案例分享 | 纸箱吉他：认识声音的性质
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“教师创客活动设计挑战赛”正在进行中，周三我们介绍了如何将创客制作转化为创客教学案例，今天我们以创客达芬奇的小制作“纸箱吉他”为例，看看小制作怎样转化为创客教学案例。点击【阅读原文】报名参加教师创客活动设计挑战赛吧。
尽管人类早在新石器时代就已经出现乐器，但对于声音性质的研究，却远远晚于乐器的应用。以弦乐器为例，在公元前三千五百年前，美索不达米亚的苏美尔人已经制作出竖琴，应用琴弦的不同长短来调节音调，到了公元前500年的毕达哥拉斯（Pythagoras）通过两个实验，定性地描述了弦长和弦的张力对音调的影响。而最早定量的方式描述琴弦与音调关系的则是十五世纪法国音乐理论家马林·梅森（Marin Mersenne），1636年，他在音乐理论著作《协和宇宙》（L'Harmonie Universelle）中提出了“梅森定律”：
同一种弦,张力一定,弦长不同,则振动的周期与弦长成正比。也就是先前提到的毕达哥拉斯的发现。
同一种弦,弦长一定,张力不同,则振动的频率与张力的平方根成正比。
不同的弦,弦长一定,张力一定,则振动的周期与弦的重量的平方根成正比。
与梅森同一时期的伽利略也通过实验独立发现了这个定律，并于1638年出版的《关于两门新科学的对话》中描述了这个现象[1]，由于梅森独立发现在先，所以被称为梅森定律。
创客教学案例“纸箱吉他：认识声音的性质”就是基于声音性质的研究设计，让学生定性地认识梅森定律。
一. 教案整体内容框架
“纸箱吉他”是一个面向于小学高年级到初中学生的物理类创客课程教学案例。本教学案例以吉他作为制作题材，学生在动手制作“纸箱吉他”的过程中，综合运用科学、技术、工程、艺术和数学等能力。学生在课程中能够认识声音的物理属性，提高动手技能，设计独具特色的乐器，培育艺术修养，发现数学规律。本课程由两个部分组成，分别为：
背景经验活动：这些乐器都有什么特点
设计与制作：独具特色的纸箱吉他
二. 课程教学目标
本课程教学目标由科学、技术、工程、艺术和数学五个方面组成：
科学（S）：
S1：认识乐音的三个特征：音调、响度、音色。
S2：认识声音由物体振动产生。
S3：理解声音的物理属性与乐音三个特征的关系。
S4：认识梅森定律。
技术（T）：
T1：认识不同乐器的发音方式的区别。
T2：认识吉他的各个组成部分以及他们的作用。
T3：掌握两脚钉的使用方式
T4：掌握对纸箱等材料进行加工的技巧
T5：掌握弦乐器的调弦技巧
工程（E）：
E1：绘制一张纸箱吉他的三视图。
E2：制作一把纸箱吉他。
E3：认识如何根据使用需求，将纸箱吉他的基础成品设计再制造。
人文艺术（A）：
A1：认识弦乐器的历史发展
A2：思维导图的运用
A3：能够对纸箱吉他的外观进行设计。
A4：讨论不同乐器音色所引起的感受
A5：能够用纸箱吉他弹出简单的乐曲
数学（M）：
M1：理解正比关系与反比关系。
M2：认识三视图的绘制方式
三、课程活动
活动一：认识声音和乐器
活动目标：
1.学生能够认识不同的弦乐器，并能分辨不同乐器的音色（T1、A1、A4）
2. 认识声音的物理性质，并能分辨音调、响度、音色的不同（S1、S2、S3）
3.认识吉他以及各个部分的作用（T2）
活动材料：
1. 若干种中外较为常见乐器的照片、以及演奏视频（需要有若干体鸣乐器、膜鸣乐器、弦鸣乐器、气鸣乐器、电鸣乐器，可以按照霍恩博斯特尔-萨克斯分类法[网络资源2]进行准备）
2.一些不常见乐器或创意乐器的图片及演奏视频（不常见乐器如玻璃琴，创意乐器如蔬菜乐器等[网络资源3]）
3. 吉他（至少准备一把，最好每组有一把吉他。古典吉他、民谣吉他或尤克里里皆可，避免使用电吉他）
活动过程：
1. 课堂回顾
这一部分内容在于回顾中学物理中所学到的声学知识，为后续的活动做铺垫，如果学生尚未学习相关的物理知识，可以简单的介绍1.1、1.2。
1.1 回顾在课堂中已经学习到的声音的物理属性，认识声音的三个互相独立的特性。
1.2 让学生根据课堂学到的知识，回答三个特性与发声体的物理关系。
学生需要说出音调与频率、响度与振幅、音色与发声体材料属性的关系
2. 活动引入：乐器的声音
这一部分需要让学生明白为什么选择乐器作为探索对象，并认识不同乐器的发音差异。
2.1 向各组学生展示多种常见乐器的图片或视频，并提问它们是怎么发声的。
2.2 学生分组讨论，从发声的角度想一想，这些乐器可以怎么分类，并进行小组汇报。学生可能会按照乐器的发声方式、材料、鸣奏方式等进行分类，教师给予指导
2.3 总结学生的分类，并鼓励学生讨论某些争议较大的乐器归类的依据。（比如钢琴，很可能就是一种较大争议的种类，有的把它归为弦乐，有的归为键盘乐器）
2.4 简要介绍霍恩博斯特尔-萨克斯分类法。
2.5 向学生展示不常见的乐器及创意乐器，学生根据霍恩博斯特尔-萨克斯分类法对这些乐器进行分类。
3、认识吉他
学生们熟悉了乐器的分类之后，我们以吉他为例，让学生进一步认识声音是由发声体振动产生的，并为后续活动打好基础。
3.1 简单向学生介绍吉他各个部分的名称。
3.2 每组配发一把吉他，用几分钟的时间，让学生仔细观察吉他的每一个部分的细节。
3.3 让每组的学生轮流在黑板上共同完成吉他的思维导图。在这一步，学生可能会发现不同弦的粗细不同、弦栓可调节松紧度等等影响音调的要素
3.4 进一步通过讨论，学生尝试发现影响吉他声音特性的要素。
4、课堂总结，并预告下一次活动所要做的内容及准备相关材料，亦可将制作设计纸箱吉他作为课后任务。
活动二：制作纸箱吉他
活动目标：
1、深入理解声音和发声体的物理属性与声音的特征的关系（S1、S2、S3）
2、设计一个纸箱吉他。（T2、E1、M2）
3、学会纸箱吉他的制作。（T2、T3、T4、T5、E2、A3）
4、认识弦的松紧与吉他的音调关系，并能够进行调音。（S4、T5、A4、M1）
5、用纸箱吉他弹奏出乐曲。（A5）
活动材料：
1、设计图所需材料（纸、笔、尺子、橡皮等）
2、纸箱吉他制作材料（两脚钉或者螺丝×12、橡皮筋×6、纸箱、竹签或者竹筷×2、剪刀、直尺、圆规、胶水或胶枪）
3、纸箱吉他装饰材料（可由学生自行准备）
4、调弦工具（可以使用音叉或电子琴等专用工具进行调弦，也可以使用在线调弦工具[网络资源5]进行调弦）
5、简单乐谱[网络资源6]
活动过程
1、课堂回顾
1.1回顾活动一最后总结的思维导图，让学生对吉他每一部分的名称和作用有一个再认识。
1.2. 宣布设计纸箱吉他的设计需求。
2.制作设计图
一个良好的制作必须在制作前做到心里有数，设计图就是一个进行一个制作前与同伴很好的交流表达工具。这一步可以在课堂上完成，也可以作为课后作业完成。
2.1 学生在图纸上绘制将要设计纸箱吉他的外形的三视图及装饰内容。
学生需要在设计图上表示准确尺寸，如果学生不具备三视图相关知识储备，可以忽略这一步。如果学生在纸箱吉他中增加装饰的电路元件，需要制作电路图表达出来。
2.2 小组交流讨论，改进设计图。
3. 制作纸箱吉他
这一步骤包括制作纸箱吉他的主体结构、制作装饰结构以及调弦组成，学生在制作中可以收获科学、技术、工程、艺术、数学等多项知识。
3.1吉他的主体结构
3.1.1 用卡纸和剪刀装饰纸箱。
3.1.2 用圆规在纸箱上画出一个圆，并用剪刀剪下来，作为响孔。
3.1.3 在响孔的上下方分别扎六个对称的小孔，插入两脚钉，用来固定琴弦。
3.1.4 将两脚钉扎入纸箱后将两脚钉的两只脚在纸箱内部打开固定。
3.1.5 剪下两根比同侧的六根两脚钉的距离更长的竹签。分别固定在两侧两脚钉与洞口之间作为弦枕。
3.1.6 将六根橡皮筋剪断，再分别绑在出声口上下对应的两脚钉上，缠绕绑紧固定好作琴弦。
3.2 吉他的装饰结构
这一部分学生自由发挥的空间较大，以下步骤只作为参考
3.2.1 用胶带将两个厕纸卷筒连接作琴把手，再用彩纸装饰。
3.2.2 在硬纸板上贴上彩纸，画出六个琴栓的形状，再用剪刀剪下来，用胶枪粘在琴把手上端，两边各三个。
3.2.3 最后将做好的琴把手粘在琴身上方。
3.3 调弦
利用调弦工具，将橡皮筋绕在两脚钉上调整松紧让音高由do到la
（学生可能无法调弦调得非常准确，相似即可）
4.演奏纸箱吉他
4.1 学生制作完纸箱吉他之后，进行外观的评比
4.2 向学生简谱，分组上台演奏吉他，并进行演奏效果的评比。
5.课堂总结
5.1 让学生讨论在制作过程中遇到的困难。
5.2 向学生提问，在制作纸箱吉他的调音过程中，弦的松紧与音高的关系是怎么样的，并让学生认识正比例关系。
5.3. 总结整个课程的知识点，并让学生继续思考，如何改进纸箱吉他。
四、活动拓展与评价
在纸箱吉他制作活动结束之后，可以视学生的接受程度，进行下一步的讨论并改进纸箱吉他的制作，以分组汇报的形式展示。
可以参考以下主题进行拓展：
1. 音乐的音调研究简史。
2.弦长和密度对音调的影响。
3.响孔的大小与响度的关系。
4.通过电脑软件分析纸箱吉他的音调。
活动结束后，教师需要对活动效果展开评价，可以由以下几个要点展开：
科学：
1、学生是否能说出声音的三个特征，并对这些特征有一个准确认识？
2、学生是否能够清晰表达出弦的张力与音调的关系，并通过展示纸箱吉他体现出来？
技术：
1. 学生的纸箱吉他是否能演奏音乐？
2. 学生制作的吉他的音调的准确程度。
工程：
1. 学生绘制的设计图与最终的作品的一致程度。
2. 学生能否对纸箱吉他进行改进程度与效果。
艺术：
1. 学生是否能够认识霍恩博斯特尔-萨克斯分类法，并进行准确归类？
2.学生是否能够说明弦乐器的历史发展？
3. 制作是否精美？
数学：
1.学生是否能够准确使用正比例和反比例的术语来描述物理知识？
2.学生是否绘制出精确的设计图？
网络资源
[1] 毕达哥拉斯琴弦实验 http://blog.sciencenet.cn/blog-847068-985623.html
[2] 维基百科：霍恩博斯特尔-萨克斯分类法 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9C%8D%E6%81%A9%E5%8D%9A%E6%96%AF%E7%89%B9%E7%88%BE-%E8%96%A9%E5%85%8B%E6%96%AF%E5%88%86%E9%A1%9E%E6%B3%95
[3] 科技学堂布布老师教你打造家庭摇滚明星 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5MjE0NzU2MQ==&mid=2649314218&idx=1&sn=0172f1876c18c9cb6c100635387161ed&chksm=f4182bacc36fa2ba33a99f725e73f38dedec95402d0e2180a1362d94868d6f3c28ad3635845f#rd
[4] PhET 声波模拟软件：https://phet.colorado.edu/zh_TW/simulation/legacy/sound
[5] 乐谱网 在线调弦工具：http://www.cnscore.com/tools/Jita_tiaoxuan.html
[6] 乐谱网 在线简谱 http://www.cnscore.com/jianpu/
参考文献
[1] 胡燕琼 试论《关于两门新科学的对话》一书中的声学理论 科教导刊2010年3期
科技学堂
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微信号：sciclass
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