中學以下的素養教育與經驗談:國二上自然科,聲音與波動

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開始進入「霧理」階段,這沒有錯字,筆者見過絕大多數放棄理化的都是從「聲音與波動」這節開始,理由很簡單,太過抽象。
抽象的解決方法三種,一種是用具體的比喻去表達,像有的老師會拿教具或放影片,另一種是透過題目練習,逐漸抓到抽象概念的意涵,最後一種就是放棄,去背吧。
呃,我沒開玩笑,如果試過各種辦法,對理化就是無法理解,不行就是不行。那筆者建議,以後就別走這行吧,但至少名詞類的東西要知道,為了考試加減學些公式計算。
這是多年的經驗血淚談,你硬逼真的不行的學生,催下去的成果真的不好。不是成績的問題,是我們讓一個學生從此看到理化類的就厭惡、痛恨到極點,對科學有錯誤的看法,這才糟糕。

聲音與波動

好了,進入主題,聲音跟波動,一開始需要注意什麼?第一個要做好的,就是去背性質,因為這些是定義,定義不清楚,其他的就甭提了。如果學生很難一開始就學好波動的定義,那筆者建議可以先從後面的聲音開始,順序如下:
  • 先提人類聽到聲音的原因,是空氣振動,然後被我們感受到,著重解釋聲音是一個具體的現象,而這個現象從何而來。
  • 接著提聲音的速度,跟介質的種類與狀態有關,這邊建議讓學生,拿著槌子等工具敲桌子,耳朵貼在桌子上敲,跟沒有貼在桌子上去聽,聽到的會有何差別,抓到那個「聲音的感受確實跟介質有關」的意義。
  • 下一步提真空狀態,讓學生理解沒有振動的介質,聲音就無法產生的道理,做一個收尾。之後再回去第一節,開始講述聲波的各種性質定義,然後千萬不要一開始就講縱波橫波
筆者強烈的強烈建議,就先說聲音是一種波動,然後拿繩子出來甩,讓同學先理解波動的運動性質,等他會了再去解釋聲音是縱波不是橫波。經驗上國中生對橫波的理解快於縱波,計算也比較行。
以上的辦法,如果學生素質夠,就照課本順序不用調整了。

熟悉「波動」不同性質的定義

在這一章節中,波動的第一節著重性質,性質指的是波的波長、頻率、週期、振幅、波速。定義熟悉,照理說不會有不懂的情況,筆者見過的問題,大部分出在兩個,第一個是文字解釋跟代數運算的不協調,第二個是其實沒抓到波的概念,只是好像代數字會,這就建議回去看影片跟用教具抓感覺。
這邊提幾個容易犯錯的點,提供老師跟家長參考,再次提醒各位,國中生不大適合看筆者這一系列的文章,這系列比較偏重提供經驗給教學者。
  • 頻率:每秒幾次,單位「次/秒」
  • 週期:每次幾秒,單位「秒/次」
所以兩者相乘的乘積為1,但建議練題目前,先用有變化的敘述,強化學生的認知,如:
  • 頻率指的是每秒幾次,所以「1次/秒」指的是每秒鐘1次,「2次/秒」指的是每秒2次,依此類推「10次/秒」指的是每秒10次。
  • 週期指的是每次幾秒,所以「1秒/次」指的是每次要1秒,「2秒/次」指的是每次要2秒,依此類推「10秒/次」指的是每次要10秒。
請不要忽略抽象能力不好的人,無法舉一反三的事實,大部分的理化教師自己都很強才能教,理工科背景家長通常自己也不差,但孩子不見得是。
絕大部分計算出錯的學生,關鍵都是出在頻率跟週期上,題型一變化就倒,反過來說,完全抓到頻率週期意義的人,過關的機率就很高。

以具體、具像、動態的實例進行解釋

所以繼續上面所說,頻率跟週期要進一步用具體概念去講,像是拿繩子慢慢地甩動,最好綁著紅色帶子,或是有影片可以慢動作播放得更好。一次又一次,甩動繩子讓學生觀看,抓到那個「從這個點開始,到左右(上下)的頂點後回到原處,稱做1次」的感覺,接著加快、減慢速度甩動,理解頻率跟週期的概念。
為何如此?因為大多數會弄錯的學生,都把頻率、週期跟速度弄混,他們會以為頻率高就是速度快,畢竟從影片中感覺是這樣,故筆者一直說要慢動作播放。透過慢動作播放,找到那個綁帶子的點,來回1次,加快速度再來一次,學生會發現到,其實速度沒有多少變化,是波的數量改變,讓人感覺好像變快。
這樣,才會理解頻率週期等時間因素,在同一介質中,影響的是數量而非速度,之後才能丟公式:
筆者個人經驗上,會混亂的學生,混淆了感覺上的數量跟速度差,以及時間與速度的影響。因為生活上的例子,「時間不是跟速度有關嗎?」這件事,在同一介質中,波的速度可不是如此,頻率周期的時間,指的是產生波的快慢,不是波的速度。
說歸說,筆者這邊的教學,習慣上都是拿彈簧、繩子,以及播放影片去解說,完全不建議只寫黑板,用靜態畫去表達,除非你教的是資優班,不然真的不建議。
現在網路上很多教學影片,強烈建議家長找一些適合的,或是透過班導聯絡管道,請理化老師提供適合的。

波速的計算,藉示意圖理解題目

下面一小節,波速的基本運算,要記得算兩段就對了,這裡必須要建立圖解的習慣,也就是學生除非看了就會,不然請一律要他繪製大概的示意圖,如下題:
範例:向著山壁大喊一聲,2秒後聽到聲波,假設聲音速度340m/s,請問距離山壁多遠?
答:過去跟回來聲音走了兩段路,所以過去1秒,回來1秒,時間距離1秒鐘,所以距離 340m/s ╳ 1s = 340m。
要數學表達,就是假設距離x,聲音過去又回來,距離就是2x,而時間是2秒,列式「距離=速度乘以時間」為:
數學形式不是說不重要,而是先會再說,看懂了之後再要求數學列式列好比較重要。

後續跟進階題型,重點還是背定義跟畫圖輔助

後面兩小節,先提到音色、音調、響度,這就是用背的,拿實際樂器表現效果會更好,這比較沒問題。超聲波等也只是現象跟定義,都很好處理,筆者建議這邊搞不懂的同學,將這類屬於常識的部分記一記,不會有壞處。
最大的麻煩是最後,聲波的反射,這其實已經不大會考了,但作為各校的進階考題,聲波的反射跟計算還是有一席之地。
筆者只能就既有的題型,稍微解釋一下,實際教學的麻煩總是在學生能不能跟上,沒辦法抓個標準狀況。以下說明邊發出聲音邊移動的題目解法,請記得不要死背,更不要去記解法,沒弄懂的同學硬記只是拿分,還是不會懂。
範例:有一艘船以速度10m/s往一面山崖開過去,並發出鳴笛聲,已知2秒後收到笛聲,請問「發出笛聲時」船距離山崖多遠?(此時聲波速度為340m/s)
解:一律畫圖
很多老師都會畫,但解釋上需要下功夫,首先就是要先讓學生理解,聲音發出去後,因為船也會往前移動,所以接收到聲音的位置,會在移動後的位置(淺色船)。
所以,把船移動跟聲音移動的距離加起來,正好會是下面距離x的兩倍,列式子如下:
如果是反向開船的,圖片如下:
看得懂兩張差異的,就不會去死記所謂的速解法,看不懂的才需要。另一種更少見的考題,蝙蝠前進那種,也是類似的繪製法。

讓學生抓到動態性的思維

筆者的經驗是,聲波的反射這類題目,不念高中的基本上通常不會想懂,會想去懂的要教他教到會。念高中想走理工科的,這類題目當然要會,而且是要真懂,不然連這種程度的模擬都模不出來,後面的路更慘,不如早點看開。
而這邊教師的能力非常重要,請各位師長理解,不是畫圖列式,學生就可以懂,需要動態性的解說,讓學生抓到「一齊移動」的思維。
因為,大多數的學生,同一時間只能處理一個物體的移動,也就是當A移動時B不會動,若A、B同時在動,腦袋思考會打結。不會打結的,天分都不算低了,而我們的教學目標放在哪,自己要評估一下。
家長若覺得自己孩子好像不大好,這可能性兩個,一種就天分,這筆者無法幫忙。另一種是之前小學提過的,從小訓練太少,抓不到那種自然的動態變化感覺,這種感覺可以依靠多看科學性影片拉起來。
總之,分清楚可以幫,跟救不了的部分,去幫學生的效率會比較好。
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