振動與聲基礎課堂演示實驗設計方法分析

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

關鍵詞：振動與聲基礎；演示實驗；大學物理

1引言

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

2演示實驗的作用

演示實驗是理論課教學的一部分，是為了配合理論知識的講解、更有效地讓學生理解物理概念和規(guī)律的輔助教學手段?！罢駝优c聲基礎”課程包含理論課和實驗課，實驗課是讓學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生動手為主的專題實驗。演示實驗把振動與聲學規(guī)律和現(xiàn)象直觀地對學生進行展現(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)學方法分析振動與聲問題，通過公式推導得到問題解的方程；或是分析得到某一物理問題的規(guī)律；或是在公式推導過程中引入某一振動或聲學定義和概念。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)律等能給學生留下更深刻的印象。演示實驗可以糾正學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。在一些學生的錯誤觀念里認為人也能發(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，很難讓學生接受。通過設計“人類發(fā)聲頻率測量演示實驗”，課堂上實際測量若干個學生的發(fā)聲頻率，讓學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。通過教師對實驗目的、實驗儀器、實驗過程的講解，以及對實驗設備儀器的現(xiàn)場操作，都會對學生產(chǎn)生潛在的影響，使學生學會正確的實驗方法。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生形成科學、嚴謹?shù)膶W習態(tài)度。演示實驗可以吸引學生的注意力，活躍課堂氣氛，提高課堂教學效率。教師長時間進行數(shù)理公式的推導和講述，容易讓學生產(chǎn)生枯燥乏味的感覺；在教學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，能夠讓學生在聽課過程中以多樣化的形式進行學習，增加學習興趣，保持長時間的聽課專注力。

3演示實驗設計原則

物理課堂演示實驗設計，一般應遵循針對性、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”課程也應遵循這些原則。針對性演示實驗是配合理論教學的手段，其目的是讓學生理解和掌握某個概念或規(guī)律現(xiàn)象，所以要根據(jù)不同的教學內(nèi)容和目的制定相應的演示實驗。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)。為了讓學生更深刻地理解品質(zhì)因數(shù)的概念，可設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，重復測量品質(zhì)因數(shù)。通過針對性的設計和實施品質(zhì)因數(shù)測量演示實驗，達到讓學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行操作，學生在臺下進行觀察。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行標記，普通的鋼尺刻度線太細太小，應自制刻度尺，用鮮艷顏色進行刻度標記，保證整個教室的學生都能清晰地觀察到實驗現(xiàn)象，才能成功達到演示實驗的目的?？煽啃岳碚撜n的學時有限，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提前進行儀器檢查、設備聯(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、喇叭等設備，需要注意線路連接的安全。在麥克風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，以免對學生造成不適。啟發(fā)性演示實驗在達到直觀形象地展示理解物理概念的同時，應進一步引導學生進行分析、推理、判斷、概括，不斷引導學生思考，根據(jù)學情和課程內(nèi)容設置懸念，積極引導學生獲得感性認識的同時進行總結(jié)和提高。如“拍現(xiàn)象演示實驗”中，學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，此時可以引導學生思考：鋼琴調(diào)音師是如何利用拍現(xiàn)象進行調(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，會進一步調(diào)動學生學習和思考的積極性。

4實施方法

教師準備，學生預習教師在進行理論備課的過程中，設計好本次課共需要進行哪些演示實驗，計劃好每個演示實驗在授課過程中的順序和時長，提前進行演示實驗過程，保證課堂演示的成功進行。在前一次課結(jié)束時，告知學生下節(jié)課的授課內(nèi)容，要求學生提前預習理論知識，預習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習，徹底理解所學內(nèi)容。同步解說，學生配合演示實驗進行過程中，教師首先把實驗的目的、所用設備和儀器講述清楚，實驗過程中對每一步操作進行解釋說明。有些演示實驗需要帶動學生配合，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)設演示實驗中，教師首先讓學生思考回答自己發(fā)聲的最高頻率是多少，然后讓學生上臺測試發(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問題很難在課堂上進行演示實驗，此時可以利用可視化的虛擬演示技術向?qū)W生進行展示。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)代化多媒體技術進行課程教學。如平面障板圓面活塞輻射器指向性問題，如果課堂演示進行指向性測量，會用到大量的實驗儀器和專業(yè)設備，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，同時達到提高教學效率和質(zhì)量的目的。思考題基于演示實驗的啟發(fā)性設計原則，完成演示實驗后，教師要引導學生進行擴展思考或深入思考，給出思考題讓學生課后通過查閱資料、理論分析等進行解答。如“空氣中聲速測量演示實驗”結(jié)束后，讓學生根據(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，進一步思考和查閱文獻，總結(jié)聲速測量有哪些方法。改進實驗根據(jù)授課效果，教師調(diào)整和完善演示實驗的設備和方法，并結(jié)合其他理論知識點設計新的演示實驗。另一方面，把改進實驗的內(nèi)容作為作業(yè)留給學有余力的學生，提高學生主動思考的能力，也培養(yǎng)了學生的動手能力。

5結(jié)語

綜上所述，演示實驗是振動與聲基礎理論授課中的重要輔助教學手段，在明確演示實驗作用的前提下，設計和實施配合理論授課中相應知識點的演示實驗。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”理論課程的授課效果。

參考文獻

[1]張攬月,孫輝,田寶晶,等.聲學專業(yè)課程教學改革的探討[J].林區(qū)教學,2011(3):11-12.

[2]王金玉,趙言誠,孫秋華,等.淺談演示實驗在大學物理教學中的作用[J].教育教學論壇,2018(20):208-209.

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

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

作者：陳文劍 張攬月 孫輝 單位：哈爾濱工程大學水聲工程學院