多變的聲音

--國中八年級聲波概念之教學活動設計

顧炳宏

1

* 楊孟欣

2

陳瓊森

2 1_{國 立 彰 化 師 範 大 學 科 學 教 育 研 究 所} 2_{國 立 彰 化 師 範 大 學 物 理 系}

壹、 緒 論

培 養 學 生 能 運 用 波 的 概 念 解 釋 各 種 基 本 的 有 關 聲 、 光 或 電 磁 波 之 現 象 ， 是 九 年 一 貫 八 年 級 自 然 科 學 領 域 課 程 中 重 要 的 教 學 目 標 之 一 (教 育 部 ， 2003)。 由 於 光 和 電 磁 波 的 波 動 性 相 對 於 聲 音 來 說 抽 象 許 多 ， 因 此 在 課 程 上 聲 波 的 概 念 教 學 多 安 排 在 光 學 之 前 ， 這 點 可 以 從 國 中 各 版 本 教 科 書 的 編 排 上 看 出 端 倪 (李 明 芳，2008；林 英 智，2008；郭 重 吉，2008)。換 句 話 說，由 於 概 念 教 學 需 要 考 慮 到 「 由 具 體 而 抽 象 」 的 原 則 ， 因 此 如 何 讓 八 年 級 學 生 從 相 關 聲 音 單 元 中 學 習 到 波 動 的 概 念 便 成 為 教 學 上 的 重 要 課 題 。 學 生 在 小 學 階 段 學 習 有 關 聲 音 的 知 識 時 ， 教 師 僅 需 要 藉 由 具 體 物 體 發 出 的 聲 音 ， 傳 達 給 學 生 簡 單 的 聲 音 知 識 即 可 ， 如 聲 音 會 有 大 小 聲 、 高 低 音 以 及 音 色 的 差 別 。 但 進 入 國 中 階 段 後 ， 除 了 開 始 引 進 許 多 新 的 科 學 概 念 名 詞 外 ， 學 生 還 必 須 從 波 的 觀 點 去 學 習 各 項 關 於 聲 音 的 科 學 概 念 ， 例 如 聲 音 的 三 要 素 ： 響 度 、 音 調 及 音 色 需 要 分 別 對 應 到 振 幅 、 頻 率 及 波 形 的 概 念 。 *為 本 文 通 訊 作 者 由 於 國 小 和 國 中 階 段 學 生 的 認 知 發 展 程 度 不 同 ， 在 國 小 階 段 並 不 引 入 「 波 」 的 概 念 ， 也 許 是 因 為 如 此 ， 國 小 學 童 普 遍 對 聲 音 特 性 存 有 迷 思 概 念 ， 例 如 ： 聲 音 高 就 是 振 動 快 而 且 振 動 大 、 聲 音 小 就 是 振 動 小 而 且 振 動 慢 (張 靜 儀 、 余 世 裕 ， 2002)， 亦 即 國 小 學 童 缺 乏 波 的 概 念 以 致 無 法 對 聲 音 的 響 度 、 音 調 概 念 做 出 較 合 理 且 一 致 的 解 釋 (黃 佩 萱 ， 2004)。 雖 然 國 中 階 段 開 始 將 日 常 生 活 中 聲 音 的 現 象 與 波 的 概 念 相 連 結 ， 然 而 聲 波 對 於 多 數 國 中 生 而 言 仍 是 相 當 陌 生 的 。 學 生 在 學 過 波 的 特 性 及 傳 遞 方 式 後 ， 或 許 對 於 波 的 特 定 名 詞 如 ： 波 長 、 振 幅 、 頻 率 、 波 峰 、 波 谷 … 等 ， 在 反 覆 練 習 後 尚 能 記 誦 以 應 付 考 試 ， 但 是 往 往 無 法 理 解 真 實 聲 音 與 波 的 特 定 名 詞 之 間 彼 此 的 連 結 關 係 。

Linder 和 Erickson(1989)以 及 Linder(1992)

的 研 究 就 發 現 ， 雖 然 已 學 過 相 關 的 概 念 ， 學 生 依 舊 認 為 聲 音 並 不 是 波 的 形 式 ， 並 難 以 將 聲 音 的 現 象 聯 想 成 波 的 概 念 。 研 究 者 參 閱 各 主 要 版 本 教 科 書 ( 李 明 芳，2008；林 英 智，2008；郭 重 吉，2008) 後 發 現 ， 每 個 版 本 雖 然 都 有 介 紹 聲 音 在 響 度 、 音 調 及 音 色 上 與 振 幅 、 頻 率 及 波 形 之

間 的 關 係 ， 但 大 多 都 以 文 字 敘 述 的 方 式 帶 過 而 沒 有 呈 現 出 相 對 應 的 、 具 體 的 波 動 現 象。舉 例 來 說，南 一 版 教 科 書 (郭 重 吉，2008) 利 用 許 多 的 活 動 來 介 紹 音 調 與 物 體 振 動 頻 率 的 關 係 ， 例 如 彈 不 同 鬆 緊 的 橡 皮 筋 ， 用 吹 或 敲 不 同 水 位 的 量 筒 ， 來 介 紹 音 調 高 低 與 物 體 振 動 頻 率 的 關 係 。 然 而 實 際 上 ， 要 以 肉 眼 去 辨 識 物 體 發 出 聲 音 時 的 振 動 頻 率 是 有 困 難 的 。 在 上 述 活 動 中 學 生 雖 然 可 以 聽 到 音 調 的 高 低 ， 但 是 卻 不 容 易 將 其 與 頻 率 的 大 小 作 連 結 ， 即 無 法 感 受 到 聲 音 的 高 低 與 波 之 頻 率 的 關 係 。 以 此 看 來 ， 教 科 書 所 呈 現 出 來 的 普 遍 情 況 可 能 是 ， 學 生 會 背 誦 ：「 人 耳 可 聽 到 的 聲 音 之 頻 率 約 在 20Hz~20000Hz 之 間 」，但 是 卻 無 法 對 頻 率 之 於 音 調 的 概 念 有 所 體 會 。 除 了 敘 述 性 的 文 字 訊 息 之 外 ， 對 於 物 理 的 感 覺 實 在 不 多。諸 如 此 類 的 例 子 尚 有 如：「 物 體 振 動 頻 率 需 要 約 20Hz 以 上 才 能 發 出 聲 音 」、「 振 動 頻 率 越 高 ， 音 調 也 會 越 高 」、「 振 動 頻 率 超 過 20000Hz 以 上 稱 為 超 聲 波 」… 等。學 生 對 於 波 的 概 念 大 多 僅 止 於 書 本 上 看 到 的 文 字 或 圖 片 ， 不 易 對 其 有 深 刻 的 感 受 與 體 會 。 研 究 者 認 為 要 解 決 前 述 學 習 的 困 難 ， 必 須 設 法 讓 學 生 對 於 聲 音 與 波 之 間 關 係 的 連 結 有 更 多 的 體 驗 才 行 。 有 關 聲 波 概 念 教 學 的 文 獻 雖 然 不 多 ， 還 是 有 些 實 用 的 教 學 建 議 可 供 參 考 。 例 如 林 鼎 然 (2001)提 到 可 將 麥 克 風 和 示 波 器 連 接 ， 將 麥 克 風 所 感 受 到 的 振 動 ， 不 論 是 聲 音 的 大 小 或 是 聲 音 的 頻 率 高 低 都 忠 實 的 呈 現 在 螢 幕 上。翰 林 版 教 科 書 (李 明 芳 ， 2008) 也 是 利 用 相 同 的 方 式 來 介 紹 音 量 和 振 幅 以 及 音 調 和 頻 率 的 關 係 。 雖 然 這 些 教 學 建 議 相 當 有 幫 助 ， 不 過 研 究 者 認 為 有 些 問 題 依 然 無 法 藉 由 前 述 教 學 建 議 解 決 ： 一 、 雖 然 示 波 器 可 顯 示 出 波 形 ， 但 學 生 並 無 法 直 接 觀 察 到 物 體 (聲 帶 )來 回 振 動 的 現 象 ， 因 此 對 學 生 而 言 似 乎 仍 不 易 理 解 振 動 為 何 能 以 波 的 形 式 表 現 ； 二 、 雖 然 學 生 可 感 覺 到 發 聲 時 聲 帶 的 確 有 在 振 動 ， 但 並 無 法 僅 靠 手 的 感 覺 就 能 計 數 出 聲 帶 振 動 的 頻 率 ； 三 、 即 使 可 由 示 波 器 間 接 計 算 出 聲 帶 振 動 的 頻 率 ， 姑 且 不 論 這 樣 的 計 算 對 學 生 而 言 是 否 會 有 困 難 ， 在 視 覺 與 觸 覺 均 無 法 判 斷 的 情 況 下 僅 間 接 靠 運 算 的 方 式 得 出 振 動 頻 率 ， 在 理 解 和 感 受 的 部 分 畢 竟 多 了 一 層 隔 閡 ； 四 、 頻 率 太 低 或 太 高 的 聲 音 無 法 藉 由 人 的 聲 帶 發 出 ， 因 此 如 頻 率 20Hz 以 下 或 20000Hz 以 上 的 波 形 振 動 狀 況 即 難 以 藉 由 前 述 方 法 呈 現 。 上 述 問 題 顯 然 無 法 僅 以 麥 克 風 與 示 波 器 就 能 呈 現 出 相 關 的 現 象 。 此 外 ， 使 用 麥 克 風 接 收 聲 音 以 及 示 波 器 所 顯 示 出 來 的 波 ， 乃 是 由 多 個 波 所 疊 加 而 成 的 諧 波 ， 對 剛 學 習 波 動 概 念 的 學 生 來 說 ， 一 開 始 即 使 用 複 雜 的 波 形 讓 學 生 去 辨 識 波 的 不 同 似 乎 有 些 不 妥 。 研 究 者 認 為 ， 聲 波 概 念 的 教 學 必 須 要 能 「 同 時 」 呈 現 出 聲 音 的 差 異 、 物 體 振 動 的 情 況 、 頻 率 高 低 的 不 同 、 以 及 波 形 的 差 別 。 前 述 無 論 是 教 科 書 的 內 容 或 者 文 獻 中 的 建 議 等 ， 均 不 易 同 時 呈 現 出 這 四 種 差 異 ， 以 及 某 些 常 見 的 聲 波 概 念 如 「 人 耳 無 法 聽 到 頻 率 約 在 20Hz 以 下 或 20000Hz 以

上 的 聲 音 」。因 此 研 究 者 除 了 前 述 示 波 器 和 麥 克 風 外 ， 另 外 再 結 合 了 訊 號 產 生 器 以 及 喇 叭 ， 將 這 四 種 器 材 做 不 同 的 組 合 ， 設 計 了 一 系 列 的 教 學 活 動 。 由 於 訊 號 產 生 器 可 產 生 單 純 的 基 本 正 弦 波 並 且 立 即 顯 示 出 當 下 所 產 生 的 頻 率 數 值 ， 與 喇 叭 結 合 運 用 後 ， 可 讓 學 生 能 深 刻 的 體 驗 並 清 楚 的 理 解 振 動 頻 率 與 音 調 高 低 之 間 的 關 係 ， 也 可 讓 學 生 感 受 何 謂 超 音 波、何 謂 聲 下 波 (頻 率 約 小 於 20Hz)。 此 外 ， 若 再 結 合 示 波 器 則 可 讓 學 生 在 感 覺 聲 音 的 差 異 、 觀 察 物 體 振 動 的 狀 況 、 以 及 辨 別 頻 率 高 低 的 不 同 之 餘 ， 還 可 同 時 觀 察 到 其 間 相 對 應 之 波 形 的 變 化 。 活 動 最 後 則 可 藉 由 麥 克 風 收 音 ， 呈 現 並 討 論 不 同 物 體 發 出 的 聲 音 波 形 之 差 異 。 本 活 動 設 計 的 主 要 目 的 在 於 希 望 讓 學 生 從 動 手 做 的 過 程 中 真 的「 看 到 聲 波 」、 「 摸 到 聲 波 」、 和 「 聽 到 聲 波 」， 並 從 中 了 解 聲 音 的 不 同 與 聲 波 的 各 項 要 素 之 間 的 關 係 。 活 動 的 結 構 編 排 遵 循 『 由 具 體 而 抽 象 』、『 從 單 純 到 複 雜 』 的 原 則 ， 使 學 生 能 夠 對 聲 音 與 波 有 更 深 一 層 的 理 解 與 認 識 ， 親 身 的 體 驗 科 學 知 識 。

貳、 教 學活 動 設計

本 活 動 設 計 主 要 是 以 學 習 環 的 概 念 來 設 計 一 系 列 的 活 動 。 在 探 索 活 動 的 部 分 ， 先 藉 由 現 象 的 觀 察 讓 學 生 用 自 己 的 概 念 來 解 釋 或 預 測 。 接 續 再 由 教 師 適 時 的 引 介 新 概 念 ， 讓 學 生 能 用 更 合 理 的 方 式 來 解 釋 先 前 所 觀 察 到 的 現 象 。 最 後 ， 引 導 學 生 將 新 概 念 應 用 於 新 的 情 境 並 解 答 相 關 的 問 題 ， 亦 即 將 新 概 念 帶 入 到 下 一 個 活 動 ， 或 將 下 一 個 活 動 視 為 前 一 個 活 動 的 概 念 應 用 階 段 。 活 動 目 的 除 了 在 協 助 學 習 者 主 動 進 行 概 念 的 建 構 ， 和 培 養 學 生 觀 察 、 組 織 、 歸 納 … 等 科 學 過 程 技 能 之 外 ， 也 希 望 藉 由 小 組 合 作 學 習 的 方 式 ， 培 養 學 生 更 多 與 人 溝 通 、 與 人 合 作 的 社 會 技 能 。 限 於 篇 幅 的 關 係 ， 以 下 雖 列 出 完 整 的 教 學 活 動 設 計 方 案 ， 但 僅 針 對 部 份 主 要 的 活 動 設 計 與 其 所 要 傳 達 的 重 要 概 念 提 出 完 整 的 說 明 ( 詳 細 工 作 單 見 附 錄 ) ， 其 餘 則 僅 提 供 簡 要 的 描 述 ：

活動 一： 世紀 交 響樂

此 活 動 乃 援 引 自 國 小 教 科 書 中 常 見 的 實 驗 。 藉 由 一 些 方 便 取 得 的 發 聲 樂 器 或 玩 具 ， 讓 物 體 發 出 聲 音 ， 並 在 樂 器 發 出 聲 音 、 產 生 振 動 。 提 醒 學 生 動 手 去 摸 一 摸 ， 感 覺 一 下 物 體 的 振 動 ， 讓 學 生 去 探 討 並 了 解 聲 音 的 產 生 是 源 於 物 體 產 生 振 動 。 此 外 ， 透 過 某 些 媒 介 使 學 生 容 易 觀 察 到 物 體 的 振 動 幅 度 ， 如 在 鼓 面 上 灑 上 米 粒 或 將 振 動 中 的 音 叉 插 入 水 中 ， 讓 學 生 了 解 到 振 幅 越 大 ， 發 出 的 聲 音 就 越 大 。

活動 二： 短小 精 幹

準 備 一 根 45 公 分 的 塑 膠 長 尺 固 定 在 桌 緣 (如 圖 一 )， 讓 長 尺 分 別 伸 出 桌 面 30、 20 及 10 公 分 。 用 手 輕 輕 地 去 撥 動 長 尺 ， 實 際 讓 學 生 去 數 數 看 長 尺 振 動 的 次 數 ， 把 耳 朵 靠 近 長 尺 看 能 不 能 聽 到 聲 音 。 這 個 活 動 可 以 讓 學 生 從「 數 得 到、聽 不 見 」到「 聽

到 了 ， 看 不 清 楚 （ 不 能 數 了 ）」， 一 方 面 從 實 際 的 計 數 理 解 頻 率 的 意 思 ， 一 方 面 粗 略 的 知 道 物 體 振 動 時 頻 率 似 乎 必 須 高 於 某 個 特 定 值 才 能 發 出 聲 音 。

活動 三： 高低 起 伏

活 動 二 雖 然 可 以 讓 學 生 對 聲 音 和 頻 率 之 間 的 關 係 有 初 淺 的 認 識 ， 但 畢 竟 當 振 動 頻 率 大 於 10Hz 左 右 後 就 不 容 易 計 數 了 。 因 此 本 活 動 主 要 在 承 接 活 動 二 ， 使 用 訊 號 產 生 器 接 上 喇 叭 (如 圖 二 )， 先 將 頻 率 調 整 在 1Hz～ 5Hz， 讓 學 生 觀 察 喇 叭 起 伏 的 變 化 ， 並 且 在 計 數 的 過 程 中 再 次 加 深 其 對 頻 率 的 概 念 。 慢 慢 將 頻 率 調 高 ， 並 且 讓 學 生 試 著 去 聽 喇 叭 有 無 發 出 聲 音 ， 讓 學 生 回 想 前 面 「 振 動 頻 率 需 要 達 到 某 個 值 以 上 才 能 產 生 聲 音 」 的 概 念 ， 最 後 教 師 再 引 介 出 20Hz 這 個 門 檻 值 ， 讓 學 生 了 解 到 並 不 是 所 有 的 振 動 都 能 發 出 聲 音 。

活動 四： 越短 越 高

先 讓 學 生 敲 擊 金 屬 樂 器 不 同 長 度 的 金 屬 片 ， 讓 學 生 分 辨 音 調 的 不 同 ， 討 論 音 調 與 金 屬 片 長 度 的 關 係 。 再 讓 學 生 敲 擊 裝 有 不 同 高 度 水 位 的 試 管 ， 分 辨 出 哪 個 音 調 高 、 哪 個 音 調 低 ， 討 論 音 高 與 水 柱 長 短 有 什 麼 關 係 。 驗 證 用 敲 擊 的 方 式 發 出 聲 音 時 ， 金 屬 片 越 短 或 試 管 中 水 柱 越 短 時 所 發 出 的 聲 音 越 高 。 接 著 請 學 生 用 吹 的 方 式 讓 試 管 發 出 聲 音 ， 同 樣 讓 學 生 分 辨 音 調 的 不 同 ， 並 討 論 此 時 音 調 和 水 位 高 低 或 空 氣 柱 長 短 有 何 關 係 。 讓 學 生 理 解 若 是 朝 管 口 吹 氣 時 ， 聲 音 的 產 生 乃 是 源 於 空 氣 的 振 動 ， 因 此 要 判 斷 音 調 的 高 低 需 考 量 的 是 空 氣 柱 而 非 水 柱 的 長 短 。

活動 五： 動你 心 弦

將 生 活 中 常 見 的 現 象 與 物 理 概 念 相 聯 結 ， 讓 學 生 瞭 解 除 了 長 短 ， 發 音 體 的 鬆 緊 、 粗 細 、 厚 薄 … 等 ， 都 會 影 響 音 調 的 高 低 。 利 用 橡 皮 筋 和 吉 他 弦 呈 現 出 發 音 體 越 緊 或 越 細 ， 所 發 出 的 音 調 越 高 ； 利 用 吹 氣 處 厚 薄 不 同 的 哨 子 ， 呈 現 出 發 音 體 越 薄 ， 所 發 出 的 音 調 越 高 。

活動 六： 米粒 的 抗議

本 活 動 主 要 希 望 將 音 調 的 概 念 以 頻 率 的 方 式 展 現 出 來 。 將 訊 號 產 生 器 和 喇 叭 接 在 一 起 (如 圖 二 )， 調 整 訊 號 產 生 器 頻 率 至 20Hz 以 上 並 持 續 將 頻 率 加 大 或 減 小 ， 讓 學 生 可 以 同 時 觀 察 儀 器 所 顯 示 的 頻 率 數 值 並 對 照 其 所 產 生 的 聲 音 高 低 ， 充 分 了 解 頻 率 大 小 與 聲 音 高 低 之 間 的 關 係 。 除 此 之 外 ， 若 在 聲 音 非 常 刺 耳 的 同 時 ， 繼 續 加 大 頻 率 並 超 過 某 個 臨 界 點 時 (約 18000Hz，每 個 人 感 受 會 有 些 不 同 )，學 生 會 發 現 聲 音 突 然 消 失 ， 反 覆 操 作 的 過 程 中 就 可 體 會 到 超 聲 波 的 概 念 。 由 於 訊 號 產 生 器 可 顯 示 出 所 使 用 的 頻 率 ， 而 喇 叭 則 可 以 聽 出 音 調 的 變 化 ， 兩 者 結 合 讓 學 生 可 以 真 實 的 「 聽 見 」 頻 率、「 看 到 」音 調。此 外，將 米 粒 灑 在 喇 叭 上 並 慢 慢 加 大 頻 率 ， 過 程 中 米 粒 會 劇 烈 挑 動 (如 圖 三 )，但 加 大 頻 率 約 到 3000Hz 後

就 會 發 現 米 粒 跳 動 幅 度 會 慢 慢 變 小 ， 最 後 變 的 完 全 不 跳 動 ， 且 用 手 去 碰 觸 也 不 會 感 覺 到 振 動 。 一 方 面 讓 學 生 瞭 解 喇 叭 並 不 是 沒 有 在 振 動 ， 而 是 次 數 太 快 而 不 易 被 觀 察 到 ， 一 方 面 也 告 訴 我 們 如 果 無 法 讓 學 生 直 接 觀 察 到 當 下 的 頻 率 是 多 少 ， 那 麼 其 對 於 音 調 與 頻 率 之 間 的 關 係 理 解 將 會 是 模 糊 的 。

活動 七： 波濤 洶 湧

本 活 動 分 為 兩 部 份 。 第 一 部 份 將 喇 叭、訊 號 產 生 器、接 示 波 器 三 者 連 接 (如 圖 四 )，調 整 不 同 的 頻 率，讓 學 生 能 在 聽 出 音 調 之 不 同 及 其 所 對 應 到 之 頻 率 數 值 的 同 時 ， 還 可 以 看 到 示 波 器 中 聲 波 的 呈 現 狀 況 。 第 二 部 份 則 是 將 麥 克 風 連 接 示 波 器 ， 對 著 麥 克 風 發 出 不 同 音 調 的 聲 音 ， 藉 由 麥 克 風 的 傳 遞 ， 在 示 波 器 上 顯 示 不 同 音 調 聲 音 之 頻 率 的 不 同 (如 圖 五 、 圖 六 )。 當 聲 音 越 高 ， 波 會 越 密 集 ， 表 示 頻 率 越 高 。 如 此 運 用 不 同 的 組 合 ， 讓 學 生 看 到 真 實 的 波 形 ， 看 到 聲 音 與 波 形 的 關 係 ， 聽 到 波 的 不 同 。

活動 八： 現出 原 形

本 活 動 亦 分 為 兩 部 分 。 第 一 部 份 類 似 競 賽 遊 戲 ， 目 的 在 讓 學 生 先 藉 由 聽 覺 辨 識 出 不 同 但 頗 為 相 近 的 聲 音 ， 以 體 會 音 色 的 概 念 。 一 開 始 準 備 數 種 敲 擊 後 聲 音 相 似 的 物 體 如 鐵 鍋 、 鋁 碗 、 鋼 杯 … 等 ， 讓 學 生 由 發 出 的 聲 音 分 辨 出 不 同 的 物 體 ； 再 從 班 上 選 出 六 位 聲 音 相 似 的 女 同 學 ， 請 她 們 藏 在 布 幕 後 讓 某 位 學 生 說 出 簡 短 的 一 個 詞 或 發 出 聲 音 ， 讓 其 他 同 學 猜 看 看 是 哪 位 同 學 的 聲 音 。 藉 由 分 辨 不 同 物 體 與 人 的 聲 音 ， 理 解 每 個 人 或 物 體 發 出 的 聲 音 都 不 一 樣 ， 此 即 是 音 色 的 差 別 。 第 二 部 分 即 是 參 考 林 鼎 然 (2001)所 提 供 的 建 議 ， 利 用 示 波 器 和 麥 克 風 讓 學 生 觀 察 不 同 聲 音 所 造 成 波 形 的 變 化 。 研 究 者 僅 就 其 本 身 增 加 一 些 變 化 ， 例 如 讓 學 生 親 自 對 著 麥 克 風 發 出 聲 音 ， 除 了 觀 察 同 性 學 生 或 異 性 學 生 所 發 出 來 的 波 形 有 何 不 同 外 ， 也 可 讓 學 生 比 較 當 男 生 女 生 對 著 同 一 支 麥 克 風 發 聲 時，波 形 的 變 化 與 原 來 有 何 不 同。

參、 教 學結 果 與建 議

本 教 學 活 動 曾 同 時 針 對 已 學 過 和 未 學 過 聲 波 概 念 的 學 生 進 行 教 學 ， 試 教 結 果 初 步 發 現 學 生 普 遍 覺 得 有 趣 且 容 易 理 解 。 教 師 在 實 際 執 行 此 教 學 活 動 之 後 ， 均 認 為 學 生 經 由 動 手 操 作 與 討 論 的 過 程 中 表 現 出 熱 烈 的 反 應 ， 教 室 學 習 氣 氛 也 變 的 活 潑 起 來 。 在 整 個 活 動 進 行 的 過 程 中 ， 利 用 訊 號 產 生 器 、 喇 叭 與 示 波 器 提 高 學 生 的 專 注 力 ， 並 且 很 具 體 的 讓 學 生 藉 由 聽 覺 和 視 覺 學 習 到 聲 音 的 特 性 ， 再 利 用 麥 克 風 讓 學 生 看 到 自 己 的 聲 波 增 加 趣 味 性 ， 在 輕 鬆 的 情 境 下 很 直 接 的 利 用 感 官 學 習 。 尤 其 進 行 到 活 動 八 時 ， 學 生 和 老 師 都 玩 成 一 團 ； 除 了 概 念 學 習 本 身 之 外 ， 還 可 增 進 教 師 與 同 學 之 間 的 感 情 ， 因 而 更 顯 現 此 活 動 設 計 的 價 值 。 以 下 即 另 外 就 本 教 學 設 計 中 活 動 試 教 之 結 果 與 建 議 ， 作 進 一 步 的 敘 述 ， 讀 者 亦

可 參 閱 附 錄 中 的 工 作 單 交 互 對 照 。

活動 二：

活 動 進 行 中 ， 建 議 以 一 固 定 器 將 長 尺 牢 靠 的 固 定 於 桌 面 上 ， 如 此 長 尺 才 會 有 一 個 穩 定 的 振 動 ， 並 且 不 會 發 出 其 他 的 聲 響 ， 以 致 影 響 學 生 對 於 有 無 聽 到 聲 音 的 判 斷 。 另 外 ， 老 師 需 提 醒 學 生 盡 量 去 區 別 究 竟 聽 到 的 是 長 尺 本 身 振 動 所 發 出 的 聲 音 ， 或 只 是 風 的 聲 音 ； 如 同 手 在 耳 邊 煽 動 時 ， 所 聽 到 的 只 是 風 的 聲 音 而 不 是 由 手 振 動 所 發 出 的 聲 音 ， 兩 者 仔 細 聽 還 是 會 有 明 顯 的 差 別 。 最 後 ， 建 議 教 師 使 用 材 質 較 軟 的 塑 膠 長 尺 ， 而 不 要 使 用 過 硬 的 壓 克 力 尺 ， 這 是 由 於 壓 克 力 尺 會 因 為 硬 度 太 高 而 有 頻 率 過 高 而 無 法 計 數 的 狀 況 發 生 。

活動 三：

學 生 先 利 用 喇 叭 和 訊 號 產 生 器 ， 看 到 喇 叭 在 1Hz 下 振 動 的 現 象，並 實 際 的 去 計 數 5 秒 內 喇 叭 的 振 動 次 數 ， 可 以 數 到 4 次 或 5 次 ， 學 生 可 以 由 計 數 得 到 的 結 果 對 照 訊 號 產 生 器 上 顯 示 的 頻 率 ， 了 解 赫 茲 或 頻 率 的 意 義 。 以 此 類 推 5Hz 的 活 動 進 行 順 序。接 著 再 用 10Hz 的 頻 率 讓 學 生 去 計 數 5 秒 內 的 振 動 次 數 ， 此 時 雖 然 學 生 會 因 為 喇 叭 振 動 太 快 以 致 無 法 準 確 的 計 數 振 動 次 數 ， 但 是 還 是 可 以 藉 由 訊 號 產 生 器 上 的 讀 數 很 直 接 的 回 答 出 一 秒 內 振 動 次 數 為 10 次 ， 並 且 能 說 出 10Hz 代 表 的 意 思 。 最 後 慢 慢 將 頻 率 調 高 ， 學 生 約 在 17Hz 左 右 便 可 聽 到 喇 叭 發 出 聲 音 ( 但 會 隨 著 每 個 人 聽 覺 上 的 差 異 以 及 喇 叭 功 率 不 同 而 有 些 微 差 異 )， 再 引 入 「 振 動 需 要 達 到 約 20Hz 以 上 才 能 產 生 聲 音 」 的 概 念 。 在 這 個 活 動 裡 不 只 讓 學 生 了 解 到 並 不 是 所 有 的 振 動 都 能 發 出 聲 音 ， 學 生 也 可 以 實 際 的 觀 察 到 會 能 產 生 聲 音 的 頻 率 其 振 動 情 形 會 是 如 何 。 另 外 ， 多 數 喇 叭 都 會 有 音 量 調 整 的 裝 置 ， 因 此 教 師 可 以 進 一 步 利 用 調 整 音 量 讓 學 生 觀 察 到 振 幅 不 同 的 效 果 ， 惟 在 高 頻 時 應 使 用 較 小 的 音 量 或 振 幅 以 免 喇 叭 破 裂 。

活動 六：

由 先 前 幾 個 活 動 的 結 果 ， 在 本 活 動 的 一 開 始 學 生 可 以 很 快 的 就 回 答 出 米 粒 的 跳 動 是 由 於 喇 叭 的 振 動 ， 並 且 由 訊 號 產 生 器 上 的 顯 示 ， 了 解 頻 率 高 低 的 意 義 ， 同 時 聽 到 聲 音 高 低 的 不 同 ， 可 以 歸 納 出 振 動 頻 率 越 高 的 時 候，物 體 發 出 的 聲 音 越 高；反 之， 振 動 頻 率 越 低 的 時 候 ， 物 體 發 出 的 聲 音 越 低 。 除 此 之 外 ， 學 生 還 可 以 感 受 到 聲 音 快 要 進 入 超 音 波 時 (約 在 18000Hz)「 臨 界 點 」 的 感 覺 ， 但 在 這 個 點 之 後 卻 又 突 然 完 全 聽 不 到 聲 音 ， 充 分 體 會 超 音 波 的 概 念 。 在 教 師 引 介 出 「 人 耳 可 聽 到 的 聲 音 範 圍 約 為 20Hz~20000Hz」之 概 念 後，學 生 對 於 物 體 有 振 動 不 一 定 會 發 出 聲 音 的 概 念 又 有 更 深 一 層 的 體 會 。

活動 七和 活動 八 ：

將 喇 叭 、 訊 號 產 生 器 和 示 波 器 連 接 ，

學 生 可 以 從 示 波 器 的 螢 幕 上 看 到 在 頻 率 不 同 時 ， 波 的 密 集 程 度 的 不 同 ， 再 要 求 學 生 回 想 上 一 個 活 動 的 結 果 ， 學 生 可 以 很 直 覺 的 回 答 出 在 頻 率 高 時 發 出 的 聲 音 較 高 、 波 型 也 較 密 集 ， 頻 率 低 時 發 出 的 聲 音 較 低 、 波 型 也 較 稀 疏 。 接 著 利 用 麥 克 風 讓 學 生 看 到 人 在 音 調 高 低 時 所 呈 現 之 聲 波 的 不 同 。 由 於 有 前 面 幾 個 活 動 的 經 驗 ， 即 使 此 時 的 聲 波 不 是 單 純 的 正 弦 波 ， 學 生 也 可 以 分 辨 在 音 調 不 同 時 所 顯 示 之 波 的 疏 密 程 度 ， 並 且 與 先 前 幾 個 活 動 中 所 呈 現 之 正 弦 波 的 結 果 相 呼 應 。 最 後 讓 不 同 學 生 對 著 麥 克 風 發 出 聲 音 ， 可 以 很 清 楚 的 看 到 每 個 人 音 色 的 差 異 是 由 於 波 形 的 不 同 所 造 成 。

肆、 討 論與 結 論

本 教 學 活 動 設 計 之 定 位 乃 是 希 望 學 生 可以從具體的感官體驗中，瞭解教科書中抽 象的內容敘述，讓學生可以從訊號產生器、 示 波 器 、 喇 叭 、 麥 克 風 的 組 合 中 「 看 到 聲 波」、「摸到聲波」、和「聽到聲波」，使學生 能 夠 對 聲 音 與 波 有 更 深 一 層 的 理 解 與 認 識，親身的體驗科學知識。當然這樣的教學 設 計 同 樣 可 以 融 入 到 目 前 許 多 常 見 的 聲 波 教學活動中，如下所述： 1. 一般在聲音的課程，老師會利用一些簡單 的 活 動 讓 學 生 了 解 到 聲 音 的 產 生 是 由 於 物體的振動，例如在鼓面上放米粒敲打 ， 看 到 米 粒 的 跳 動 或 敲 擊 音 叉 並 放 入 水 盆，看到水面濺起水花。在這些活動中學 生 可 以 看 到 聲 音 是 因 物 體 的 振 動 而 產 生，卻未必能將物體的振動和波作結合 。 為彌補可能的缺失，教師可以在完成上述 活動後繼續進行活動三的實驗。學生可以 在 喇 叭 上 看 到 由 不 同 的 輸 入 頻 率 所 產 生 的振動效果，並且同時了解到在物體振動 頻率需要約 20Hz 以上才能發出聲音；了 解 聲 音 是 由 物 體 的 快 速 振 動 所 產 生 的 概 念，而所謂的快速振動必須高於 20Hz。 此 處 需 要 留 意 的 是 ， 學 生 有 可 能 在 頻 率 20Hz 以下就可聽到聲音，教師需要提醒 學生那可能是風聲的錯覺，也可能是系統 誤 差 的 一 部 分 ， 並 向 學 生 說 明 20Hz ～ 20000Hz 僅是估計數值。 2. 在教科書裡，通常會介紹到一些辨別音調 高低的方法，例如敲擊金屬樂器與裝有不 同水位高度的試管，驗證金屬片越短或試 管中水柱越短時所發出的聲音越高；或是 利用橡皮筋和吉他弦，呈現不同鬆緊、粗 細 的 弦 會 產 生 不 同 的 音 調 。 在 這 些 活 動 中，可以聽出聲音的高低，但是卻無法與 物體振動的頻率做結合。教師同樣可以在 完 成 上 述 活 動 後 繼 續 進 行 活 動 六 的 實 驗，將波、聲音與振動結合，藉由喇叭與 米粒的呈現(如圖三)，可以同時聽到聲音 高低與看到物體振動，真正去體驗頻率大 小與音調高低之間的關係，再配合上述活 動，學生可以較完整的了解到發聲體的長 短或鬆緊程度與發出聲音頻率的關係。 最後，雖然本活動設計使用了較昂貴的 器材如示波器和訊號產生器等，不過在現今 資訊教學設備頗為完善和普遍的情況下，教 師可以電腦軟體、投影機以及音效卡來取代 這些昂貴的器材。一般音效卡即可用以作為

收音的媒介，而某些免費聲波分析軟體亦可 呈 現 出 聲 音 的 波 形 ， 經 由 投 影 機 將 影 像 清 楚 的 展 現 在 同 學 面 前 。 因 此 進 行 這 樣 的 教 學 其 實 並 不 費 力 ， 且 極 富 教 育 價 值 。 參 考 文 獻 李 明 芳 (主 編 )(2008)：國 民 中 學 自 然 與 生 活 科 技 (第 三 冊 )。台 南：翰 林 出 版 社。 林 英 智 (主 編 )(2008)：國 民 中 學 自 然 與 生 活 科 技 (第 三 冊 )。台 北 縣：康 軒 文 教。 林 鼎 然 (2001) ： 音 波 如 何 以 電 波 方 式 傳 送。科 學 研 習 月 刊，47(7)，16~21。 教 育 部 (2003)： 國 民 中 小 學 九 年 一 貫 課 程 總 綱 綱 要 。 台 北 ， 教 育 部 。 郭 重 吉 (主 編 )(2007)：國 民 中 學 自 然 與 生 活 科 技 (第 四 冊 )。 台 南 ： 南 一 書 局 。 黃 佩 萱 (2004)： 國 小 高 年 級 學 童 聲 音 迷 思 概 念 之 研 究 。 台 中 師 範 學 院 碩 士 論 文 ， 未 出 版 。 張 靜 儀 和 余 世 裕 (2002)： 國 小 學 童 對 聲 音 迷 思 概 念 之 研 究 。 屏 東 師 院 學 報 ， 16， 395~434。

Linder, C. J., & Erickson, G. L. (1989). A

study of tertiary physics students’

conceptualizations of sound. International Journal of Science Education, 11, 491-501.

Linder, C. J. (1992). Understanding sound: So what is the problem? Physics Education, 27, 258-264. 圖 一 、 長 尺 固 定 示 意 圖 圖 二、訊 號 產 生 器 與 喇 叭 連 接 圖 三 、 喇 叭 放 入 米 粒 圖 四、訊 號 產 生 器、示 波 器 與 喇 叭 圖 五 、 低 音 的 波 形 圖 六 、 高 音 的 波 形

長 尺

固

定

器

附錄 、 工作 單

活動二：短小精幹

1. 準 備 一 根 45 公 分 的 塑 膠 長 尺 固 定 在 桌 緣 (如 右 圖 示 )，讓 長 尺 伸 出 桌 面 30 公 分 ， 用 手 輕 輕 地 去 撥 動 長 尺 ， 把 耳 朵 靠 近 尺 ， 你 有 聽 到 什 麼 聲 因 嗎 ?數 看 看 ， 5 秒 內 長 尺 來 回 振 動 了 多 少 次 ? 我 的 觀 察 耳 朵 (有 或 沒 有 )聽 見 聲 音 。 5 秒 內 來 回 振 動 了 次 ， 換 句 話 說 ， 1 秒 來 回 振 動 了 次 。 小 隊 討 論 2. 調 整 長 尺 ， 讓 長 尺 伸 出 桌 面 20 公 分 ， 重 複 上 一 個 步 驟 。 我 的 觀 察 耳 朵 (有 或 沒 有 )聽 見 聲 音 。 5 秒 內 來 回 振 動 了 次 ， 換 句 話 說 ， 1 秒 來 回 振 動 了 次 。 小 隊 討 論 3. 最 後 讓 長 尺 伸 出 桌 面 10 公 分 ， 再 做 一 次 。 我 的 觀 察 耳 朵 (有 或 沒 有 )聽 見 聲 音 。 估 計 1 秒 大 約 振 動 了 次 。 小 隊 討 論 耳 朵 (有 或 沒 有 )聽 見 聲 音 。 估 計 1 秒 大 約 振 動 了 次 。 統 整 1 物 體 振 動 時，每 秒 鐘 的 振 動 次 數，叫 做 該 物 體 的 ，單 位 是『 1(次 )/秒 』， 又 叫 做 。 統 整 2 長 尺 會 發 出 聲 音，也 是 本 身 的 結 果。從 上 面 的 活 動 中，我 們 可 以 知 道，人 耳 若 要 聽 到 物 體 發 出 的 聲 音 ， 物 體 振 動 的 頻 率 必 須 超 過 某 個 值 以 上 。 長尺 固 定 器

活動三：高低起伏

1. 老 師 桌 上 放 了 一 個 喇 叭 跟 一 台 訊 號 產 生 器 ， 如 右 圖 。 老 師 將 頻 率 分 別 調 成 1H z、 5H z， 聽 聽 看 喇 叭 有 聲 音 嗎 ?數 數 看 在 5 秒 內 大 約 有 幾 次 的 振 動 ? 小 隊 討 論 1H z 時 :________(有 或 沒 有 )聽 見 聲 音，5 秒 內 振 動 了 次 也 就 是 說 1 秒 振 動 次 5H z 時 :________(有 或 沒 有 )聽 見 聲 音，5 秒 內 振 動 了 次 也 就 是 說 1 秒 振 動 次 老 師 講 解 2. 將 頻 率 調 成 10H z，聽 聽 看 喇 叭 有 聲 音 嗎 ?可 以 數 出 振 動 次 數 嗎 ?你 覺 得 頻 率 10H z 的 時 候 ， 喇 叭 1 秒 振 動 幾 次 呢 ?為 什 麼 ? 小 隊 討 論 耳 朵 ________(有 或 沒 有 )聽 見 聲 音 。 _ (可 或 不 可 )數 出 振 動 。 頻 率 10H z， 喇 叭 1 秒 應 該 振 動 次 ， 因 為 ： 老 師 講 解 耳 朵 ________(有 或 沒 有 )聽 見 聲 音 _ (可 或 不 可 )數 出 振 動 。 頻 率 10H z， 喇 叭 1 秒 應 該 振 動 次 ， 因 為 ： 3. 現 在 老 師 試 著 慢 慢 調 高 輸 入 的 頻 率 ， 你 覺 得 頻 率 大 約 多 少 的 時 候 ， 就 可 以 聽 到 聲 音 ? 我 的 感 覺 大 約 H z，開 始 聽 到 聲 音。 小 隊 討 論 大 約 H z，開 始 聽 到 聲 音。 老 師 講 解 4. 你 覺 得 以 下 兩 句 話 ， 哪 一 句 正 確 ， 哪 一 句 錯 誤 ？ ◎ 物 體 有 振 動 就 會 產 生 聲 音 。 ( ) ◎ 物 體 若 發 出 聲 音 就 有 振 動 。 ( ) 統 整 1 物 體 振 動 時，每 秒 鐘 的 振 動 次 數，叫 做 該 物 體 的 ，單 位 是『 1(次 )/ 秒 』， 又 叫 做 。 統 整 2 喇 叭 會 發 出 聲 音，也 是 本 身 的 結 果。從 上 面 的 活 動 中，我 們 可 以 知 道，人 耳 若 要 聽 到 物 體 發 出 的 聲 音 ， 那 麼 物 體 振 動 的 頻 率 大 約 必 須 到 達 以 上 。

活動六：米粒的抗議

1.

老 師 先 將 訊 號 產 生 器 跟 喇 叭 相 接 ， 將 米 粒 放 在 喇 叭 上 ， 老 師 慢 慢 將 訊 號 產 生 器 的 頻 率 調 高 。 注 意 聽 ， 你 覺 得 頻 率 大 概 到 達 多 少 時 可 以 聽 到 聲 音 ？ 你 有 觀 察 到 米 粒 有 何 變 化 嗎 ？ 為 什 麼 會 這 樣 ？ 我 的 想 法 頻 率 大 約 時 可 聽 到 聲 音 。 米 粒 會 。 因 為 。 小 隊 討 論 頻 率 大 約 時 可 聽 到 聲 音 。 米 粒 會 。 因 為 。

2.

將 訊 號 產 生 器 調 整 為 3000H z， 可 以 聽 到 喇 叭 發 出 聲 音 嗎 ?可 以 看 到 喇 叭 的 振 動 嗎 ?米 粒 有 振 動 嗎 ? 我 的 觀 察 ________聽 到 喇 叭 發 出 聲 音 ________看 到 喇 叭 振 動 ________看 到 米 粒 振 動 小 組 討 論 ________聽 到 喇 叭 發 出 聲 音 ________看 到 喇 叭 振 動 ________看 到 米 粒 振 動

3.

想 想 看 喔 !!在 頻 率 高 的 時 候 有 聽 到 聲 音，但 是 看 不 到 振 動。那 到 底 喇 叭 有 沒 有 在 振 動 哩 ??如 果 沒 有，那 聲 音 是 怎 麼 產 生 的 呢 ？ 如 果 有 振，那 為 什 麼 我 們 看 不 到 喇 叭 或 米 粒 的 振 動 呢 ? 我 的 想 法 我 覺 得 喇 叭 振 動 ， 因 為 小 組 討 論 我 覺 得 喇 叭 振 動 ， 因 為 老 師 講 解

4.

老 師 繼 續 把 頻 率 調 高 。 聽 聽 看 ， 在 可 以 聽 到 聲 音 的 範 圍 裡 ， 頻 率 高 跟 頻 率 低 的 時 候 的 聲 音 聽 起 來 有 什 麼 不 同 ? 我 的 觀 察 頻 率 高 的 時 候 喇 叭 聲 音 比 較 _______; 頻 率 低 聲 音 較 _______ 小 組 討 論 頻 率 高 ， 聲 音 較 _______ 頻 率 低 ， 聲 音 較 _______ 老 師 講 解

5. 老 師 再 繼 續 把 頻 率 調 到 很 高 ， 你 覺 得 頻 率 大 概 高 到 多 少 時 就 會 聽 不 到 聲 音 了 ? 我 的 感 覺 大 約 H z，會 聽 不 到 聲 音 。 小 隊 討 論 大 約 H z，會 聽 不 到 聲 音 。 6. 當 頻 率 高 到 我 們 聽 不 到 的 時 候，我 們 把 這 種 聲 音 叫 做 。你 覺 得 當 你『 聽 』 著 超 音 波 的 時 候 感 覺 如 何 ？ 我 的 感 覺 小 組 討 論 老 師 講 解 統 整 1 聲 音 是 由 物 體 的 產 生，但 是 物 體 的 振 動 不 一 定 會 產 生 聲 音。振 動 的 頻 率 大 約 要 超 過 ， 人 耳 才 可 以 聽 到 聲 音 。 統 整 2 音 調 與 發 音 體 振 動 的 有 關 。 振 動 頻 率 越 高 的 時 候 ， 物 體 發 出 的 越 高 ； 反 之 ， 振 動 頻 率 越 低 的 時 候 ， 物 體 發 出 的 越 低 。 統 整 3 人 耳 能 聽 到 聲 音 的 頻 率 範 圍 約 在 20~20000 赫 之 間，振 動 頻 率 太 高 或 太 低 的 發 音 體 所 發 出 的 聲 音 ， 我 們 是 聽 不 到 的 。 振 動 頻 率 超 過 20000 赫 的 聲 音 ， 我 們 稱 作 ， 蝙 蝠 就 是 利 用 的 原 理 來 感 覺 四 周 的 環 境 和 辨 別 方 向 ， 另 外 海 豚 也 是 利 用 來 相 互 溝 通 的 。

活動七：波濤洶湧

將 喇 叭 、 訊 號 產 生 器 、 示 波 器 三 者 連 接 。 訊 號 產 生 器 可 以 讓 喇 叭 發 出 不 同 音 調 的 聲 音。示 波 器 則 可 以 顯 示 不 同 音 調 聲 音 的 『 波 』 的 情 形 。 1. 老 師 現 在 慢 慢 把 頻 率 調 高 。 你 覺 得 聲 音 有 何 變 化 ？ 我 的 觀 察 頻 率 調 高 ， 喇 叭 的 聲 音 會 ____ 小 組 討 論 頻 率 調 高 ， 喇 叭 的 聲 音 會 ______ 老 師 講 解 2. 當 聲 音 越 來 越 高 時 ， 你 覺 得 聲 波 的 樣 子 在 疏 密 程 度 上 有 什 麼 變 化 ？

小 隊 討 論 聲 音 低 時 ， 示 波 器 上 的 波 較 聲 音 高 時 ， 示 波 器 上 的 波 較 老 師 講 解 聲 音 低 時 ， 示 波 器 上 的 波 較 聲 音 高 時 ， 示 波 器 上 的 波 較 3. 那 現 在 老 師 要 考 考 你 囉 ！ 你 覺 得 波 的 疏 密 程 度 、 頻 率 、 音 調 三 者 之 間 有 什 麼 關 係 呢 ? 我 的 想 法 小 組 討 論 老 師 講 解 4. 將 麥 克 風 接 示 波 器 ， 發 出 不 同 音 調 的 聲 音 。 藉 由 麥 克 風 的 傳 遞，在 示 波 器 上 顯 示 不 同 音 調 聲 音 的 波 形，仔 細 觀 察 高 音 和 低 音 在 示 波 器 上 所 顯 示 的 波 形 何 者 較 密 集 何 者 較 稀 疏 ?這 跟 頻 率 又 有 什 麼 關 係 呢 ? 我 的 觀 察 高 音 的 頻 率 較 ______， 示 波 器 上 的 波 較 低 音 的 頻 率 較 _______， 示 波 器 上 的 波 較 小 隊 討 論 高 音 的 頻 率 較 _______， 示 波 器 上 的 波 較 低 音 的 頻 率 較 _______， 示 波 器 上 的 波 較 老 師 講 解 統 整 1 頻 率 較 低 的 時 候 在 示 波 器 上 可 以 看 到 的 波 較 (密 集 或 稀 疏 )， 聽 到 的 聲 音 較 ；頻 率 較 高 的 時 候 在 示 波 器 上 可 以 看 到 的 波 較 (密 集 或 稀 疏 )， 聽 到 的 聲 音 較 。 統 整 2 同 一 個 人 可 以 發 出 聲 調 不 同 的 高 低 音 ， 在 發 出 高 音 的 時 候 ， 波 形 較 ， 頻 率 較 ； 在 發 出 低 音 的 時 候 ， 波 形 較 ， 頻 率 。