振動與聲基礎(chǔ)課堂演示實驗設(shè)計方法分析

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摘要：演示實驗是增強振動與聲基礎(chǔ)理論授課效果的有效輔助教學(xué)方法。演示實驗把振動與聲的規(guī)律和現(xiàn)象直觀地對學(xué)生進(jìn)行展現(xiàn)，增強學(xué)生對理論知識的理解，同時吸引學(xué)生注意力，活躍課堂氣氛。遵循針對性、直觀性、可靠性、安全性和啟發(fā)性的原則進(jìn)行演示實驗設(shè)計，采用合理的實施方法在理論授課過程中進(jìn)行實驗演示，達(dá)到增強振動與聲基礎(chǔ)理論課程授課效果的目的。

關(guān)鍵詞：振動與聲基礎(chǔ)；演示實驗；大學(xué)物理

1引言

“振動與聲基礎(chǔ)”是聲學(xué)類專業(yè)的一門理論基礎(chǔ)課程，也是一門以實驗為基礎(chǔ)的課程[1]。在理論課的教學(xué)過程中，會有大量抽象的和難以理解的振動規(guī)律和聲學(xué)現(xiàn)象，通過演示實驗直觀地進(jìn)行振動與聲學(xué)物理規(guī)律和現(xiàn)象的展示，將會提高教師的授課質(zhì)量，也會令學(xué)生對知識點的理解達(dá)到事半功倍的效果。教育部在最新頒布的《非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》中明確指出：“大學(xué)物理課程的主要內(nèi)容都應(yīng)有演示實驗（實物演示和多媒體仿真演示），其中實物演示實驗的數(shù)目不應(yīng)少于40個?！笨梢娧菔緦嶒瀸Υ髮W(xué)物理理論教學(xué)具有十分重要的作用和意義[2]。聲學(xué)是物理學(xué)的一個重要分支，在聲學(xué)課程教學(xué)過程中也應(yīng)重視相應(yīng)演示實驗的設(shè)計、開發(fā)和實施。

2演示實驗的作用

演示實驗是理論課教學(xué)的一部分，是為了配合理論知識的講解、更有效地讓學(xué)生理解物理概念和規(guī)律的輔助教學(xué)手段?！罢駝优c聲基礎(chǔ)”課程包含理論課和實驗課，實驗課是讓學(xué)生作為主體動手操作的實驗。演示實驗是在理論課堂上為某一個理論知識點設(shè)計的、主要是教師操作演示的實驗，每個演示實驗的用時較少，學(xué)生不參與動手，以觀察現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律為主要目的。理論授課中的演示實驗不能代替課程配套的實驗課中以學(xué)生動手為主的專題實驗。演示實驗把振動與聲學(xué)規(guī)律和現(xiàn)象直觀地對學(xué)生進(jìn)行展現(xiàn)，可增強對理論知識的理解，加深印象。理論課講授過程中，通常是用數(shù)學(xué)方法分析振動與聲問題，通過公式推導(dǎo)得到問題解的方程；或是分析得到某一物理問題的規(guī)律；或是在公式推導(dǎo)過程中引入某一振動或聲學(xué)定義和概念。此時通過演示實驗結(jié)合數(shù)理公式的講解，讓學(xué)生由形象思維過渡到抽象思維，加深對概念的理解，快速接受和掌握相應(yīng)知識點。另外，相比用單純的公式和語言講解，通過演示實驗得到的結(jié)論、規(guī)律等能給學(xué)生留下更深刻的印象。演示實驗可以糾正學(xué)生頭腦中的一些錯誤觀念。如人耳的可聽閾范圍為20Hz～20kHz，但人的發(fā)聲頻率范圍在80Hz～1kHz。在一些學(xué)生的錯誤觀念里認(rèn)為人也能發(fā)出1kHz以上的聲音，這一錯誤觀念如果只是教師講解來糾正，很難讓學(xué)生接受。通過設(shè)計“人類發(fā)聲頻率測量演示實驗”，課堂上實際測量若干個學(xué)生的發(fā)聲頻率，讓學(xué)生通過親身測量更能輕松糾正自己的錯誤觀念。演示實驗具有示范作用。通過教師對實驗?zāi)康?、實驗儀器、實驗過程的講解，以及對實驗設(shè)備儀器的現(xiàn)場操作，都會對學(xué)生產(chǎn)生潛在的影響，使學(xué)生學(xué)會正確的實驗方法。再通過對實驗結(jié)果的總結(jié)和分析，示范性的作用會使學(xué)生形成科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。演示實驗可以吸引學(xué)生的注意力，活躍課堂氣氛，提高課堂教學(xué)效率。教師長時間進(jìn)行數(shù)理公式的推導(dǎo)和講述，容易讓學(xué)生產(chǎn)生枯燥乏味的感覺；在教學(xué)過程中穿插一些針對性的演示實驗，觀察振動現(xiàn)象或聽一些配合理論講解的聲音，能夠讓學(xué)生在聽課過程中以多樣化的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)，增加學(xué)習(xí)興趣，保持長時間的聽課專注力。

3演示實驗設(shè)計原則

物理課堂演示實驗設(shè)計，一般應(yīng)遵循針對性、直觀性、可靠性、安全性和啟發(fā)性的原則[3-4]，“振動與聲基礎(chǔ)”課程也應(yīng)遵循這些原則。針對性演示實驗是配合理論教學(xué)的手段，其目的是讓學(xué)生理解和掌握某個概念或規(guī)律現(xiàn)象，所以要根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和目的制定相應(yīng)的演示實驗。如阻尼振動系統(tǒng)中引入的品質(zhì)因數(shù)的概念，其定義是振動系統(tǒng)自由振動時，振幅衰減到初始值的1/eπ倍時所經(jīng)歷的周期數(shù)。為了讓學(xué)生更深刻地理解品質(zhì)因數(shù)的概念，可設(shè)計一個單自由度阻尼振動系統(tǒng)，即將一定質(zhì)量的球懸掛在一個彈簧下方，通過演示和記錄質(zhì)量球振幅衰減到初始振幅時的1/eπ倍的周期數(shù)，具體測量得到這個振動系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)；然后重新懸掛相同質(zhì)量但體積不同的球，目的是改變空氣阻力，重復(fù)測量品質(zhì)因數(shù)。通過針對性的設(shè)計和實施品質(zhì)因數(shù)測量演示實驗，達(dá)到讓學(xué)生對概念深入理解的目的。直觀性課堂演示實驗是教師在講臺或講桌上進(jìn)行操作，學(xué)生在臺下進(jìn)行觀察。因此，實驗器具要足夠大，儀器的刻度線要足夠明顯。仍以品質(zhì)因數(shù)測量演示實驗為例，彈簧和質(zhì)量球在足夠大的同時并具有鮮艷的顏色，方便學(xué)生清晰地觀察振動現(xiàn)象。另外，振動幅度測量時需要用到刻度尺進(jìn)行標(biāo)記，普通的鋼尺刻度線太細(xì)太小，應(yīng)自制刻度尺，用鮮艷顏色進(jìn)行刻度標(biāo)記，保證整個教室的學(xué)生都能清晰地觀察到實驗現(xiàn)象，才能成功達(dá)到演示實驗的目的?？煽啃岳碚撜n的學(xué)時有限，每節(jié)課都要在有限的時間內(nèi)完成計劃的課程內(nèi)容。演示實驗作為課程一部分，不能占據(jù)過多時間。因此，教師在備課過程中應(yīng)提前進(jìn)行儀器檢查、設(shè)備聯(lián)調(diào)，并完成至少一次實驗過程，確保授課過程中演示實驗的成功。對于課堂演示中出現(xiàn)的問題，不能回避，要現(xiàn)場分析問題和解決問題。對于演示實驗測量過程中出現(xiàn)的誤差，要分析誤差的來源和減小誤差的方法，必要時可重新進(jìn)行演示實驗測量。安全性振動與聲的演示實驗主要包含兩方面的安全因素。一是教師的用電安全。在播放聲音的演示過程中會用到信號源、功率放大器、喇叭等設(shè)備，需要注意線路連接的安全。在麥克風(fēng)接收聲音顯示波形時，自制的濾波放大電路要模塊化封裝處理，保證教師演示操作時的安全。二是學(xué)生的聽力安全。如音頻聲演示實驗中，播放20Hz～20kHz范圍的單頻聲，聲音強度不易過大，以免對學(xué)生的聽力造成損傷；每一個單頻聲播放時間不宜過長，以免對學(xué)生造成不適。啟發(fā)性演示實驗在達(dá)到直觀形象地展示理解物理概念的同時，應(yīng)進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析、推理、判斷、概括，不斷引導(dǎo)學(xué)生思考，根據(jù)學(xué)情和課程內(nèi)容設(shè)置懸念，積極引導(dǎo)學(xué)生獲得感性認(rèn)識的同時進(jìn)行總結(jié)和提高。如“拍現(xiàn)象演示實驗”中，學(xué)生通過聽覺感受兩個頻率相近的單頻聲的拍現(xiàn)象，改變頻率時拍現(xiàn)象發(fā)生變化，此時可以引導(dǎo)學(xué)生思考：鋼琴調(diào)音師是如何利用拍現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)音工作的？不同的初始條件是否對拍頻振動產(chǎn)生影響？理論聯(lián)系實際或理論深入討論的問題，會進(jìn)一步調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的積極性。

4實施方法

教師準(zhǔn)備，學(xué)生預(yù)習(xí)教師在進(jìn)行理論備課的過程中，設(shè)計好本次課共需要進(jìn)行哪些演示實驗，計劃好每個演示實驗在授課過程中的順序和時長，提前進(jìn)行演示實驗過程，保證課堂演示的成功進(jìn)行。在前一次課結(jié)束時，告知學(xué)生下節(jié)課的授課內(nèi)容，要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)理論知識，預(yù)習(xí)過程中不清楚和不明白的知識，在課堂上帶著問題聽課，再配合演示實驗觀察學(xué)習(xí)，徹底理解所學(xué)內(nèi)容。同步解說，學(xué)生配合演示實驗進(jìn)行過程中，教師首先把實驗的目的、所用設(shè)備和儀器講述清楚，實驗過程中對每一步操作進(jìn)行解釋說明。有些演示實驗需要帶動學(xué)生配合，如在通過測量人的發(fā)聲頻率作為“單自由度機械振動系統(tǒng)受迫振動”課程內(nèi)容的情景創(chuàng)設(shè)演示實驗中，教師首先讓學(xué)生思考回答自己發(fā)聲的最高頻率是多少，然后讓學(xué)生上臺測試發(fā)聲頻率，再次講解人類男女分別能發(fā)聲的頻率范圍，最后提出問題：為什么人類相似的發(fā)聲結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的聲波頻率范圍不一樣？為什么超過這個范圍的聲音發(fā)不出來？進(jìn)而引出本節(jié)課的授課內(nèi)容?？梢暬摂M演示很多振動問題和聲學(xué)問題很難在課堂上進(jìn)行演示實驗，此時可以利用可視化的虛擬演示技術(shù)向?qū)W生進(jìn)行展示。利用計算機軟件程序?qū)崿F(xiàn)一些特殊的振動或聲學(xué)問題，模擬顯示各種抽象的、微觀的或動態(tài)的現(xiàn)象，充分利用現(xiàn)代化多媒體技術(shù)進(jìn)行課程教學(xué)。如平面障板圓面活塞輻射器指向性問題，如果課堂演示進(jìn)行指向性測量，會用到大量的實驗儀器和專業(yè)設(shè)備，并且需要耗費很長時間測量大量數(shù)據(jù)，因此不適合進(jìn)行課堂演示實驗。通過計算機軟件可以畫出其三維空間的指向性圖，調(diào)整聲波頻率、活塞尺寸等參數(shù)得到不同條件下的指向性結(jié)果。虛擬化的演示可以補充課堂演示實驗的不足，同時達(dá)到提高教學(xué)效率和質(zhì)量的目的。思考題基于演示實驗的啟發(fā)性設(shè)計原則，完成演示實驗后，教師要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行擴展思考或深入思考，給出思考題讓學(xué)生課后通過查閱資料、理論分析等進(jìn)行解答。如“空氣中聲速測量演示實驗”結(jié)束后，讓學(xué)生根據(jù)演示實驗中的聲波頻率、現(xiàn)場的空氣溫度等參數(shù)理論計算聲速值，分析理論和實驗誤差產(chǎn)生的原因，進(jìn)一步思考和查閱文獻(xiàn)，總結(jié)聲速測量有哪些方法。改進(jìn)實驗根據(jù)授課效果，教師調(diào)整和完善演示實驗的設(shè)備和方法，并結(jié)合其他理論知識點設(shè)計新的演示實驗。另一方面，把改進(jìn)實驗的內(nèi)容作為作業(yè)留給學(xué)有余力的學(xué)生，提高學(xué)生主動思考的能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力。

5結(jié)語

綜上所述，演示實驗是振動與聲基礎(chǔ)理論授課中的重要輔助教學(xué)手段，在明確演示實驗作用的前提下，設(shè)計和實施配合理論授課中相應(yīng)知識點的演示實驗。演示實驗的實施主體是教師，接受主體是學(xué)生，同時兩者相互配合，充分發(fā)揮演示實驗的作用，增強“振動與聲基礎(chǔ)”理論課程的授課效果。

參考文獻(xiàn)

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[3]祁曉暉.做好物理演示實驗的“四性”[J].科學(xué)咨詢:教育科研,2017(3):83.

[4]汪文明.大學(xué)物理演示實驗教學(xué)研究[D].武漢:華中師范大學(xué),2006.

作者：陳文劍 張攬月 孫輝 單位：哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院