闻壹兵

摘    要：随着现代科技发展，利用智能手机自带的传感器可以设计探究性物理实验。文章利用智能手机上安装的Oscilloscope应用程序，根据声波波形图的振幅、疏密和形状特征与声音响度、音调和音色的关系，实验验证了苏科版《物理》八年级上册第一章第三节课后阅读材料介绍的“以声消声”这个噪音消除技术的可行性。拓展了学生对声音波形特征的理解和应用，为物理教学素材选取和教学情境预设提供了新思路，为中学物理教育渗透科学本质观提供了新的教学案例。

关键词：声波;波形图;以声消声;科学本质观

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）10-0064-4

不同时代背景下的科学发展具有不同的历史性和价值性，我们所处时代的科学知识只是这个时代暂时盛行的科学知识。现阶段中学物理教学迫于升学压力，“去背景化”教学大行其道，只注重讲解公式和定理以及解决物理问题，忽略了学生科学本质观的培养，使得学生对科学的认识过于片面化。科学本质观要求学者对科学问题有着本质的认识，包括科学世界观、科学探究和科学事业三个主要部分[1]。随着社会的发展，将科学本质观渗透到物理课堂教学中，培养具有科学本质观的学生日趋重要。

在物理实验教学过程中，建议教师采用整合教学素材、多元化实验仪器、开发多样性实验资源、智能化实验器材等方法，拓展学生视野，更好地启发学生进行思考，培养学生从物理视角认识客观事物本质以及内在联系和规律的能力[2]。对于物理初学者而言，物理实验是其获得对事物本质认识和培养科学本质观的重要途径之一。初中物理内容属于经典物理学范畴，通过拓展教学素材，在学习过程中启发学生发现问题，通过开展探究实验给予学生一定的体感感受，从而让学生紧跟当前社会科技化进程，成为具有科学本质观的人才[3]。

1    利用智能手机采集音频信息

在苏科版《物理》八年级上册第一章第三节的“生活 物理 社会”部分介绍了一种“以声消声”噪音消除技术。初学者对声音只有听觉上的认知，而笔者在课堂教学中借助智能手机上的一款应用程序——Oscilloscope（图1），让初学者可视化认识声音的三大特性，并用实验验证“以声消声”噪音消除技术的可行性。

1.1    音频采集实验装置

师：同学们，智能手机的功能有哪些啊？我相信很多同学都会用它看视频、刷抖音和打游戏吧。

生：（相视而笑）哈哈，我们还用它打电话，查资料……

师：那能不能用它来做物理实验，探究物理问题呢？

生：（迟疑）可以吧。

师：今天我们将利用智能手机自带的一款声波监测应用软件——Oscilloscope进行一个物理实验。打开软件，将手机接近声源即可记录声音信息。今天，我为各位同学准备了手机、铁架台、大小音叉（图2左图）和维吾尔族一种弹弦乐器——热瓦普（图2右图）。请各位同学利用以上物品，搭建如图3所示的实验装置采集声音的波形图。

1.2    实验操作与记录

在尽可能降低实验室噪声的情况下，将音叉放在铁架台前的声音接收区内，分别用力和轻轻敲打音叉，开启Oscilloscope程序，设置参数后采集声波图形并截屏记录数据（图4-图6）。然后，用相同方法采集热瓦普弹奏的两个单音节的声波数据（图7-图9）。

2    在声波波形图教学中渗透科学本质观

2.1    展示声波波形图，引出声波的特征

师： 從声波波形图可以发现不同种类声源产生的声波波形图有什么区别？

生：音叉发声的波形图形状非常相似，民族乐器热瓦普发出的不同声音的波形图也很相似。但音叉和热瓦普的声波波形图的形状和疏密相差甚远。

师：是的。猜想一下，这些波形图的特征与声音的特性有没有联系呢？

甲生：波形图的振幅可能与声音的响度有关。

乙生：对比图4和图5，可以看出波形图的振动幅度（矩形线框内波形曲线最高点和最低点的高度差）与响度的大小有关。声音响度越大，波形图的振幅就越大。

丙生：我也是这样认为的。热瓦普不同响度的波形图（图7、图8）也具有同样的特征。

师：三位同学观察得非常仔细。波形图的振幅对应着声音的响度，振幅越大，响度也就越大。接下来，我们对比一下以上声波波形图的疏密程度，同学们能发现什么样的特点？波形图的疏密程度与声音的特性有联系吗？

生：同一个大音叉产生的声波虽然振幅有区别，但疏密程度基本是相同的，而小音叉产生的声波波形更加密集。另一方面，热瓦普同一个音节不同强度的波形图（图7、图8）的疏密程度十分相近，但高音节的波形图更加密集（图9）。由此可以看出，波形的疏密程度与声调有着密切的关系。

师：波形图的疏密程度与声音的音调有关，且波形越密集其频率越高，对应声音的音调越高。为什么音叉和热瓦普的波形图形状迥异，而大小音叉的波形图形状却十分相似呢？大家可以根据所学声音的三大特性（响度、音调和音色）大胆猜测一下。

生：我认为声波波形图的形状与声音音色有关。大小音叉的音色相近，所以波形基本一致，而音叉与热瓦普的音色相差很远，所以波形也大不相同。

师：对比大小音叉和热瓦普的声波波形图，我们可以发现不同乐器发出声音的波形是不同的，即声音的音色（品质）不同。由于大小音叉的材料相同，结构相似，所以大小音叉的音色即波形基本一致。而热瓦普与音叉的材质和结构截然不同，所以波形差异很大。

2.2    延伸教学素材，渗透科学本质观

师：我们已经知道声音在介质中以波的形式进行传播，不同的声波叠加能不能起到相互抑制的作用呢？

生：如果两种声音的波形恰好互补的话，我们听到的声音应该可以被抑制。

师：那你认为这两种声音应该具有什么特征呢？

生：这两种声音的音色、音调和响度应该相似，最好是同一种声音。

师：是的。那同学们能不能利用现有的设备探索抑制声音的可行性呢？请说明一下你的理由。如果可以，那该如何设计实验呢？

生：只需要改变器材的位置即可。让两个音叉发音腔相对，将手机放置在两个音叉连线的中间位置进行声音监测。沿着连线左右移动手机位置，收集不同位置处的声波波形图即可。

师：你能确保每一次音叉发声的响度是一样的吗？又如何确定手机接收到的声音响度是削弱的呢？请同学们思考优化实验的方案。

甲生：可以采用两个固定响度的声源，比如用两部手机同时录制同一音叉发出的声音，然后再同时播放。

乙生：可以利于回声。利用封闭区间制作一个回音腔，就可以得到两个完全一样的声源了。

师：同学们的思路很不错。为了更好地验证“以声消声”的可行性，录制同一个音叉发出的声音为声源进行实验的效果更好。老师为大家提供了同一个音叉的录制音频，请各位同学按照自己的想法设计和开展 “以声消声”的实验，下一节课由同学们展示自己实验探索的成果。

2.3    “以声消声”开放式实验探究

三位学生利用老师录制的同一个音叉的音频文件为声源（图10）分别开展实验，然后展示了在两个声源连线中间不同位置处录制的声波波形图，如图11-图13所示。

师：三位同学都利用Oscilloscope得到声源的波形图和“以声消声”后的波形图。根据波形图，你们认为“以声消声”是否可行？“以声消声”在降低噪声方面是否有用？

生：从波形图中可以看出“以声消声”的效果十分明显，能有效降低声音的响度，将“以声消声”应用于降低噪声应该可以有效地抑制噪声。但是在消声过程中，如果使用“不当”反而会增强噪声，如学生甲在实验过程中还观测到了图14所示的“异象”。

师：同学们分析得很到位。“以声消声”是将声波波形曲线的波峰（波形曲线的正向最大点）和波谷（波形曲线的负向最大点）相互叠加而抵消，从而达到消声或抑制声音的作用。如果波峰（谷）和波峰（谷）相叠加，波形曲线振动幅度会变大，声音响度反而会增大。声音在我们的生活中不可或缺，声音可以传播信息，也可以传播能量。现代生活中噪声的来源有很多，为了营造适宜的日常生活、学习和工作环境，“以声消声”的技术就更加值得我们去探索。

3    初中时期渗透科学本质观的重要性

传统科学本质观和现代科学本质观是科学本质观演变的两个阶段。观察事物，实验重现，收集数据，运用相应的处理手段，继而根据这些事实和实验结果推导出定律和理论，这就是传统科学本质观所说的“知识是经过实证检验的，是具有永恒性的”。初中物理教学内容多是演绎传统科学本质观时期的物理定律和理论，如牛顿的经典力学体系，麦克斯韦的电磁学理论体系等。这些理论体系的绝对性和永恒性深入学生内心。

现代科学本质观主流是建構主义的科学本质观。该观点认为：科学知识的获得是科学家根据原有知识和现有理论来建构科学知识。它强调的是知识的暂时性、主观性和建构性。科学知识是被不断推翻和修正，而归纳和实证等处理方式获得的物理知识不一定完全正确，不是永恒和绝对的。纵观物理学科发展的过程，科学知识都是在不断被推翻和完善。现代科学观要求学生对物质世界有着自己的见解[4]，学生能利用客观性的科学知识对科学世界进行审问和判断。在传统科学本质观的教育下，固化的物理知识体系将影响学生对科学世界的认知，不利于培养学生的创新能力，以及对未知区域的求知欲和好奇心。如今，教师将前沿物理科技引入中学物理教学，渗透现代科学本质观的教育，使学生对科学世界有了更为全面的认识。一方面，刺激了学生对未知领域的好奇心和探索欲望;另一方面，使得学生能正确认识日益科技化世界的本质，从而正确对待并合理使用科技产品。

当今社会生活节奏快速，快餐式社会文化大行其道，智能手机的使用在某种程度上大大禁锢了青少年学生的动手能力和创新能力。社会需要创新型人才，教师在课堂传播知识过程中要渗透现代科学本质观，引导学生敢于创新和尝试，善于利用身边的器材去探索这个有趣的世界。

参考文献：

[1]蔡其勇，靳玉乐.科学的本质与学生科学本质观的培养[J].课程·教材·教法，2008（09）：69-74.

[2]吴政.异常处探出能力，过程中生成品质——实验异常探究中培养核心素养二例[J].物理教师，2020，41（01）：55-57.

[3]郑青岳.为促进学生的理解而教（3）——物理学习理解的证据[J].中学物理教学参考，2019，48（09）：1-5.

[4]周彬，张文明.多媒体视角下物理实验的教学与改革[J].中学物理教学参考，2019，48（02）：50-51.

（栏目编辑    邱晓燕）

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