摘要：演示實(shí)驗(yàn)是提高震動(dòng)與聲基礎(chǔ)理論講課療效的有效輔助教學(xué)技巧。演示實(shí)驗(yàn)把震動(dòng)與聲的規(guī)律和現(xiàn)象直觀地對(duì)中學(xué)生進(jìn)行詮釋，提高中學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)吸引中學(xué)生注意力，活躍課堂氛圍。遵守針對(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)施方式在理論講課過程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，達(dá)到提高震動(dòng)與聲基礎(chǔ)理論課程講課療效的目的。
關(guān)鍵詞：震動(dòng)與聲基礎(chǔ)；演示實(shí)驗(yàn)；學(xué)院數(shù)學(xué)
1序言
“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)過程中，會(huì)有大量具象的和無法理解的震動(dòng)規(guī)律和聲學(xué)現(xiàn)象，通過演示實(shí)驗(yàn)直觀地進(jìn)行震動(dòng)與聲學(xué)化學(xué)規(guī)律和現(xiàn)象的展示，將會(huì)提升班主任的講課質(zhì)量，也會(huì)令中學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解達(dá)到事半功倍的療效。教育部在最新出臺(tái)的《非化學(xué)類理工學(xué)科學(xué)院化學(xué)課程教學(xué)基本要求》中明晰強(qiáng)調(diào)：“大學(xué)數(shù)學(xué)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)量不應(yīng)多于40個(gè)?！笨梢娧菔緦?shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)院數(shù)學(xué)理論教學(xué)具有極其重要的作用和意義[2]。聲學(xué)是數(shù)學(xué)學(xué)的一個(gè)重要分支，在聲學(xué)課程教學(xué)過程中也應(yīng)注重相應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和施行。
2演示實(shí)驗(yàn)的作用
演示實(shí)驗(yàn)是理論課教學(xué)的一部份，是為了配合理論知識(shí)的講解、更有效地讓中學(xué)生理解數(shù)學(xué)概念和規(guī)律的輔助教學(xué)手段?！罢駝?dòng)與聲基礎(chǔ)”課程包含理論課和實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)課是讓中學(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、主要是班主任操作演示的實(shí)驗(yàn)，每位演示實(shí)驗(yàn)的用時(shí)較少，中學(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。理論講課中的演示實(shí)驗(yàn)不能取代課程配套的實(shí)驗(yàn)課中以中學(xué)生動(dòng)手為主的專題實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)把震動(dòng)與聲學(xué)規(guī)律和現(xiàn)象直觀地對(duì)中學(xué)生進(jìn)行詮釋，可提高對(duì)理論知識(shí)的理解，加深印象。理論課講授過程中，一般是用物理方式剖析震動(dòng)與聲問題，通過公式推論得到問題解的等式；或是剖析得到某一數(shù)學(xué)問題的規(guī)律；或是在公式推論過程中引入某一震動(dòng)或聲學(xué)定義和概念。此時(shí)通過演示實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)理公式的講解，讓中學(xué)生由形象思維過渡到具象思維，加深對(duì)概念的理解，快速接受和把握相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)。另外，相比用單純的公式和語言講解，通過演示實(shí)驗(yàn)得到的推論、規(guī)律等能給中學(xué)生留下更深刻的印象。演示實(shí)驗(yàn)可以糾正中學(xué)生腦子中的一些錯(cuò)誤觀念。如人耳的可聽閾范圍為20Hz～20kHz，但人的發(fā)聲頻度范圍在80Hz～1kHz。在一些中學(xué)生的錯(cuò)誤觀念里覺得人也能發(fā)出1kHz以上的聲音，這一錯(cuò)誤觀念若果只是班主任講解來糾正，很難讓中學(xué)生接受。通過設(shè)計(jì)“人類發(fā)聲頻度檢測(cè)演示實(shí)驗(yàn)”，課堂上實(shí)際檢測(cè)若干個(gè)中學(xué)生的發(fā)聲頻度，讓中學(xué)生通過親身檢測(cè)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。通過班主任對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)過程的講解，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器的現(xiàn)場(chǎng)操作，就會(huì)對(duì)中學(xué)生形成潛在的影響，使中學(xué)生學(xué)會(huì)正確的實(shí)驗(yàn)方式。再通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)和剖析，示范性的作用會(huì)使中學(xué)生產(chǎn)生科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)心態(tài)。演示實(shí)驗(yàn)可以吸引中學(xué)生的注意力，活躍課堂氛圍，提升課堂教學(xué)效率。班主任長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行數(shù)理公式的推論和述說，容易讓中學(xué)生形成沉悶無趣的覺得；在教學(xué)過程中穿插一些針對(duì)性的演示實(shí)驗(yàn)，觀察震動(dòng)現(xiàn)象或聽一些配合理論講解的聲音，才能讓中學(xué)生在聽課過程中以多元化的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，降低學(xué)習(xí)興趣，保持長(zhǎng)時(shí)間的聽課專注力。
3演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則
化學(xué)課堂演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通常應(yīng)遵守針對(duì)性、直觀性、可靠性、安全性和啟發(fā)性的原則[3-4]物理演示實(shí)驗(yàn)，“振動(dòng)與聲基礎(chǔ)”課程也應(yīng)遵守這種原則。針對(duì)性演示實(shí)驗(yàn)是配合理論教學(xué)的手段，其目的是讓中學(xué)生理解和把握某個(gè)概念或規(guī)律現(xiàn)象，所以要按照不同的教學(xué)內(nèi)容和目的制訂相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)。如減振震動(dòng)系統(tǒng)中引入的品質(zhì)質(zhì)數(shù)的概念，其定義是震動(dòng)系統(tǒng)自由震動(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)。為了讓中學(xué)生更深刻地理解品質(zhì)質(zhì)數(shù)的概念，可設(shè)計(jì)一個(gè)單自由度減振震動(dòng)系統(tǒng)，正式一定質(zhì)量的球懸掛在一個(gè)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(shí)的1/eπ倍的周期數(shù)，具體檢測(cè)得到這個(gè)震動(dòng)系統(tǒng)的品質(zhì)質(zhì)數(shù)；之后重新懸掛相同質(zhì)量但容積不同的球，目的是改變空氣阻力，重復(fù)檢測(cè)品質(zhì)質(zhì)數(shù)。通過針對(duì)性的設(shè)計(jì)和施行品質(zhì)質(zhì)數(shù)檢測(cè)演示實(shí)驗(yàn)，達(dá)到讓中學(xué)生對(duì)概念深入理解的目的。直觀性課堂演示實(shí)驗(yàn)是班主任在講臺(tái)或講桌上進(jìn)行操作，中學(xué)生在臺(tái)下進(jìn)行觀察。為此，實(shí)驗(yàn)用具要足夠大，儀器的刻度線要足夠顯著。仍以品質(zhì)質(zhì)數(shù)檢測(cè)演示實(shí)驗(yàn)為例，彈簧和質(zhì)量球在足夠大的同時(shí)并具有艷麗的顏色，便捷中學(xué)生清晰地觀察震動(dòng)現(xiàn)象。另外，震動(dòng)幅度檢測(cè)時(shí)須要用到刻度尺進(jìn)行標(biāo)記，普通的尺子刻度線太細(xì)太小，應(yīng)自制刻度尺，用鮮亮顏色進(jìn)行刻度標(biāo)記，保證整個(gè)寢室的中學(xué)生都能清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能夠成功達(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)作為課程一部份，不能搶占過多時(shí)間。為此，班主任在備課過程中應(yīng)提早進(jìn)行儀器檢測(cè)、設(shè)備聯(lián)調(diào)，并完成起碼一次實(shí)驗(yàn)過程，確保講課過程中演示實(shí)驗(yàn)的成功。對(duì)于課堂演示中出現(xiàn)的問題，不能回避，要現(xiàn)場(chǎng)剖析問題和解決問題。對(duì)于演示實(shí)驗(yàn)檢測(cè)過程中出現(xiàn)的偏差，要剖析偏差的來源和減少偏差的方式，必要時(shí)可重新進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。安全性震動(dòng)與聲的演示實(shí)驗(yàn)主要包含兩方面的安全誘因。一是班主任的用電安全。在播放聲音的演示過程中會(huì)用到訊號(hào)源、功率放大器、喇叭等設(shè)備，需要注意線路聯(lián)接的安全。在揚(yáng)聲器接收聲音顯示波形時(shí)，自制的檢波放大電路要模塊化封裝處理，保證班主任演示操作時(shí)的安全。二是中學(xué)生的聽力安全。如音頻聲演示實(shí)驗(yàn)中，播放20Hz～20kHz范圍的單頻聲，聲音硬度不易過大，以免對(duì)中學(xué)生的聽力導(dǎo)致?lián)p傷；每一個(gè)單頻聲播放時(shí)間不宜過長(zhǎng)，以免對(duì)中學(xué)生引起不適。啟發(fā)性演示實(shí)驗(yàn)在達(dá)到直觀形象地展示理解數(shù)學(xué)概念的同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步引導(dǎo)中學(xué)生進(jìn)行剖析、推理、判斷、概括物理演示實(shí)驗(yàn)，不斷引導(dǎo)中學(xué)生思索，按照學(xué)情和課程內(nèi)容設(shè)置懸念，積極引導(dǎo)中學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)的同時(shí)進(jìn)行總結(jié)和增強(qiáng)。如“拍現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)”中，中學(xué)生通過觸覺體會(huì)兩個(gè)頻度相仿的單頻聲的拍現(xiàn)象，改變頻度時(shí)拍現(xiàn)象發(fā)生變化，此時(shí)可以引導(dǎo)中學(xué)生思索：吉他調(diào)音師是怎樣借助拍現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)音工作的？不同的初始條件是否對(duì)拍頻震動(dòng)形成影響？理論聯(lián)系實(shí)際或理論深入討論的問題，會(huì)進(jìn)一步調(diào)動(dòng)中學(xué)生學(xué)習(xí)和思索的積極性。
4施行方式
班主任打算，中學(xué)生預(yù)習(xí)班主任在進(jìn)行理論備課的過程中，設(shè)計(jì)好本次課共須要進(jìn)行什么演示實(shí)驗(yàn)，計(jì)劃好每位演示實(shí)驗(yàn)在講課過程中的次序和時(shí)長(zhǎng)，提早進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)過程，保證課堂演示的成功進(jìn)行。在前一次課結(jié)束時(shí)，告知中學(xué)生下節(jié)課的講課內(nèi)容，要求中學(xué)生提早預(yù)習(xí)理論知識(shí)，預(yù)習(xí)過程中不清楚和不明白的知識(shí)，在課堂上帶著問題聽課，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，中學(xué)生配合演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，班主任首先把實(shí)驗(yàn)的目的、所用設(shè)備和儀器述說清楚，實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)每一步操作進(jìn)行解釋說明。有些演示實(shí)驗(yàn)須要推動(dòng)中學(xué)生配合，如在通過檢測(cè)人的發(fā)聲頻度作為“單自由度機(jī)械震動(dòng)系統(tǒng)受迫震動(dòng)”課程內(nèi)容的情境創(chuàng)設(shè)演示實(shí)驗(yàn)中，班主任首先讓中學(xué)生思索回答自己發(fā)聲的最高頻率是多少，之后讓中學(xué)生上臺(tái)測(cè)試發(fā)聲頻度，再度講解人類男女分別能發(fā)聲的頻度范圍，最后提出問題：為何人類相像的發(fā)聲結(jié)構(gòu)，形成的聲波頻度范圍不一樣？為什么超過這個(gè)范圍的聲音發(fā)不下來？從而引出本節(jié)課的講課內(nèi)容?？梢暬摂M演示好多震動(dòng)問題和聲學(xué)問題很難在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，此時(shí)可以借助可視化的虛擬演示技術(shù)向中學(xué)生進(jìn)行展示。借助計(jì)算機(jī)軟件程序?qū)崿F(xiàn)一些特殊的震動(dòng)或聲學(xué)問題，模擬顯示各類具象的、微觀的或動(dòng)態(tài)的現(xiàn)象，充分借助現(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幅射器指向性問題，假若課堂演示進(jìn)行指向性檢測(cè)，會(huì)用到大量的實(shí)驗(yàn)儀器和專業(yè)設(shè)備，而且須要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)大量數(shù)據(jù)，因而不適宜進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)。通過計(jì)算機(jī)軟件可以畫出其五維空間的指向性圖，調(diào)整聲波頻度、活塞規(guī)格等參數(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)到提升教學(xué)效率和質(zhì)量的目的。思索題基于演示實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)性設(shè)計(jì)原則，完成演示實(shí)驗(yàn)后，班主任要引導(dǎo)中學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)充思索或深入思索，給出思索題讓中學(xué)生課后通過查閱資料、理論剖析等進(jìn)行解答。如“空氣中波速檢測(cè)演示實(shí)驗(yàn)”結(jié)束后，讓中學(xué)生按照演示實(shí)驗(yàn)中的聲波頻度、現(xiàn)場(chǎng)的空氣濕度等參數(shù)理論估算波速值，剖析理論和實(shí)驗(yàn)偏差形成的緣由，進(jìn)一步思索和查閱文獻(xiàn)，總結(jié)波速檢測(cè)有什么方式。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)依據(jù)講課療效，班主任調(diào)整和建立演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)備和技巧，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)有余力的中學(xué)生，提升中學(xué)生主動(dòng)思索的能力，也培養(yǎng)了中學(xué)生的動(dòng)手能力。
5結(jié)語
綜上所述，演示實(shí)驗(yàn)是震動(dòng)與聲基礎(chǔ)理論講課中的重要輔助教學(xué)手段，在明晰演示實(shí)驗(yàn)作用的前提下，設(shè)計(jì)和施行配合理論講課中相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的演示實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)的施行主體是班主任，接受主體是中學(xué)生，同時(shí)二者互相配合，充分發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)的作用，提高“振動(dòng)與聲基礎(chǔ)”理論課程的講課療效。
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作者：陳文劍張攬?jiān)聦O輝單位：南京工程學(xué)院水聲工程大學(xué)
