對(duì)“振動(dòng)類(lèi)科學(xué)玩具”課程化的研究

1、對(duì)“振動(dòng)類(lèi)科學(xué)玩具”課程化的研究 圖1各類(lèi)吸引人的玩具基本都具備美妙的音樂(lè)或者各種動(dòng)物的模仿聲。像撥浪鼓，搖鈴和小汽笛一類(lèi)成為了嬰兒最早接觸到的科學(xué)玩具，像叫蟬和水鳥(niǎo)發(fā)出的的動(dòng)物模仿聲吸引了幼兒們的好奇與青睞。這些振動(dòng)發(fā)聲類(lèi)玩具傳統(tǒng)而經(jīng)典，制作巧妙，變化萬(wàn)千，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便和聲音悅耳的優(yōu)勢(shì)在玩具市場(chǎng)久盛不衰。撥浪鼓是中國(guó)最為古老的玩具（如圖1所示），據(jù)考究，在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就有了，發(fā)展至宋代已經(jīng)在三個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)，一是禮樂(lè)之用；二是商業(yè)之用；三是兒童玩具。撥浪鼓的主體是一面小鼓，兩側(cè)綴有兩枚 HYPERLINK t _blank 彈丸，鼓下有柄，轉(zhuǎn)動(dòng)鼓柄，彈丸甩動(dòng)擊鼓發(fā)聲?！八膶訐芾斯摹眲t由四個(gè)

2、由小漸大的小鼓，逐個(gè)疊摞在一起，相間轉(zhuǎn)向90 度，搖動(dòng)時(shí)一起發(fā)聲。一般而言，鼓面越大，發(fā)音越低沉，反之發(fā)音越高亢。撥浪鼓這種玩具之所以得以廣泛流傳，主要是它的音響效果與娛樂(lè)效果共同發(fā)揮了作用。圖2叫蟬是一種用竹木制作的民間玩具，也叫響蟬、竹蟬（如圖2所示），它由蟬體（空腔）、空腔底膜、細(xì)線(xiàn)和甩棒構(gòu)成。轉(zhuǎn)動(dòng)甩棒使蟬體做圓周運(yùn)動(dòng)，細(xì)線(xiàn)被拉緊，細(xì)線(xiàn)的一端在棒上的凹槽中轉(zhuǎn)動(dòng)，凹槽的松香細(xì)末加大了細(xì)線(xiàn)與棒的摩擦，從而通過(guò)圓筒底膜發(fā)生振動(dòng)，膜的振動(dòng)又推動(dòng)竹制空腔的空氣產(chǎn)生共鳴，從而讓我們聽(tīng)到音調(diào)起伏變化的鳴叫聲（類(lèi)似蟬鳴）。這類(lèi)玩具對(duì)優(yōu)化課堂教學(xué)，豐富研究性學(xué)習(xí)課程，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)方面都能發(fā)揮很大的促

3、進(jìn)作用。本文中，筆者想從“振動(dòng)類(lèi)科學(xué)玩具”的課程化方面，談一些具體的做法和體會(huì)。1、豐富演示實(shí)驗(yàn)，激發(fā)主動(dòng)學(xué)習(xí)物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，而演示實(shí)驗(yàn)生動(dòng)有趣，易形成懸念，它在創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究熱情，增強(qiáng)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的積極性和主動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生追根求源探索知識(shí)上有極其重要的作用。比如在簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的教學(xué)時(shí)，我先拿出玩具架子鼓，請(qǐng)學(xué)生來(lái)即興表演，激起他們的參與熱情，我的教學(xué)設(shè)計(jì)如下：師：你為什么能聽(tīng)到聲音？生：因?yàn)橛薪】档亩?；因?yàn)殍尮陌l(fā)出了聲音；因?yàn)榭諝饽軅鞑ヂ曇?。師：從聲源開(kāi)始研究，鑼鼓為什么能發(fā)聲？生：（初中已有的知識(shí)）因?yàn)槲矬w的振動(dòng)。師：如何知道鑼鼓在振動(dòng)？生：（經(jīng)過(guò)自主探究后

4、提出）用手觸摸敲擊后的鑼?zhuān)杏X(jué)到明顯振動(dòng)；在鼓面上放一些小紙屑，當(dāng)鼓面振動(dòng)時(shí)，紙屑會(huì)在鼓面上“跳舞”；用手阻止鼓面的振動(dòng)時(shí)，鼓聲會(huì)立即停止。（并請(qǐng)學(xué)生按自己的設(shè)想用實(shí)驗(yàn)演示，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)來(lái)感受振動(dòng)） 圖3師：那振動(dòng)是怎樣的運(yùn)動(dòng)呢？你能舉出一些振動(dòng)的實(shí)例嗎？圖4接著我拿出了玩具豎琴（如圖3），撥動(dòng)琴弦能發(fā)出清脆的琴聲，仔細(xì)觀察能發(fā)現(xiàn)琴弦在原來(lái)位置兩側(cè)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，我又拿出一個(gè)滑稽的不倒翁來(lái)回?fù)u擺，拿出一個(gè)毛毛球上串下跳（如圖4），從這些玩具的運(yùn)動(dòng)中找出了振動(dòng)的特點(diǎn)。如此一來(lái)，學(xué)生已經(jīng)完全投入到新課的學(xué)習(xí)中，我就可以引入理想的物理模型了。在簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的描述中，我用架子鼓、風(fēng)鈴、敲打琴（如圖5）

5、等玩具感知音調(diào)與響度的不同，引發(fā)學(xué)生對(duì)振幅周期的思考；在外力作用下的振動(dòng)中，我有節(jié)奏地推動(dòng)不倒翁，讓學(xué)生觀察周期和振幅的變化，然后用改裝成“小動(dòng)物蕩秋千比賽”的共振擺來(lái)導(dǎo)入課題，又用了伸縮喇叭、叫蟬及鳥(niǎo)笛等玩具來(lái)說(shuō)明空氣柱共振。圖5學(xué)生對(duì)這些簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)用具感到既熟悉又親切，而在物理的課堂中出現(xiàn)，能把玩的樂(lè)趣轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)的興趣，帶著一個(gè)個(gè)問(wèn)題來(lái)探究其中的奧妙。之后的學(xué)生反饋和學(xué)習(xí)成果足以證實(shí)我們的嘗試取得了階段性成功。2、娛教合一，優(yōu)化課堂教學(xué) 威廉格拉塞博士認(rèn)為人的行為內(nèi)驅(qū)力來(lái)自人的固有的需要，學(xué)生有三種需要：對(duì)愛(ài)的需要；對(duì)力的需要；對(duì)自由、娛樂(lè)的需要。 我們追求的“娛教”是生動(dòng)有趣的緊跟時(shí)代前沿

6、的注重人性的教育理念，只有將古板的“迂教”變成“娛教”，改變以往的教學(xué)模式，才能提高現(xiàn)在物理教學(xué)質(zhì)量，從而讓我們的物理學(xué)科充滿(mǎn)生命力。作為物理教師，我們可以從實(shí)驗(yàn)探究入手，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性和娛樂(lè)性。圖6我在多普勒效應(yīng)一節(jié)中做過(guò)這樣的教學(xué)嘗試：讓學(xué)生分組用叫蟬來(lái)探究多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的條件。讓一人在水平面內(nèi)勻速快速旋轉(zhuǎn)細(xì)線(xiàn)，使叫蟬發(fā)聲（如圖6），該組的其他同學(xué)站在原地仔細(xì)聽(tīng)，判斷音調(diào)是否變化，是否有多普勒效應(yīng)發(fā)生？也可以靠近或遠(yuǎn)離叫蟬，或者站在轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸心處傾聽(tīng)，或者與叫蟬同方向或者反方向跑動(dòng)，或者讓學(xué)生設(shè)計(jì)方案自主探索研究。我們看到每組學(xué)生都積極主動(dòng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)感知、分析，沉浸在探究的愉悅之中，

7、在身心愉快中進(jìn)行學(xué)習(xí)。等幾組實(shí)驗(yàn)都完成后，分別讓他們匯報(bào)探究結(jié)果，從而可以培養(yǎng)學(xué)生的信息收集和處理能力、語(yǔ)言交流表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)合作能力，等等。下課鈴響以后，學(xué)生們還在用叫蟬轉(zhuǎn)著玩著，體驗(yàn)著物理學(xué)的博大與神奇。圖7在外力作用下的振動(dòng)一節(jié)中，通過(guò)受迫振動(dòng)儀了解共振條件后，我拿出了鳥(niǎo)笛現(xiàn)場(chǎng)吹出了婉轉(zhuǎn)悅耳的笛聲，通過(guò)它來(lái)了解一些樂(lè)器的發(fā)聲原理。其實(shí)，管樂(lè)器的發(fā)聲方式和鳥(niǎo)笛相類(lèi)似（如圖7），只要設(shè)法激起空氣柱的振動(dòng)，就能使空氣柱產(chǎn)生駐波，并在周?chē)諝庵邪l(fā)出聲波。講到這，有的學(xué)生點(diǎn)頭稱(chēng)絕，也有的學(xué)生帶著更疑惑的表情提出了更為深刻的問(wèn)題，比如“駐波是什么？”“駐波是怎么產(chǎn)生的？”，我不禁竊喜，難道這不就

8、是我們老師想達(dá)到的目的嗎？圖8在駐波中，我們能深入分析內(nèi)部的奧妙。駐波是兩列沿相反方向傳播的振幅和頻率相同的波疊加時(shí)形成的。如圖8所示，同頻等幅的兩列波發(fā)生干涉，如a點(diǎn)振動(dòng)總是最激烈，b點(diǎn)始終處?kù)o止?fàn)顟B(tài)，某一頻率的聲波因?yàn)楫a(chǎn)生駐波所以顯得格外響亮。在實(shí)踐中，我們積累的經(jīng)驗(yàn)是：要提高物理教學(xué)的有效性，有效的方式就是“娛教合一，先娛后教”。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)不能形成一個(gè)真正的“師生學(xué)習(xí)共同體”，但如果我們能把目光對(duì)準(zhǔn)學(xué)生，努力創(chuàng)設(shè)和諧、愉快的教學(xué)氣氛和各種教學(xué)情境，發(fā)揮出科學(xué)玩具的教學(xué)價(jià)值，那么就可以變“苦學(xué)”為“娛學(xué)”，變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”。3、自制玩具樂(lè)器，開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)圖9體驗(yàn)學(xué)習(xí)體現(xiàn)著娛教

9、理念中對(duì)人之“樂(lè)”的尊重，并欲將之實(shí)現(xiàn)為學(xué)習(xí)的動(dòng)力，而研究性學(xué)習(xí)是以“培養(yǎng)學(xué)生具有永不滿(mǎn)足、追求卓越的態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、從而解決問(wèn)題的能力”為基本目標(biāo)而開(kāi)展的自主活動(dòng)，那么，精彩多姿的物理世界必然會(huì)成為學(xué)生研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的天然題庫(kù)。作為物理教師，我們應(yīng)該讓科技活動(dòng)貫穿于物理教學(xué)的始終，讓學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)去設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)踐體驗(yàn)和創(chuàng)新。圖10有一研究性學(xué)習(xí)小組提出了“玩具敲打琴發(fā)音原理”課題，通過(guò)對(duì)琴面金屬條大小形狀材質(zhì)長(zhǎng)短以及厚度的分析來(lái)探尋音調(diào)規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上倡導(dǎo)大家開(kāi)展了玩具設(shè)計(jì)與制作比賽，其中有很多環(huán)保作品，比如鋸條琴（如圖9），用一些廢鋸條，像琴鍵一樣從左到右、由長(zhǎng)到短排

10、成一行，然后把它們固定在一塊木板上或者木盒子上。用手指彈動(dòng)鋸條，鋸條產(chǎn)生振動(dòng)，不同長(zhǎng)短的鋸條會(huì)產(chǎn)生不同音調(diào)的聲音；又有用廢舊的啤酒、醬油、陳醋、白酒等玻璃瓶裝入不同的水做成簡(jiǎn)易的“瓶琴”（如圖10）；把易拉罐、飲料瓶、廢鋼管、竹竿等廢舊材料進(jìn)行處理，制作成打擊樂(lè)器；把奶茶吸管剪成不同的長(zhǎng)度，底部密封排在一起做成“排簫”；用廢舊的空箱子和不同長(zhǎng)短的橡皮筋做成了“弦琴”，如此便組成了一個(gè)環(huán)保小樂(lè)隊(duì)，同學(xué)們拿著自制的樂(lè)器興奮不已，用自己的智慧完成了一首首簡(jiǎn)單兒歌的演奏，完成了科學(xué)與音樂(lè)，科學(xué)與技術(shù)的的大綜合活動(dòng)，不僅提高了科學(xué)素養(yǎng)與技術(shù)素養(yǎng)，也提高了藝術(shù)素養(yǎng)。還有其他學(xué)習(xí)小組同學(xué)提出了“振動(dòng)類(lèi)玩具的

11、市場(chǎng)調(diào)查”、“樂(lè)器中的物理規(guī)律”、“振動(dòng)類(lèi)玩具的研究與改進(jìn)”等，在老師的指導(dǎo)下，他們饒有興趣地完成了從選題到組隊(duì)、從調(diào)查實(shí)踐到總結(jié)報(bào)告的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程。我們鼓勵(lì)學(xué)生自由奔放地想像，拓展學(xué)生“探究”、“發(fā)現(xiàn)”、“研究”、“創(chuàng)造”空間，有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。4、挖掘玩具素材，設(shè)計(jì)創(chuàng)新試題圖11為了體現(xiàn)新物理課程理念，在試題中應(yīng)體現(xiàn)科技與社會(huì)發(fā)展，聯(lián)系自然與生活，注重考察學(xué)生的科學(xué)探究能力與學(xué)科滲透，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生終生學(xué)習(xí)的興趣。以科學(xué)玩具為背景的題目立意新穎、活潑生動(dòng)，學(xué)生愿意做、樂(lè)意做，大大提高了解題效率和練習(xí)效果。圖12題1：管樂(lè)器靠管內(nèi)空氣柱的振動(dòng)發(fā)聲，基于空氣柱內(nèi)

12、產(chǎn)生駐波。應(yīng)用這一原理可以用來(lái)測(cè)定聲速，如圖11所示，一根長(zhǎng)約一米B端封閉的玻璃管，稱(chēng)為昆特管，當(dāng)右邊銅桿振動(dòng)時(shí)，在管內(nèi)形成聲波，從A端發(fā)出的波傳到B端后發(fā)生反射，調(diào)節(jié)管長(zhǎng)L滿(mǎn)足一定條件時(shí)，入射波與反射波形成駐波，在管內(nèi)均勻地散布一些鋸木屑，發(fā)現(xiàn)有的地方木屑變稀有的地方變密，這就是波腹和波節(jié)處，設(shè)實(shí)驗(yàn)得到波節(jié)為n個(gè)，銅桿振動(dòng)頻率為f，則測(cè)得聲速為（ ）A.fL/n B. 2fL/n C.fL D.2 fL根據(jù)駐波原理可知L=n/2，故=2L/n，再根據(jù)v=f可以測(cè)知聲速，選A。題2：有興趣小組同學(xué)做了一個(gè)“魔術(shù)風(fēng)車(chē)”玩具，在一根圓木棒上均勻地刻劃一排凹槽口，在另一端釘上一木片作旋翼（如圖12所

13、示），當(dāng)用另一根棒輕快地?fù)崮Π疾蹠r(shí)，會(huì)看到旋翼神奇地飛快旋轉(zhuǎn)。保持不同手指接觸棒，可以看到旋翼向不同方向旋轉(zhuǎn)，該如何解釋這么有趣的現(xiàn)象呢？圖13其實(shí)，當(dāng)凹槽受到撫摩時(shí)，棒參與了水平和豎直兩個(gè)方向的振動(dòng)，由于棒的水平與豎直方向形狀不同以及手指粘棒位置不同造成這兩個(gè)振動(dòng)的振幅和初相都是不同的，為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，我們可以吧它們看做兩個(gè)互相垂直的同頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成：x=A1cos(t+1)，y=A2cos(t+2)，兩式消去t得到軌跡方程：+=sin2，合成的詳細(xì)情況如圖13所示，當(dāng)-0時(shí)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，當(dāng)0時(shí)沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可知，當(dāng)A1=A2且=時(shí)退化為圓。我校物理教師正在努力構(gòu)建有開(kāi)放性、綜合性的校本教材，提供完整的研究