初中物理新声学实验的数字化改进及启示，本文主要内容关键词为：声学论文,启示论文,物理论文,初中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的提出
初中物理各种版本的新教材中都增加了不少新的声学实验。这些实验对引导学生“关 心科技前沿”“培养学科兴趣”无疑起着积极的作用。但在新教材使用过程中，不少学 校反映：新实验所需要的仪器有的价格较高，学校无力购置，新实验根本无法进行；有 的新置仪器实验现象不明显，效果不尽如人意。因此，研究如何对实验进行改进，保证 新教材中实验的正常施行，并取得较好的实验效果便成为当前初中物理新课改中一个亟 待解决的实际问题。作为新教材的编写人员，我一直对此问题高度关注。经过研究和试 验发现，利用一般学校原有的多媒体设备，结合从互联网上下载的免费软件，对教材中 的新实验(注：刘炳升，李容.义务教育课程标准实验教科书《物理》八年级上册.江苏 科技出版社，2003)进行数字化改造，就能完成全部实验并取得良好的实验效果。
二、对声学实验的数字化改进
1.“测一测你听觉的频率范围”实验的改进
该实验能激发学生的兴趣，扭转学生“声音都能听见”的偏见，进而为引入超声波、 次声波奠定基础。但实验中用到的音频发生器，其市场价格一般在1000元～2000元之间 ，条件较差的学校可能无力配置。但前几年学校进行信息化达标，一般中学已经配置了 电脑。利用电脑上的声卡和音箱，再从互联网上下载、安装一个免费的“虚拟仪器”软 件(如：AudioSCSI等)，就可把电脑变成一台音频发生器。
打开音箱的电源，运行“虚拟仪器”软件(以AudioSCSI非注册版为例)，出现界面后， 单击①选择信号发生器功能，即进入音频发生器界面，如图1所示。单击②、③、④， 分别打开电源、左声道和右声道，即可进行测试。⑤、⑥两旋钮可分别控制左右声道的 音量，拖动滑块⑦、⑧，可分别改变左右声道声音信号的频率，信号的实时频率可在滑 块旁的窗口里显示出来，如果实验中需要精细地改变频率，只要将鼠标按住滑块后滚动 鼠标的滚轮即可实现。实验时可先用鼠标拖动滑块，较迅速地改变声音的频率，当接近 临界频率时，再改用鼠标滚轮来精细地改变频率。实验中如果对某一频率的声音能否听 见有疑问，也可按滑块旁的精确输入按钮，手动输入有疑问的频率，进行测试。
附图
如果你用的是AudioSISC正式注册版，你还可以直接使用其中的扫频功能。先按精确输 入按钮⑨，设置起始频率和截止频率(默认值是1Hz～20000Hz)，然后将⑩旋钮调到扫频 功能，再打开电源和左右声道，就可以进行实验了。实验中学生不仅能听见声音，还能 从两个主窗口中看见左右声道声音的波形。当声波频率落在20Hz～20000Hz以外时，学 生已不能听见声音(即超声和次声)，但仍能“看见”它们的波形(即超声波和次声波)， 这就让他们对次声波、超声波的存在获得了直接的、真实的感受。由于不但能“听见” ，还能“看见”，所以实验效果比使用“真实”的音频发生器还要优越。
2.对“观察声音的波形”实验的改进
教材中是用示波器来显示声音的波形的，这样做有一个缺点，就是声音的波形“转瞬 即逝”，无法被长久保存，不利于进行细致观察和比较。利用常见的音频编辑软件和电 脑也可克服上述不足，具体做法如下：
器材：电脑一台(安装有声卡和音频编辑软件)、麦克风(能接电脑的麦克风插口)。
操作：将麦克风插入电脑的麦克风插口，打开麦克风。运行音频编辑软件(下面以
Blaze AudioRipEditBurn2.0为例)，出现界面后，单击①进入声音编辑界面，如图2。
附图
连击按钮②，直至出现“麦克风”字样，表示将声音输入选择为麦克风。单击录音按 钮③，跳出“choose format”菜单，选择OK后，录音开始。必要时可以调节滑块④， 控制录音音量的大小。再次单击录音按钮③，停止录音。
连击按钮⑤，将波形图放大。单击按钮⑥，开始放音，这时就可以看到刚才所录声音 的波形了。如果要仔细观察，你也可以单击按钮⑥，暂停放音，这时出现的就是暂停处 的声音波形。
3.对“研究声音的特征”实验的改进
利用上述电脑和相关软件构成的研究平台，师生还可以对“声音的特征”进行实验探 究，不仅拓展了探究领域，并且可取得较好的探究效果。
在进行“研究声音的特征”的实验时，将同一个人(或同一种乐器)发出的响度不同的 两次声音录制下来，对比它们在波形上有何异同；将高低不同的声音输入电脑，比较它 们波形的差异。通过上述的两次比较，引导学生发现，响度越大的声音其波形的振动幅 度越大，音调越高的声音其波形的振动越快，从而让学生学会如何从波形图中识别声音 的振幅和频率。
再让男生、女生、几种不同的乐器先后发出音调相同的声音，如C调中的1(dou)，比较 它们的波形，哪些地方相似?哪些地方不同?学生就会对声音的音色特征留下较为清晰的 印象。
4.对“测量声速”实验的改进
教材中测量声速的方法是：量出一段300m以上的直线距离(让发令者、计时者分别站在 上述距离的两端)，当计时的同学看到发令枪冒烟时，按下秒表；听到发令枪声时，按 停秒表，进而计算出声音每秒钟传播的距离大约是多少。由于实验中所用的器材是秒表 ，本身的计时精度就不高，再加上按表时人需要一定的反应时间，所以从这个实验中学 生虽能看出声音的传播需要时间，但测出的声速值却与准确值相差很大，几乎没有意义 。利用电脑和软件则能克服上述不足，具体操作如下：
将两台安装有相同音频编辑软件(仍以Blaze Audio RipEditBurn2.0为例)的电脑放在 一起，都进入录音状态后，先记录同一次基准声，基准声越短促越好；再将两电脑分别 移置发令处和计时处(注：移动过程中电脑始终处于录音状态)，然后记录同一发令枪声 。停止录音后，观察两电脑各自记录的波形，从窗口⑦中读出基准声和发令枪声所对应 的时刻，相减就可得出枪声和基准声之间的时间间隔，两电脑所记录的时间间隔之差就 是声音在空气中的传播时间，量出发令处与计时处的距离即可计算出声速了。
由于避免了手动计时人体反应时间的干扰，加上电脑计时一般可准确到0.001s，有些 音频软件甚至可以准确到0.0001s，计时准确度大为提高，实验中即使传播距离不足300 m，只有100m，也能测出较准确的声速值，甚至还能测出声音在铁管中传播速度。我曾 指导学生利用教室走廊前的不锈钢栏杆，测出了声音在其中的速度，与理论值符合得很 好，极大地提高了学生的学习兴趣与自信。
三、实验数字化改进的启示
启示一：实验的数字化改进并不神秘难测
从上述案例中不难看出，实验的数字化改进并不神秘。它是以计算机为核心搭载各种 传感器构成的一个实验平台，其中传感器的主要功能是收集数据，计算机主要起数据处 理和测量结果显示的作用，其综合功能等同于一个数字化的测量仪表。此外，由于在使 用时师生都不必去关心数字实验仪器的结构和原理，而只需关心其功能(如测量类型、 测量范围、测量精度是否合乎我们实验的需要)，所以如同不知道电流表的原理但并不 妨碍初中生正确使用电流表一样，他们也能很快地掌握数字化仪器的用法。
启示二：数字化并不意味着高成本
搭载不同的传感器，结合不同的测量数据处理软件，数字化实验平台就能实现不同的 测量功能。如搭载压敏传感器，就能进行力的测量；搭载温度传感器和相关软件，就成 了一支数字式温度计。数字化平台这种“一机多能”的优势使得其综合配置成本要小于 配置多个分列式仪器的成本总和。尤其对于那些已经大量配置了计算机的学校，进行实 验的数字化改进更是有效挖掘现有实验设备的潜力，节约成本而又达到更好教学效果的 首选。
启示三：数字化实验是信息技术与物理课程整合的高级形式
实验的数字化改进是现代信息技术与物理课程整合的一种方式。目前，信息技术与中 学物理课程的整合还主要局限在使用现成的计算机辅助教学软件或自制的多媒体课件来 说明讲解结构，形象地演示其中某些难以理解的内容，或用图表、动画等展示动态的变 化过程。依照课程整合层次理论(注：马宁，余胜泉.信息技术与课程整合的层次.中国 电化教育，2002.1)，这种用计算机代替幻灯、投影、粉笔、黑板等传统媒体，围绕知 识的传授展开，将信息技术用做“演示工具”，主要优化讲授式教学模式的形式是整合 的最低层次。
在数字化实验中，信息技术是围绕知识的发现，而非知识的传授而展开的，它以实验 器材、实验手段为主要整合点，进而调整、改造实验的原理和步骤，为传统实验注入现 代特性，形成了一些崭新的实验教学模式。学生则利用数字化实验作为研究和发现的工 具去接触自然、观察自然、研究自然，从中发展自己提出问题、解决问题，特别是创造 性思维的能力。由于信息技术在其中扮演的是“研发工具”的角色，直接优化的是师生 的实验探究过程，所以这种整合形式适用于实验探究教学模式。显然这种作为“研发工 具”的整合与前述用做“演示工具”的整合有很大的不同，它是信息技术与物理课程整 合的高级形式(注：马宁，余胜泉.信息技术与课程整合的层次.中国电化教育，2002.1) 。
启示四：数字化将是实验改进的一条重要途径
创造性地进行实验改进是新课程教学中的一项经常性工作。实验改进的途径很多，其 中重要的一条就是对实验进行数字化改造。数字化改进不同于以往的“利用瓶瓶罐罐做 实验”式的、以日常低成本器材所进行的实验改进，它以全新的数字技术为核心手段， 对实验的各个环节、层面进行优化，是一种高科技、高规格的改进。数字化成为实验改 进的重要途径首先在于数字实验平台所特有的优势及其衍生的良好教学效果。如在观察 环节，数字化手段可以极大地扩展实验的可视性和可重复性，以往用肉眼观察非常困难 的物理现象，现在可以借助数字视频技术清楚地采集下来反复观察；在数据采集环节上 ，计算机和传感器等数字手段的介入，可以更快更准地得到实验数据，从而节省宝贵的 教学时间，把更多的时间用于讨论物理问题之中。在数据分析环节上，利用计算机的强 大数据处理能力，可将学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来，让他们的 时间和精力用在更有创造力的方面。其次还因为并不是所有的实验都能利用“瓶瓶罐罐 ”来改进，有时数字化甚至是实验改进的惟一选择!这就使得数字化成为实验改进之必 需，上述几个声学实验即是如此。最后数字化改进还得益于数字技术的普及，使得以前 看来“高不可攀”的电脑、传感器等数字设备大量进入中学实验室，成为常规实验器材 ，让数字化改进变得可能。相信随着新课程的实施，随着实验探究教学模式的广泛施行 ，实验的数字化改进也会越来越多地出现在我们的教学实践中，彰显其旺盛的生命力。