稳定.那么现在要解决的问题就是怎样能让传感器稳定地接收声源被隔声后的声音，而尽量少受环境影响呢？
同学们都觉得要减小传感器与鞋盒的距离，甚至有同学提出将传感器放到鞋盒里，但立刻有同学反对，说放到鞋盒里传感器就在隔声材料中，如何控制材料厚度相同呢？
笔者带领孩子们一起分析，我们当初的设计，为什么要用鞋盒，而不是直接用材料包裹声源？于是很多同学说，鞋盒塞满材料，声源放在正中间，就是为了控制隔声材料的厚度相同，所以传感器一定不能放进鞋盒.但为了减少外界噪音的影响，我们确实要减小传感器与鞋盒之间的距离……于是有同学提出将传感器的声音接收孔紧贴鞋盒，但也有同学顾虑，这会受到鞋盒在桌面上微小振动的影响，因为让接收孔紧贴鞋盒感觉好像在测鞋盒发声似的.这时，有同学发现自己带来的鞋盒上面有一个孔，如果用传感器接收口对着这个孔会如何？鞋盒本身就不必作为隔声材料，这时的隔声材料完全就是填充在鞋盒里的材料，这不是更严谨吗？于是，方法三就这样诞生了.
方法三利用鞋盒侧面的洞，没有洞的盒子可以自行开个直径两厘米左右的洞，用材料将鞋盒填满，蜂鸣器置于正中，并且保证洞与蜂鸣器完全被材料隔开，将传感器接收口对准并紧贴洞口进行测量，测出同一蜂鸣器被相同厚度的不同材料包裹时洞口接收到的声音响度（图5）.
于是大家再次分组进行实验，得到了许多小组提交的数据如图6所示.
这次，通过图线，大家基本都可以分辨出每一次接收到的声音响度了，确实减少了许多外界噪音的影响，同学们激烈的讨论，一步步地改进实验，真的解决了许多问题，实验效果越来越好，笔者能感受到同学们和我一样很有成就感，同学们都愉悦地根据自己得到的实现现象，写出实验结论，根据隔声性能由好到差的排列着自己带来的不同材料.然后，通过分享，大家也不难发现，现在大家的实验现象很明显，传感器的误差也比人耳的小多了，但是为什么大家得到的结论不尽相同呢？
对此笔者例举了的两份数据（图7），一组同学说海绵隔声性能最好，另一组推举纸的隔声效果最好，这又是怎么回事呢？是传感器的测量出错了吗？这又引发了同学们新的思考和讨论……
教学反思利用声音传感器可以直接测量出声音的响度，取代人耳进行更客观准确的判断.这是数字化实验的革命性突破，也正是设备的革新，锻炼了老师和学生对于新技术的运用能力，对于常规实验的大胆尝试与改进的能力.
对于最后出现的结论不一致的问题，我们也可以科学地去看待，结论不一致并不一定是实验出错，本来学生带来的材料不同，纸质不同，填塞方式不同，海绵是整块还是碎块，这些都会影响隔声效果，学生通过实验能发现这些，从而对实验有了新的思考，甚至是课后新的探索，这些都是我们课堂最难能可贵的生成，这极大地提高了同学们对物理探究的兴趣，也提高了他们对思考和实践、讨论与创新的兴趣，这是学习物理多么可贵的动力.
“比较材料的隔声性能”的实验虽然只是一个案，但是带领学生利用数字化实验对常规实验进行了改进是有意义的，我们希望数字化实验能更多地走入常规课堂，能让更多的同学收益，得到能力上的提高.
当然，我们面临的问题是学生能力参差不齐，不是所有学生都能得心应手地使用数字化实验器材，有些学困生甚至常规实验都没有掌握好，数字化实验能够提起他们的兴趣，但他们的学习能力未必能跟上数字化教学的节奏.所以，我们的研究目前只针对学情较好的部分学生，让他们得到更多的提高，而我们所希望的是能设计更多更好的数字化实验项目，把问题分得更细，台阶铺的更低，能让更多的同学参与进来，让他们在我们的数字化物理课上开拓视野，迈上新的台阶.
