贞元科学 | River「声现象—声音的产生」课堂实录

热爱科学 质疑真理何为科学？科学就是永远的探索！延伸你的感官 像科学家一样探索未知领域

编者按：小学是科学的前浪漫阶段，初中则是浪漫阶段，所以小学科学课程的核心目标是：全面打开感官，激发孩子对科学的无限兴趣，培养科学探究思维。面对自然世界的各种现象，提出问题，做出猜想，设计实验去证明，证实或者证伪，得到结论，进行进一步探究，这就他们认识客观世界的方式。River教室的孩子们正是这样，在物质科学的领域探究着天地万物运行的奥秘。《声现象——声音的产生》课堂实录授课班级：六年级River教室授课时间：2020年2月25日本节课目标A类：通过音频-形形色色的声音，唤醒学生对于声音的各种经验。B类：聚焦声音是如何产生的，通过实验和对话，达成共识：1通过对音叉实验现象的分析，猜想：物体发声是自身振动产生的；2设计实验（吉他发声；钢尺发声；鼓发声）验证，达成共识：声音是由物体振动产生的；3 理解科学归纳法（科学和数学的不同之处）。C类：综合阶段1解释现象：敲桌子能听到声音但看不到振动，聚焦“微小振动”现象；2思考：气体、液体如何发声？设计实验证明。第一板块   浪漫感知，聚焦现象【10min】播放音频：形形色色的声音(1:30min)师：请问你听到了什么？之：各种各样的声音，警车声，Michael Jackson的歌声，《大鱼》的声音棟：大自然的声音，人造声音师：是的，生活中我们总能听到各种各样的声音，那么针对你听到的形形色色的声音，你能提出什么问题？洋：这些声音为什么各不相同？（为什么不同物体发出出的声音不同）我们是如何听到这些声音的？现在我们在电脑的两端，声音是怎么传播过来的？宸：声音到底是如何产生的？师：OK，是的，我们生活中能听到声音，一定是涉及到大家所说声音的产生，传播，接收，那么除此之外，刚才洋说到声音是各不相同的，谁能具体说一下声音有何不同？之：鸟和人发出的声音不同洋：声音的音调不一样，有些声音刺耳，有的悦耳，有的声音宏亮，有的低沉～宸：我们不看人的脸，如果是熟悉的人光听声音就能听出来是谁魁：男生声音低沉，偏粗，女生尖锐，偏细师：好的，声音有高低之分，也就是音调不同，这是声音的一种特性；此外，我们还可以听声辨人，不同的人有不同的声音特色，这也是声音的一种特性；那么如果我分别大声，小声喊你的名字，一样吗？宸：不一样，声音的大小，响亮程度不一样。师：是的，声音除了有音调高低之分，有音色差异，还有大小之分，就是响度不同，总之这些都是声音的特性。好的，接下来的几节课就会围绕声音的产生、传播、接收，还有声音的特性及其利用展开探究。无论如何我们肯定要先从源头处展开探究，那么，今天我们就先来探究声音的产生。第二板块   解决核心问题“声音是由物体振动产生的【20min】A聚焦音叉现象，进行猜想师：请问，声音是如何产生的？你有何猜想？魁：声音应该是通过振动，让空气振动，振动耳膜，然后我们能听见庸：可能是….没注意过尧：碰撞产生的吧…师：好的，可能跟碰撞或者振动有关系，这都是大家的猜想，那么其实我们生活中可能没有聚焦过这个问题，那么接下来我们通过一个实验一起来聚焦一下，再来猜想。好，请仔细观察，描述你观察到的现象。演示实验：一个会发声的音叉，一个橡皮锤，用橡皮锤敲击音叉冉：橡皮锤敲击音叉，会发出振动的声音师：好，首先能听到声音，其次音叉在振动，那么你看到振动了么？粟：看不太清楚，我们可以在放大镜、显微镜下看，放大就能看到振动了师：好，敲击后，音叉可能在振动，但不确定我们需要去验证，如何验证音叉在振动呢？演示实验：敲击音叉后，旁边放一个玻璃杯。师：OK，你看到了什么？然：敲击音叉后，靠近杯子，可以听到杯子在吱吱吱响。师：说明什么？然：音叉在振动。师：好，也就是说敲击音叉后，我们观察到1音叉发声；2音叉在振动。那么，问题来了，音叉为什么会发出声音？声：振动！师：大家都认为音叉发声是因为振动？可是我明明看到的是“敲击“音叉，才发出声音的啊然：因为敲了之后才有振动，有的物体本就能振动辛巴：敲击能够导致振动。师：好的，没问题，也就是说你们为是敲击导致的振动才让音叉发声？“敲”也是为了产生振动？生：对，但是其它的方式也能产生振动，比如撞击。师：好，总之音叉发声，要么跟“敲”有关，要么跟敲击后的“振动”有关，现在，谁能用事实说服先反驳我，就认为“敲击”音叉才会发声。生：……师：我们再来观察一下实验（演示实验），请问你看到了什么？石头：就是敲击音叉，音叉会发出声音，然后在振动师：那么请问，敲音叉音叉发声，但是当我不敲了，橡皮锤离开之后还有声音吗？石头：有的师：就是说，敲击音叉发声，拿开锤子，音叉继续发声，所以发声跟“敲击”直接相关吗？石头：不直接相关，不是直接原因【备注：对于声音的产生，孩子当下的已有经验是：物体发声是因为给它一个外力作用，这是他的认知。哪怕有些孩子通过看书等途径知道“振动”，但其实并不不清晰其中原因，此时老师必须提出质疑，把讨论点先聚焦到“敲”的问题上，破除他的已有认知】师：那么音叉发声跟“敲”不敲没关系，这个“敲”只是让音叉振动了！好的，那么音叉发声自身的振动有关系，对吗？生：是的师：好，我们再来观察一下实验（演示实验），请问你看到了什么？石头：就是敲击音叉，音叉振动了，也发出声音，当用锤子靠近，就没声音了。师：那这个锤子做了什么，它没声音了？石头：橡皮锤阻断了音叉的振动，让它从动态变成了静态，就没有声音了。师：也就是说音叉发声过程，如果用外力让音叉停止震动，声音立刻消失。对吗？这说明了什么？辛巴：音叉发声是因为振动师：好的，敲击音叉，音叉振动发声，若不振动就不能发声，归根结底音叉发声是因为它自身在振动，对吗？生：是的。师：OK，就是说声音是由物体自身振动产生的，敲、撞击之类的都是一个诱因而已。认同吗？生：认同。师：好，我们达成了一个基本的共识，猜想声音是由物体振动产生的。【备注：通过聚焦音叉发声，从正反两个角度说明：敲击音叉发声，归根结底是因为音叉自身在振动，若不振动就不能发声，敲击只是一个外因。在如何破除敲和震动之间的必然关系上，一个有力的反例就是有的敲没有引起震动，那就没有声音的产生。】B 设计实验，证明猜想师：这是通过观察现象推理得知的猜想，那么大千世界如此多的声音，所有的声音都是由振动产生的吗？生：不一定师：怎么办？洋：做实验去证明。设计实验 1师：昨天让大家准备了一些仪器，先用你们最熟悉的吉他，好，实验仪器是吉他，那么实验目的是什么？生：验证声音是由振动产生师：这个当然是大猜想，那么对于吉他发声来说，要验证的是？吉他发声是由吉他弦振动产生的，当然有可能我们的猜想会错。那么，为了验证我们的猜想，如何进行实验呢？晓：拿两个吉他，首先用手拨动第一个吉他的一根弦，嗡的声音，你会发现另一个吉他也会颤动。师：OK，你描述的是两个吉他发声的现象，那么现在针对本实验，我们先来验证一个吉他的发声与振动间的关系，怎么做？洋：用手拨动吉他的一根弦，观察弦是否会振动师：好，大家现在都动手操作一下，实验结果是什么？之：拨动弦后，可以看到吉他弦在动，摸一下吉他身子也在动。师：OK，拨动弦，可以看到弦在振动，那你还有其他发现么？耳朵听到了什么孩子们？之：有的，有声音产生师：是的，所以结果是，用手拨动吉他弦1会发出声音，是耳朵听到的；2还观察到弦在振动，是眼睛看到的，一定要明确这两点。好，还有什么发现？之：额…老师，就是拨弦后发出声音，那么再把一根手指放到弦上，它就立刻没声音了。师：没有生意的同时，还能看到弦还在振动吗？生：不能师：所以，我们会得到这样的结果，拨动弦，弦振动发声，停止弦的振动，声音立刻消失，认同吗？（认同）那么，我们能得到什么结论？尧：声音的产生是因为振动师：就我们这个实验而言，其实是？吉他发声是由吉他弦振动产生的。当然在这个过程中，大家也发现了，当一根弦在振动时，会影响到另一根弦，这个是一个很有趣的现象，是我们后面会讨论到的一个问题。好的，那们只用了这一个实验，够么？（不够）设计实验 2师：是的，那么我们进行第二个实验，大家都有的尺子。实验目的和实验步骤是什么？镁：验证尺子发声和振动的关系。然后就是用一个手在桌子上压住一遍，另一个手拨动尺子，观察是否有振动现象。师：好，大家都动手操作一下，请完整的描述你的实验结果，看到了什么，听到了什么？镁：就是用手拨动尺子会发现，尺子会弹起来，就是在摆动，也是振动….还有尺子发出声音师：OK，也就是尺子振动，产生声音，那如果此时我们让尺子停止振动，会怎么样？镁：没有声音了师：好，就是说尺子振动发声，停止尺子振动，声音立刻消失。那么，你能得到什么结论？冉：尺子发声是由尺子振动产生的。设计实验 3师：好，实验继续，接下来我们用鼓来验证。我们的实验目的是什么？怎么做？庸：要证明，鼓发声是由振动产生的。可以往鼓面上放一些小沙粒，敲击鼓面，看一下它是否会弹起来，就能说明鼓是不是在振动。师：为什么要放小沙粒？庸：可能鼓的振动不明显，不容易看到，小沙粒很轻，一点振动就弹起来了。师：好的，因为鼓面可能比较坚固，不易观察到振动。所以我们通过沙粒的振动，来说明鼓发声时鼓面在振动。好，我们来观察一下，这里用的是碎纸屑。你观察到了什么？粟：敲鼓，能看到纸屑弹起来，师：那个瞬间，你听到什么了？粟：有声音发出，就是敲鼓，有声音发出，并且纸屑弹起来师：好，纸屑被弹起，说明鼓面在振动。也就是说，鼓发声是由鼓面振动产生的。师：OK，通过这三个实验，我们都验证了我们之前的猜想，得到结论：声音是由物体振动产生的。C 理解科学归纳法，体会科学与数学的不同师：那么，加上音叉发声，我们只是通过4个实验进行了验证，请问仅仅通过这几个实验就可以得到这样的结论了吗？粟：不可以，我们只做了这几个实验太少了，谁知道别的物体是不是这样。应该尝试各种物体，并且用一些公式去证明它，不能单纯的做实验。师：是的，只用这几个实验太少了，我们应该把目前世界上已知的所有物体都拿来做实验，验证他们发声都是由振动产生的才可以？生：是的师：OK，确实是这样，因为我们只是用一节课的实验来获得这个结论，那么正常科学家要得到这样的一个结论需要做大量的实验，进行归纳才可以的。这就是科学探究的方法：实验归纳法！对科学来说，只要能够找到大量可重复的实验去证明它，我们就说它是对的，只要没有反例，我们就认为它OK，这就是科学的独特之处，它的研究方法就是实验归纳法！而数学就不能这样，数学要靠严谨的逻辑推理。师：这么看起来好像科学不太严谨啊？难道不怕黑天鹅事件吗？辛巴：也是很严谨的啊，因为它也是逻辑很清晰的…粟：科学的实验过程是非常严谨的洋：每一个步骤，细节都是严谨的师：对的，我们的探究过程是严谨的。那么数学科学的研究方法之所以不同，就是因为研究对象不同，科学的研究对象是客观世界，不管是微观还是宏观，都是指宇宙星空、自然世界，它的研究起点就是我们的生活经验。数学的研究对象是数与形的关系，比较抽象化的东西，它是远离经验的。所以科学不可靠，因为经验本身是不可靠的，而恰恰因为这样，我们才能不断通过质疑、发问，推翻以前的结论，获得新的临时性共识，进而迈向一个新的台阶，一步步向前，所以科学的迷人之处就在此。第三板块   综合阶段【10min】1解释现象：用手敲击桌子能听到声音，可是看不到振动呀？聚焦“微小振动”现象，寻找生活实例，思考如何让不明显的现象明显起来。2追问：刚才我们做实验用的音叉、吉他弦、鼓、尺子都是固体，也就是说固体可以通过振动发声，那么请问，液体和气体是否可以发声？请你设计实验进行证明。课下延展：通过小论文的方式或者拍摄视频完成 （1寻找生活中的微小振动现象2设计实验证明气体、固体发声）王校点评1本节课破除孩子脑海中已有的经验，稍显不足当下孩子的已有经验是：物体发声是因为给它一个外力作用（如：音叉发声是因为用锤子敲打它，吉他发声是因为用手去拨动它，鼓发声是因为用槌去捶它）。所以，要通过反复追问让孩子体会到：1）敲击后，拿开锤子，音叉继续发声；2）音叉发声过程，如果用外力让音叉停止震动，声音立刻消失。从正反两个角度说明：敲击音叉发声，归根结底是因为音叉自身在振动，若不振动就不能发声，锤子敲击只是一个诱因或外因（明确：不是敲它它发声，而是敲它它振动了才发声，只要振动一停就不会发声）。【备注：有些孩子通过看书等途径知道“振动”，但并不不清晰原因，此时老师要提出质疑，把讨论点先聚焦到“敲”的问题上】2关于综合阶段的落脚点这节课因为是归纳：就是各种各样的物体能不能发声、如何发声。可以让孩子收集更多“因振动而发声的现象”，拍慢动作视频等，把课上的学习进行课后延展。比如：捶墙可以发声，但看不到墙振动，那么如何设计实验来证明它，通过写论文或拍视频都可以。比如：液体、气体能发声吗？设计实验来证实或证伪。【先通过固体得到结论，然后综合阶段讨论：气体、液体是否也会发声】3关于科学归纳法和数学演绎法（1）科学和数学的关系科学整体用的是实验归纳法，可重复，当你通过实验归纳出结论后，不同的结论之间仍然可以用数学的演绎法，整个的科学系统是这样产生的，如果科学不用数学的演绎法那么它就无法成为一门学科，获得的只是一个个孤立的结论，不能成系统。这其实是前科学，也是马克思恩格斯讲的【一切自然科学都是建立在数学的基础之上】缺了数学都不能称其为科学的原因之所在。（前面的亚里士多德时期的科学全都是经验，当然也可以认为是实验，只是在那个时代那个条件下所做的实验，很多的实验也是可重复的也是归纳的结果）。（2） 数学A 数学不全是演绎推理，起点处的公理是靠经验归纳。数学的问题是：数学不全是演绎推理，因为逻辑是一个链条，逻辑推理都有起点，重点当然是你要证明的结论，那么起点在哪儿？对于数学的推理，过程当然遵循形式逻辑法则，起点就是公理系统（比如最著名的公理：平行公理——过直线外一点有且只有一条直线与已知直线平行）。那么数学的公理哪儿来的？是上帝给我们的吗？还是我们生而知之？都不是。数学的公理跟科学一样也是靠经验靠归纳，是经验归纳，这一点要明确。B 数学具有高度的抽象化。数学是高度的形式化、抽象化的，数学在发展的过程中，原点一定是扎在生活中，但它迅速脱离了我们感官所感知到的经验世界（特别是古希腊），然后进入到一个形式推理的数学王国，所以有时候我们感觉数学跟现实生活有一点距离。但整体上来看，数学的起点仍是经验的、公理化的，在这个过程中它要遵循演绎推理，形式化的推理。这才是两门学科各自的特点。（3）科学哲学和数学哲学A 那么这两种特点使得它们各自在成为系统的时候（科学成为科学系统，数学成为数学系统）带来什么问题呢？这就进入到科学哲学和数学哲学领域，我们读库恩的科学革命的结构，就会明白，因为科学所有的结论是建立在实验的基础之上的，就是建立在归纳法的基础之上，这就是一个所谓的黑天鹅事件。这就是说科学哲学讲的这个是证实还是证伪的问题？过去我们所讲的科学是证实，但科学哲学角度讲科学是证伪，因为证实没有用，证实你提出一个反例就反驳了它，恰恰是证伪，证伪你知道它不够科学，所以这就是说常规科学和科学革命科学危机之间的一个关系的问题，这也恰好是当下科学改革的方向。B 我们学的是一种科学思维方法，我们培养的是一种科学素养，我们借助历史上积淀的那么多的科学知识，来培养探索科学的一种思维方法，培养和提升我们的科学素养，在这个过程中可能会记住一些结论，因为这些结论在实用的过程中，比如：考试的角度，解决日常生活中遭遇的问题的角度，从实用的角度我们要承认这些所所谓的科学知识的价值，但是真正的从科学本身而言，这些所谓的科学知识是没有价值的，因为它们是常规科学，从某种程度上讲他不是科学，因为它全都有可能被超越。C 数学也是一样的道理，它的逻辑起点是公理，公理是建立在经验的起点之上，那就意味着公理也有可能出问题（只要是经验总有可能出问题，因为经验总是受我们所身处的环境的影响，总是受我们自己对所处环境的感受和感知能力的影响），所以数学也不是绝对真理，所有的数学系统都是在某一个范围之内叫真。欧式几何和非欧几何是一个非常典型的例子，它们两者公理恰好相反，从恰好相反的公理出发各自推演出一个数学系统，但它们并不是一个对一个错，这两个都是对的，不管我们怎么强调数学的普遍性广泛性，它们在各自的范围内是对的，超越这个边界范围，它们都是不对的。欧式几何只在欧式空间里面承认它是真理，非欧几何只是在非欧空间，那到底哪个空间是合理的，这就更不好说了，我们所生活的这个有限的空间是欧式几何空间，但是在更大的更广博的空间，比如爱因斯坦的那个空间，可能就是非欧空间，那你说哪个对哪个错，两个都对或者两个都错，这就涉及到科学哲学和数学哲学。对于六年级的孩子而言，要跟他们谈多少，要根据孩子们的情况来讲，而不是我们自己来定调调。老师自己首先要对它领会到这一层，然后才能够根据孩子认知发展的阶段性去促进他们向更高的境界发展。