论文部分内容阅读
一、实验数字化改进的案例
1．“测一测你听觉的频率范围”实验的改进
该实验能激发学生的兴趣，扭转学生“声音都能听见”的偏见，进而为引入超声波、次声波奠定基础。但实验中用到的音频发生器，由于价格因素，条件较差的学校可能无力配置。我们可以利用电脑上的声卡和音箱，再从互联网上下载、安装一个免费的“虚拟仪器”软件(如：AudioSCSI等)，就可把电脑变成一台音频发生器。其应用方法如下：
打开音箱的电源，运行“虚拟仪器”软件。出现界面后，单击①选择信号发生器功能，即进入音频发生器界面（如图1）。单击②、③、④，分别打开电源、左声道和右声道，即可进行测试。⑤、⑥两旋钮可分别控制左右声道的音量，拖过滑块⑦、⑧，可分别改变左右声道声音信号的频率，信号的实时频率可在滑块旁的窗口里显示出来，如果实验中需要精细地改变频率，只要将鼠标按住滑块后滚动鼠标的滚轮即可实现。实验时可先用鼠标拖动滑块，较迅速地改变声音的频率，当接近临界频率时，再改用鼠标滚轮来精细地改变频率。实验中如果对某一频率的声音能否听见有疑问，也可按滑块旁的精确输入按钮，手动输入有疑问的频率，进行测试。
如果你用的是AudioSCSI正式注册版，你也可以直接使用其中的扫频功能。先按精确输入按钮⑨，设置起始频率和截止频率(默认值是1Hz～20000Hz)，然后将⑩旋钮调到扫频功能，再打开电源和左右声道，就可以进行实验了。实验中学生不仅能听见声音，还能从两个主窗口中看见左右声道声音的波形，当声波频率落在20Hz～20000Hz以外时，学生已不能听见超声波和次声波，但仍能看见它们的波形，这就让他们对次声波、超声波的存在获得了直接的感受。由于不但能听见，还能看见，所以实验效果比使用真实的音频发生器还要优越。
2.“观察声音的波形”实验的改进
教材中是用示波器来显示声音的波形的，这样做有一个缺点，就是声音的波形转瞬即逝，无法被长久保存，不利于进行细致观察和比较。利用常见的音频编辑软件和电脑可以克服上述不足。具体做法如下。
器材：电脑一台(安装有声卡和音频编辑软件)、麦克风 (能接驳电脑的麦克风插口)。
操作：将麦克风插入电脑的麦克风插口，打开麦克风。运行音频编辑软件(下面以Blaze AudioRipEditBurn 2.0为例)，出现界面后，单击①进入声音编辑界面。
连击按钮②，直至出现“麦克风”字样，表示将声音输入选择为麦克风。单击录音按钮③，跳出“choose format”菜单，选择OK后，录音开始。必要时可以调节滑块④，控制录音音量的大小。再次单击录音按钮③，停止录音。
连击按钮⑤，将波形图放大。单击按钮⑥，开始放音，这时就可以看到刚才所录声音的波形了。如果要仔细观察，你也可以单击按钮⑥，暂停放音，这时出现的就是暂停处的声音波形。
3.“测量声速”实验的改进
教材中测量声速的方法是：量出一段300m以上的直线距离（让发令者、计时者分别站在上述距离的两端），当计时的同学看到发令枪冒烟时，按下秒表；听到发令枪声时，按停秒表，进而计算出声音每秒钟传播的距离大约是多少。由于实验中所用的器材是秒表，本身的计时精度就不高，再加上按表时人需要一定的反应时间，所以从这个实验中学生虽能看出声音的传播需要时间，但测出的声速值却与准确值相差很大，几乎没有意义。利用电脑和软件则能克服上述不足。具体操作如下。
将两台安装有相同音频编辑软件(仍以BlazeAudioRipEditBurn2.0为例)的电脑放在一起，都进入录音状态后，先记录同一次基准声，基准声越短促越好；再将两电脑分别移置发令处和计时处(注：移动过程中电脑始终处于录音状态)，记录同一发令枪声。停止录音后，观察两电脑各自记录的波形，从窗口⑦中读出基准声和发令枪声所对应的时刻，相减就可得出枪声和基准声之间的时间间隔，两电脑所记录的时间间隔之差就是声音在空气中的传播时间，量出发令处与计时处的距离即可计算出声速了。
由于避免了手动计时人体反应时间的干扰，加上电脑计时一般可准确到0.001s，有些音频软件甚至可以准确到0.0001s，计时准确度大为提高，实验中即使传播距离只有100m，也能测出较准确的声速值，甚至还能测出声音在铁管中的传播速度。笔者曾指导学生利用教室走廊前的不锈钢栏杆，测出了声音在其中的速度，与理论值很接近，极大地提高了学生的学习兴趣与自信。
二、实验数字化改进的启示
启示一：实验的数字化改进并不神秘难测
从上述案例中不难看出，实验的数字化改进并不神秘。它是以计算机为核心搭载各种传感器构成的一个实验平台，其中传感器的主要功能是收集数据，计算机主要起数据处理和测量结果显示的作用，其综合功能等同于一个数字化的测量仪表。此外，由于在使用时师生都不必去关心数字实验仪器的结构和原理，而只需关心其功能(如测量类型、测量范围、测量精度是否合乎我们实验的需要)，所以如同不知道电流表的原理并不妨碍初中生正确使用电流表一样，他们也能很快地掌握数字化仪器的用法。
启示二：数字化并不意味着高成本
搭载不同的传感器，结合不同的测量数据处理软件，数字化实验平台就能实现不同的测量功能。如搭载压敏传感器，就能进行力的测量；搭载温度传感器和相关软件，就成了一支数字式温度计。数字化平台这种“一机多能”的优势使得其综合配置成本要小于配置多个分列式仪器的成本总和，尤其对于那些已经大量配置了计算机的学校，进行实验的数字化改进更是有效挖掘现有设备的潜力，节约成本而又达到更好教学效果的首选。
启示三：数字化将是实验改进的一条重要途径
创造性地进行实验改进是新课程教学中的一项经常性工作。实验改进的途径很多，其中重要的一条就是对实验进行数字化改造。数字化改进不同于以往的“利用瓶瓶罐罐做实验”式的、以日常低成本器材所进行的实验改进，它以全新的数字技术为核心手段，对实验的各个环节、层面进行优化，是一种高科技、高规格的改进。数字化成为实验改进的重要途径，首先在于数字实验平台所特有的优势及其衍生的良好教学效果。如在观察环节，数字化手段可以极大地扩展实验的可视性和可重复性，以往用肉眼观察非常困难的物理现象，现在可以借助数字视频技术清楚地采集下来反复观察。在数据采集环节上，计算机和传感器等数字手段的介入，可以更快、更准地得到实验数据，从而节省宝贵的教学时间，把更多的时间用于讨论物理问题之中。在数据分析环节上，利用计算机的强大数据处理能力，可将学生从简单、机械、烦琐的数据处理过程中解脱出来，让他们的时间和精力用在更有创造力的方面。其次还因为并不是所有的实验都能利用“瓶瓶罐罐”来改进，有时数字化甚至是实验改进的唯一选择! 这就使得数字化成为实验改进之必需，上述几个声学实验即是如此。最后数字化改进还得益于数字技术的普及，使以前看来高不可攀的电脑、传感器等数字设备大量进入中学实验室，成为常规实验器材，让数字化改进变得可能。
参考文献
[1]刘炳升，李容.义务教育课程标准实验教科书《物理》八年级上册[M].江苏：江苏科技出版社，2003.
[2]马宁，余胜泉.信息技术与课程整合的层次[J].中国电化教育，2002，(1).
(作者单位：江苏扬州中学教育集团树人学校)
1．“测一测你听觉的频率范围”实验的改进
该实验能激发学生的兴趣，扭转学生“声音都能听见”的偏见，进而为引入超声波、次声波奠定基础。但实验中用到的音频发生器，由于价格因素，条件较差的学校可能无力配置。我们可以利用电脑上的声卡和音箱，再从互联网上下载、安装一个免费的“虚拟仪器”软件(如：AudioSCSI等)，就可把电脑变成一台音频发生器。其应用方法如下：
打开音箱的电源，运行“虚拟仪器”软件。出现界面后，单击①选择信号发生器功能，即进入音频发生器界面（如图1）。单击②、③、④，分别打开电源、左声道和右声道，即可进行测试。⑤、⑥两旋钮可分别控制左右声道的音量，拖过滑块⑦、⑧，可分别改变左右声道声音信号的频率，信号的实时频率可在滑块旁的窗口里显示出来，如果实验中需要精细地改变频率，只要将鼠标按住滑块后滚动鼠标的滚轮即可实现。实验时可先用鼠标拖动滑块，较迅速地改变声音的频率，当接近临界频率时，再改用鼠标滚轮来精细地改变频率。实验中如果对某一频率的声音能否听见有疑问，也可按滑块旁的精确输入按钮，手动输入有疑问的频率，进行测试。
如果你用的是AudioSCSI正式注册版，你也可以直接使用其中的扫频功能。先按精确输入按钮⑨，设置起始频率和截止频率(默认值是1Hz～20000Hz)，然后将⑩旋钮调到扫频功能，再打开电源和左右声道，就可以进行实验了。实验中学生不仅能听见声音，还能从两个主窗口中看见左右声道声音的波形，当声波频率落在20Hz～20000Hz以外时，学生已不能听见超声波和次声波，但仍能看见它们的波形，这就让他们对次声波、超声波的存在获得了直接的感受。由于不但能听见，还能看见，所以实验效果比使用真实的音频发生器还要优越。
2.“观察声音的波形”实验的改进
教材中是用示波器来显示声音的波形的，这样做有一个缺点，就是声音的波形转瞬即逝，无法被长久保存，不利于进行细致观察和比较。利用常见的音频编辑软件和电脑可以克服上述不足。具体做法如下。
器材：电脑一台(安装有声卡和音频编辑软件)、麦克风 (能接驳电脑的麦克风插口)。
操作：将麦克风插入电脑的麦克风插口，打开麦克风。运行音频编辑软件(下面以Blaze AudioRipEditBurn 2.0为例)，出现界面后，单击①进入声音编辑界面。
连击按钮②，直至出现“麦克风”字样，表示将声音输入选择为麦克风。单击录音按钮③，跳出“choose format”菜单，选择OK后，录音开始。必要时可以调节滑块④，控制录音音量的大小。再次单击录音按钮③，停止录音。
连击按钮⑤，将波形图放大。单击按钮⑥，开始放音，这时就可以看到刚才所录声音的波形了。如果要仔细观察，你也可以单击按钮⑥，暂停放音，这时出现的就是暂停处的声音波形。
3.“测量声速”实验的改进
教材中测量声速的方法是：量出一段300m以上的直线距离（让发令者、计时者分别站在上述距离的两端），当计时的同学看到发令枪冒烟时，按下秒表；听到发令枪声时，按停秒表，进而计算出声音每秒钟传播的距离大约是多少。由于实验中所用的器材是秒表，本身的计时精度就不高，再加上按表时人需要一定的反应时间，所以从这个实验中学生虽能看出声音的传播需要时间，但测出的声速值却与准确值相差很大，几乎没有意义。利用电脑和软件则能克服上述不足。具体操作如下。
将两台安装有相同音频编辑软件(仍以BlazeAudioRipEditBurn2.0为例)的电脑放在一起，都进入录音状态后，先记录同一次基准声，基准声越短促越好；再将两电脑分别移置发令处和计时处(注：移动过程中电脑始终处于录音状态)，记录同一发令枪声。停止录音后，观察两电脑各自记录的波形，从窗口⑦中读出基准声和发令枪声所对应的时刻，相减就可得出枪声和基准声之间的时间间隔，两电脑所记录的时间间隔之差就是声音在空气中的传播时间，量出发令处与计时处的距离即可计算出声速了。
由于避免了手动计时人体反应时间的干扰，加上电脑计时一般可准确到0.001s，有些音频软件甚至可以准确到0.0001s，计时准确度大为提高，实验中即使传播距离只有100m，也能测出较准确的声速值，甚至还能测出声音在铁管中的传播速度。笔者曾指导学生利用教室走廊前的不锈钢栏杆，测出了声音在其中的速度，与理论值很接近，极大地提高了学生的学习兴趣与自信。
二、实验数字化改进的启示
启示一：实验的数字化改进并不神秘难测
从上述案例中不难看出，实验的数字化改进并不神秘。它是以计算机为核心搭载各种传感器构成的一个实验平台，其中传感器的主要功能是收集数据，计算机主要起数据处理和测量结果显示的作用，其综合功能等同于一个数字化的测量仪表。此外，由于在使用时师生都不必去关心数字实验仪器的结构和原理，而只需关心其功能(如测量类型、测量范围、测量精度是否合乎我们实验的需要)，所以如同不知道电流表的原理并不妨碍初中生正确使用电流表一样，他们也能很快地掌握数字化仪器的用法。
启示二：数字化并不意味着高成本
搭载不同的传感器，结合不同的测量数据处理软件，数字化实验平台就能实现不同的测量功能。如搭载压敏传感器，就能进行力的测量；搭载温度传感器和相关软件，就成了一支数字式温度计。数字化平台这种“一机多能”的优势使得其综合配置成本要小于配置多个分列式仪器的成本总和，尤其对于那些已经大量配置了计算机的学校，进行实验的数字化改进更是有效挖掘现有设备的潜力，节约成本而又达到更好教学效果的首选。
启示三：数字化将是实验改进的一条重要途径
创造性地进行实验改进是新课程教学中的一项经常性工作。实验改进的途径很多，其中重要的一条就是对实验进行数字化改造。数字化改进不同于以往的“利用瓶瓶罐罐做实验”式的、以日常低成本器材所进行的实验改进，它以全新的数字技术为核心手段，对实验的各个环节、层面进行优化，是一种高科技、高规格的改进。数字化成为实验改进的重要途径，首先在于数字实验平台所特有的优势及其衍生的良好教学效果。如在观察环节，数字化手段可以极大地扩展实验的可视性和可重复性，以往用肉眼观察非常困难的物理现象，现在可以借助数字视频技术清楚地采集下来反复观察。在数据采集环节上，计算机和传感器等数字手段的介入，可以更快、更准地得到实验数据，从而节省宝贵的教学时间，把更多的时间用于讨论物理问题之中。在数据分析环节上，利用计算机的强大数据处理能力，可将学生从简单、机械、烦琐的数据处理过程中解脱出来，让他们的时间和精力用在更有创造力的方面。其次还因为并不是所有的实验都能利用“瓶瓶罐罐”来改进，有时数字化甚至是实验改进的唯一选择! 这就使得数字化成为实验改进之必需，上述几个声学实验即是如此。最后数字化改进还得益于数字技术的普及，使以前看来高不可攀的电脑、传感器等数字设备大量进入中学实验室，成为常规实验器材，让数字化改进变得可能。
参考文献
[1]刘炳升，李容.义务教育课程标准实验教科书《物理》八年级上册[M].江苏：江苏科技出版社，2003.
[2]马宁，余胜泉.信息技术与课程整合的层次[J].中国电化教育，2002，(1).
(作者单位：江苏扬州中学教育集团树人学校)