以电脑示波代替人眼判断的数字化实验案例
郁志芸
1案例背景
《物理课程与教学论》有这样一段话：“美国教育技术CEO论坛第3度（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.”而“数字化内容与学科课程相整合”就是我们通常所说的“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.我们拥有数字化实验设备，我们要更好地去开发这些设备在一线教学中的运用与改进，让更多的学生在数字化实验中收益.
所以我们近年一直致力于用数字化实验技术改进常规课堂上的传统实验，利用传感器和电脑的显像优势来弥补传统实验中的不直观等不足，让学生在实验中有更准确更具可视性的体验，从而提高学生的实验操作能力， 培养学生的观察力和数据分析能力，锻炼学生的逻辑思维能力，提高学生开拓物理实验的兴趣.
2问题叙述
苏科版物理八上第一章第二节声音的特性一节的教学，如图1所示.
探究影响声音强弱的因素时，实验设计中要解决的一个问题就是如何显示鼓面振动幅度，因为人眼无法看清鼓面的振动，于是我们运用转化放大法，在鼓面上撒米粒或放置乒乓球，看米粒或乒乓球跳动的高度，来判断鼓面的振动幅度，从而总结响度与振幅的关系.而在实际操作中，两次声音响度必须差异较大，才能明显看出鼓面上物体跳动的高度差别，要想做三次甚至更多次实验进行对比，得到普遍规律，就没那么容易了，那么能否直接显示出振动的幅度呢？
如果说这个实验利用转化放大法还是能较好地观察现象，得出结论，那么探究音调与频率的关系，学生的困惑就更多了.
在课堂上，学生改变钢尺伸出桌面的长短（图2），从而改变了发声的音调，此时就有同学对刻度尺发声的音调提出了质疑，感到无法分辨哪次音调较高，而且好像控制了用力大小，可是响度还是不同，因为这个实验，不仅仅是刻度尺振动发声，可能同学们更多听到的是刻度尺拍打桌面的声音，声源不止一个，音调区分也不能听得非常清楚.而最大的问题是对振动频率的观察，不少学生说看不清刻度尺的振动快慢.确实，人眼对振动频率的分辨能力有限，振动频率高于一定值时，人眼是很难准确分辨出振动频率的高低的.所以这个实验最大的困难就是对振动频率的观察，如何能清楚地显示振动频率是实验的关键点.
对于音色的介绍，课本上的活动是让学生听不同乐器的音色（图3），然后给同学展示了不同乐器发声的波形（图4）.
我们能否真正显示出不同乐器发声的波形？
处理对策：利用数字化实验设备，我们可以用声音传感器采集声音（图5）.
它的优势是可以通过采集声音，在电脑上显示出声音的波形（图6）.
纵坐标表示振幅，横坐标表示时间.
2.1探究响度与振幅的关系
我们选用笛子进行实验，因为声音较刻度尺、音叉等更为稳定（图7）.
我们请同学分别用不同的力吹相同的音C调SO，第一次响度最小（红线），第二次响度较大（蓝线），第三次响度最大（绿线），观察三次实验的波形（图8）.
可以从纵坐标声波的振动幅度看出，红色波（第一次）振幅最小，绿色波（第三次）振幅最大，从而得出振幅越大，响度越大的实验结论.
历经困难：为什么会选取C调SO呢？我们在实验过程中发现，不是每个音调都适合利用传感器做响度与振幅关系的实验，笛子发较低的音调时，波形显示的振幅都比较大，而较高音调时，哪怕很用力吹，显示波形的振幅也并不太大，我们要找一个音，能够在三次不同的力吹奏下在电脑上显示出振幅区分度较大的波形，经过多次实验，我们选取了C调SO，从而得到了图8的波形，完成了实验.
2.2探究音调与频率的关系
我们请同学用同样的力吹C调SO（红线）、高音DO（蓝线）和高音SO（绿线）三个音，我们能很明显地听出音调的升高，而得到的波形（图9）.
我们选中一个区域，相同的时间，红色波振动了6次，蓝色波振动了8次，而绿色波振动了12次，由于频率等于振动的次数与时间的比值，所以相同的时间，振动次数越多，频率越高，结合三次音调的高低也就说明频率越高，音调越高.
历经困难：为什么选取这三个音？
通过一次次尝试，我们发现如果音调差异较小的两个音，频率较接近，选取相同的时间，很难都数出完整个数的波形.所以音调区分度要稍大，这样频率区别更明显.而更大的困难是保持相同的响度，也就是图上三个波的振幅要尽可能相同，C调SO和高音DO用相同的力吹就能基本保持波形振幅相同，而高音SO如果也用相同的力吹，响度明显没有前两个音大，振幅也明显小，所以这里控制相同的力反而无法控制响度相同了，于是我们请同学用更大的力吹高音SO，直到控制振幅与前两个波相同时为止.这是笛子这种乐器的特性所造成的.
2.3观察不同乐器的发声波形
我们请三位同学分别演奏二胡、笛子和小提琴，并且要求他们保持尽可能相同的响度，演奏同一个音C调SO，我们能明显听到三种乐器的音色不同，并且得到了三种乐器的波形（图10）.
同学们能直观地观察到不同乐器的音色不同，波形也不同.
3教学反思
3.1数字化改进的优势
3.1.1现象更直观
学生可以在电脑上直观地看到声音的波形，可以对比不同响度不同的振动幅度，可以比较不同音调不同的振动频率，更能够直接对比不同乐器不同音色声音的波形.它不仅解决了学生肉眼看不清声源振动的问题，而且更清晰地让学生了解到声音是一种波.
3.1.2声源更稳定
改用乐器进行实验，能提供比音叉、刻度尺等更稳定的声源，得到稳定响度、音调的声音，从而提高实验的准确性.
3.1.3实验更有趣
请学生演奏，请学生收集，声源贴近生活，一起分析波形，这样的改进让学生有新的体验，对于能够看到声音的波形这一点，就让学生产生了很大的兴趣和新鲜感，并且还能通过对波形的分析得出结论，这也给了学生极大的成就感.
3.2数字化实验的不足
3.2.1技术难度
参与数字化实验，对学生提出了技术操作的要求，对于个体能力参差不齐的初中学生群体，不可能像刻度尺实验那样让每个同学都在课堂上参与并完成.只能组织部分学习能力较强的同学以校本课程或夏令营的形式参与，对广大学生的普及性较差.
3.2.2分析难度
学生在做频率分析的时候要通过数相同时间内的振动次数，这对于初中生来说，必须先透彻理解频率的定义，再去理解相同时间振动次数多频率就高，这是有一定难度的，并不是直接比较频率值.
3.2.3声源限制
在实验过程中，我们发现一个问题，不同乐器发声波形不同，然而同一个乐器不同音调时波形也不一样.比如钢琴，由于每个键弹奏时琴锤敲击的弦并不是同一组，得到的波形会有不同.我们最终选取笛子来完成第一、二个实验，也是因为笛子的波形较为稳定，也便于观察.
3.3针对不足进行的改进
由于无法做到学生全员参与，笔者将此实验做成了5分钟的微课，在课上播放给学生看，作为这一节课学生实验后的一个深入理解和巩固.学生很感兴趣，效率也很高，关键是学生更透彻地理解了声音的特性，攻破了响度与振幅、音调与频率的关系这个学生常混淆的知识点，取得了不错的效果.
1案例背景
《物理课程与教学论》有这样一段话：“美国教育技术CEO论坛第3度（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.”而“数字化内容与学科课程相整合”就是我们通常所说的“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.我们拥有数字化实验设备，我们要更好地去开发这些设备在一线教学中的运用与改进，让更多的学生在数字化实验中收益.
所以我们近年一直致力于用数字化实验技术改进常规课堂上的传统实验，利用传感器和电脑的显像优势来弥补传统实验中的不直观等不足，让学生在实验中有更准确更具可视性的体验，从而提高学生的实验操作能力， 培养学生的观察力和数据分析能力，锻炼学生的逻辑思维能力，提高学生开拓物理实验的兴趣.
2问题叙述
苏科版物理八上第一章第二节声音的特性一节的教学，如图1所示.
探究影响声音强弱的因素时，实验设计中要解决的一个问题就是如何显示鼓面振动幅度，因为人眼无法看清鼓面的振动，于是我们运用转化放大法，在鼓面上撒米粒或放置乒乓球，看米粒或乒乓球跳动的高度，来判断鼓面的振动幅度，从而总结响度与振幅的关系.而在实际操作中，两次声音响度必须差异较大，才能明显看出鼓面上物体跳动的高度差别，要想做三次甚至更多次实验进行对比，得到普遍规律，就没那么容易了，那么能否直接显示出振动的幅度呢？
如果说这个实验利用转化放大法还是能较好地观察现象，得出结论，那么探究音调与频率的关系，学生的困惑就更多了.
在课堂上，学生改变钢尺伸出桌面的长短（图2），从而改变了发声的音调，此时就有同学对刻度尺发声的音调提出了质疑，感到无法分辨哪次音调较高，而且好像控制了用力大小，可是响度还是不同，因为这个实验，不仅仅是刻度尺振动发声，可能同学们更多听到的是刻度尺拍打桌面的声音，声源不止一个，音调区分也不能听得非常清楚.而最大的问题是对振动频率的观察，不少学生说看不清刻度尺的振动快慢.确实，人眼对振动频率的分辨能力有限，振动频率高于一定值时，人眼是很难准确分辨出振动频率的高低的.所以这个实验最大的困难就是对振动频率的观察，如何能清楚地显示振动频率是实验的关键点.
对于音色的介绍，课本上的活动是让学生听不同乐器的音色（图3），然后给同学展示了不同乐器发声的波形（图4）.
我们能否真正显示出不同乐器发声的波形？
处理对策：利用数字化实验设备，我们可以用声音传感器采集声音（图5）.
它的优势是可以通过采集声音，在电脑上显示出声音的波形（图6）.
纵坐标表示振幅，横坐标表示时间.
2.1探究响度与振幅的关系
我们选用笛子进行实验，因为声音较刻度尺、音叉等更为稳定（图7）.
我们请同学分别用不同的力吹相同的音C调SO，第一次响度最小（红线），第二次响度较大（蓝线），第三次响度最大（绿线），观察三次实验的波形（图8）.
可以从纵坐标声波的振动幅度看出，红色波（第一次）振幅最小，绿色波（第三次）振幅最大，从而得出振幅越大，响度越大的实验结论.
历经困难：为什么会选取C调SO呢？我们在实验过程中发现，不是每个音调都适合利用传感器做响度与振幅关系的实验，笛子发较低的音调时，波形显示的振幅都比较大，而较高音调时，哪怕很用力吹，显示波形的振幅也并不太大，我们要找一个音，能够在三次不同的力吹奏下在电脑上显示出振幅区分度较大的波形，经过多次实验，我们选取了C调SO，从而得到了图8的波形，完成了实验.
2.2探究音调与频率的关系
我们请同学用同样的力吹C调SO（红线）、高音DO（蓝线）和高音SO（绿线）三个音，我们能很明显地听出音调的升高，而得到的波形（图9）.
我们选中一个区域，相同的时间，红色波振动了6次，蓝色波振动了8次，而绿色波振动了12次，由于频率等于振动的次数与时间的比值，所以相同的时间，振动次数越多，频率越高，结合三次音调的高低也就说明频率越高，音调越高.
历经困难：为什么选取这三个音？
通过一次次尝试，我们发现如果音调差异较小的两个音，频率较接近，选取相同的时间，很难都数出完整个数的波形.所以音调区分度要稍大，这样频率区别更明显.而更大的困难是保持相同的响度，也就是图上三个波的振幅要尽可能相同，C调SO和高音DO用相同的力吹就能基本保持波形振幅相同，而高音SO如果也用相同的力吹，响度明显没有前两个音大，振幅也明显小，所以这里控制相同的力反而无法控制响度相同了，于是我们请同学用更大的力吹高音SO，直到控制振幅与前两个波相同时为止.这是笛子这种乐器的特性所造成的.
2.3观察不同乐器的发声波形
我们请三位同学分别演奏二胡、笛子和小提琴，并且要求他们保持尽可能相同的响度，演奏同一个音C调SO，我们能明显听到三种乐器的音色不同，并且得到了三种乐器的波形（图10）.
同学们能直观地观察到不同乐器的音色不同，波形也不同.
3教学反思
3.1数字化改进的优势
3.1.1现象更直观
学生可以在电脑上直观地看到声音的波形，可以对比不同响度不同的振动幅度，可以比较不同音调不同的振动频率，更能够直接对比不同乐器不同音色声音的波形.它不仅解决了学生肉眼看不清声源振动的问题，而且更清晰地让学生了解到声音是一种波.
3.1.2声源更稳定
改用乐器进行实验，能提供比音叉、刻度尺等更稳定的声源，得到稳定响度、音调的声音，从而提高实验的准确性.
3.1.3实验更有趣
请学生演奏，请学生收集，声源贴近生活，一起分析波形，这样的改进让学生有新的体验，对于能够看到声音的波形这一点，就让学生产生了很大的兴趣和新鲜感，并且还能通过对波形的分析得出结论，这也给了学生极大的成就感.
3.2数字化实验的不足
3.2.1技术难度
参与数字化实验，对学生提出了技术操作的要求，对于个体能力参差不齐的初中学生群体，不可能像刻度尺实验那样让每个同学都在课堂上参与并完成.只能组织部分学习能力较强的同学以校本课程或夏令营的形式参与，对广大学生的普及性较差.
3.2.2分析难度
学生在做频率分析的时候要通过数相同时间内的振动次数，这对于初中生来说，必须先透彻理解频率的定义，再去理解相同时间振动次数多频率就高，这是有一定难度的，并不是直接比较频率值.
3.2.3声源限制
在实验过程中，我们发现一个问题，不同乐器发声波形不同，然而同一个乐器不同音调时波形也不一样.比如钢琴，由于每个键弹奏时琴锤敲击的弦并不是同一组，得到的波形会有不同.我们最终选取笛子来完成第一、二个实验，也是因为笛子的波形较为稳定，也便于观察.
3.3针对不足进行的改进
由于无法做到学生全员参与，笔者将此实验做成了5分钟的微课，在课上播放给学生看，作为这一节课学生实验后的一个深入理解和巩固.学生很感兴趣，效率也很高，关键是学生更透彻地理解了声音的特性，攻破了响度与振幅、音调与频率的关系这个学生常混淆的知识点，取得了不错的效果.
