振動(dòng)與聲基礎(chǔ)課堂演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法分析

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摘要：演示實(shí)驗(yàn)是增強(qiáng)振動(dòng)與聲基礎(chǔ)理論授課效果的有效輔助教學(xué)方法。演示實(shí)驗(yàn)把振動(dòng)與聲的規(guī)律和現(xiàn)象直觀地對(duì)學(xué)生進(jìn)行展現(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)吸引學(xué)生注意力，活躍課堂氣氛。遵循針對(duì)性、直觀性、可靠性、安全性和啟發(fā)性的原則進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用合理的實(shí)施方法在理論授課過(guò)程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，達(dá)到增強(qiáng)振動(dòng)與聲基礎(chǔ)理論課程授課效果的目的。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)與聲基礎(chǔ)；演示實(shí)驗(yàn)；大學(xué)物理

1引言

“振動(dòng)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(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的課程[1]。在理論課的教學(xué)過(guò)程中，會(huì)有大量抽象的和難以理解的振動(dòng)規(guī)律和聲學(xué)現(xiàn)象，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)直觀地進(jìn)行振動(dòng)與聲學(xué)物理規(guī)律和現(xiàn)象的展示，將會(huì)提高教師的授課質(zhì)量，也會(huì)令學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)（實(shí)物演示和多媒體仿真演示），其中實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)的數(shù)目不應(yīng)少于40個(gè)?！笨梢?jiàn)演示實(shí)驗(yàn)對(duì)大學(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(gè)重要分支，在聲學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中也應(yīng)重視相應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和實(shí)施。

2演示實(shí)驗(yàn)的作用

演示實(shí)驗(yàn)是理論課教學(xué)的一部分，是為了配合理論知識(shí)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。“振動(dòng)與聲基礎(chǔ)”課程包含理論課和實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)課是讓學(xué)生作為主體動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)是在理論課堂上為某一個(gè)理論知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)的、主要是教師操作演示的實(shí)驗(yàn)，每個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的用時(shí)較少，學(xué)生不參與動(dòng)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(shí)驗(yàn)不能代替課程配套的實(shí)驗(yàn)課中以學(xué)生動(dòng)手為主的專題實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)把振動(dòng)與聲學(xué)規(guī)律和現(xiàn)象直觀地對(duì)學(xué)生進(jìn)行展現(xiàn)，可增強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解，加深印象。理論課講授過(guò)程中，通常是用數(shù)學(xué)方法分析振動(dòng)與聲問(wèn)題，通過(guò)公式推導(dǎo)得到問(wèn)題解的方程；或是分析得到某一物理問(wèn)題的規(guī)律；或是在公式推導(dǎo)過(guò)程中引入某一振動(dòng)或聲學(xué)定義和概念。此時(shí)通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)理公式的講解，讓學(xué)生由形象思維過(guò)渡到抽象思維，加深對(duì)概念的理解，快速接受和掌握相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)。另外，相比用單純的公式和語(yǔ)言講解，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)可以糾正學(xué)生頭腦中的一些錯(cuò)誤觀念。如人耳的可聽(tīng)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(cuò)誤觀念里認(rèn)為人也能發(fā)出1kHz以上的聲音，這一錯(cuò)誤觀念如果只是教師講解來(lái)糾正，很難讓學(xué)生接受。通過(guò)設(shè)計(jì)“人類發(fā)聲頻率測(cè)量演示實(shí)驗(yàn)”，課堂上實(shí)際測(cè)量若干個(gè)學(xué)生的發(fā)聲頻率，讓學(xué)生通過(guò)親身測(cè)量更能輕松糾正自己的錯(cuò)誤觀念。演示實(shí)驗(yàn)具有示范作用。通過(guò)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的講解，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器的現(xiàn)場(chǎng)操作，都會(huì)對(duì)學(xué)生產(chǎn)生潛在的影響，使學(xué)生學(xué)會(huì)正確的實(shí)驗(yàn)方法。再通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)和分析，示范性的作用會(huì)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)時(shí)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(jué)；在教學(xué)過(guò)程中穿插一些針對(duì)性的演示實(shí)驗(yàn)，觀察振動(dòng)現(xiàn)象或聽(tīng)一些配合理論講解的聲音，能夠讓學(xué)生在聽(tīng)課過(guò)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(zhǎng)時(shí)間的聽(tīng)課專注力。

3演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則

物理課堂演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，一般應(yīng)遵循針對(duì)性、直觀性、可靠性、安全性和啟發(fā)性的原則[3-4]，“振動(dòng)與聲基礎(chǔ)”課程也應(yīng)遵循這些原則。針對(duì)性演示實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)。如阻尼振動(dòng)系統(tǒng)中引入的品質(zhì)因數(shù)的概念，其定義是振動(dòng)系統(tǒng)自由振動(dòng)時(shí)，振幅衰減到初始值的1/eπ倍時(shí)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(jì)一個(gè)單自由度阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，即將一定質(zhì)量的球懸掛在一個(gè)彈簧下方，通過(guò)演示和記錄質(zhì)量球振幅衰減到初始振幅時(shí)的1/eπ倍的周期數(shù)，具體測(cè)量得到這個(gè)振動(dòng)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(cè)量品質(zhì)因數(shù)。通過(guò)針對(duì)性的設(shè)計(jì)和實(shí)施品質(zhì)因數(shù)測(cè)量演示實(shí)驗(yàn)，達(dá)到讓學(xué)生對(duì)概念深入理解的目的。直觀性課堂演示實(shí)驗(yàn)是教師在講臺(tái)或講桌上進(jìn)行操作，學(xué)生在臺(tái)下進(jìn)行觀察。因此，實(shí)驗(yàn)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(cè)量演示實(shí)驗(yàn)為例，彈簧和質(zhì)量球在足夠大的同時(shí)并具有鮮艷的顏色，方便學(xué)生清晰地觀察振動(dòng)現(xiàn)象。另外，振動(dòng)幅度測(cè)量時(shí)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(gè)教室的學(xué)生都能清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，才能成功達(dá)到演示實(shí)驗(yàn)的目的。可靠性理論課的學(xué)時(shí)有限，每節(jié)課都要在有限的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)劃的課程內(nèi)容。演示實(shí)驗(yàn)作為課程一部分，不能占據(jù)過(guò)多時(shí)間。因此，教師在備課過(guò)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(shí)驗(yàn)過(guò)程，確保授課過(guò)程中演示實(shí)驗(yàn)的成功。對(duì)于課堂演示中出現(xiàn)的問(wèn)題，不能回避，要現(xiàn)場(chǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。對(duì)于演示實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的誤差，要分析誤差的來(lái)源和減小誤差的方法，必要時(shí)可重新進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)測(cè)量。安全性振動(dòng)與聲的演示實(shí)驗(yàn)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(guò)程中會(huì)用到信號(hào)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(shí)，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(shí)的安全。二是學(xué)生的聽(tīng)力安全。如音頻聲演示實(shí)驗(yàn)中，播放20Hz～20kHz范圍的單頻聲，聲音強(qiáng)度不易過(guò)大，以免對(duì)學(xué)生的聽(tīng)力造成損傷；每一個(gè)單頻聲播放時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以免對(duì)學(xué)生造成不適。啟發(fā)性演示實(shí)驗(yàn)在達(dá)到直觀形象地展示理解物理概念的同時(shí)，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(shí)的同時(shí)進(jìn)行總結(jié)和提高。如“拍現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)”中，學(xué)生通過(guò)聽(tīng)覺(jué)感受兩個(gè)頻率相近的單頻聲的拍現(xiàn)象，改變頻率時(shí)拍現(xiàn)象發(fā)生變化，此時(shí)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(duì)拍頻振動(dòng)產(chǎn)生影響？理論聯(lián)系實(shí)際或理論深入討論的問(wèn)題，會(huì)進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的積極性。

4實(shí)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(guò)程中，設(shè)計(jì)好本次課共需要進(jìn)行哪些演示實(shí)驗(yàn)，計(jì)劃好每個(gè)演示實(shí)驗(yàn)在授課過(guò)程中的順序和時(shí)長(zhǎng)，提前進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程，保證課堂演示的成功進(jìn)行。在前一次課結(jié)束時(shí)，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(shí)，預(yù)習(xí)過(guò)程中不清楚和不明白的知識(shí)，在課堂上帶著問(wèn)題聽(tīng)課，再配合演示實(shí)驗(yàn)觀察學(xué)習(xí)，徹底理解所學(xué)內(nèi)容。同步解說(shuō)，學(xué)生配合演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，教師首先把實(shí)驗(yàn)的目的、所用設(shè)備和儀器講述清楚，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)每一步操作進(jìn)行解釋說(shuō)明。有些演示實(shí)驗(yàn)需要帶動(dòng)學(xué)生配合，如在通過(guò)測(cè)量人的發(fā)聲頻率作為“單自由度機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)受迫振動(dòng)”課程內(nèi)容的情景創(chuàng)設(shè)演示實(shí)驗(yàn)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(tái)測(cè)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(wèn)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(guò)這個(gè)范圍的聲音發(fā)不出來(lái)？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(dòng)問(wèn)題和聲學(xué)問(wèn)題很難在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，此時(shí)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(jì)算機(jī)軟件程序?qū)崿F(xiàn)一些特殊的振動(dòng)或聲學(xué)問(wèn)題，模擬顯示各種抽象的、微觀的或動(dòng)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(wèn)題，如果課堂演示進(jìn)行指向性測(cè)量，會(huì)用到大量的實(shí)驗(yàn)儀器和專業(yè)設(shè)備，并且需要耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量大量數(shù)據(jù)，因此不適合進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)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(bǔ)充課堂演示實(shí)驗(yàn)的不足，同時(shí)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(shí)驗(yàn)的啟發(fā)性設(shè)計(jì)原則，完成演示實(shí)驗(yàn)后，教師要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)展思考或深入思考，給出思考題讓學(xué)生課后通過(guò)查閱資料、理論分析等進(jìn)行解答。如“空氣中聲速測(cè)量演示實(shí)驗(yàn)”結(jié)束后，讓學(xué)生根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)中的聲波頻率、現(xiàn)場(chǎng)的空氣溫度等參數(shù)理論計(jì)算聲速值，分析理論和實(shí)驗(yàn)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(cè)量有哪些方法。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)根據(jù)授課效果，教師調(diào)整和完善演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)備和方法，并結(jié)合其他理論知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)新的演示實(shí)驗(yàn)。另一方面，把改進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)思考的能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，演示實(shí)驗(yàn)是振動(dòng)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(shí)驗(yàn)作用的前提下，設(shè)計(jì)和實(shí)施配合理論授課中相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的演示實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)施主體是教師，接受主體是學(xué)生，同時(shí)兩者相互配合，充分發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)的作用，增強(qiáng)“振動(dòng)與聲基礎(chǔ)”理論課程的授課效果。

參考文獻(xiàn)

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