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聽聲音(四):聲音的「光譜」

Muzik Online
・2015/02/09 ・1748字 ・閱讀時間約 3 分鐘

作者 官大為(Wiwi)

在上一篇文章,我們了解到了聲音是一種「波」,所以聲波當然也跟各種其他形態的波一樣,會有互相相加、抵消、干涉等等的反應。我們也示範了調音師為什麼光憑聽兩條弦互相干涉造成的音量變化,就可以知道你家的鋼琴準不準。

聽聲音(三):調音師怎麼知道鋼琴準不準?

今天開始的接下來幾篇文章,我們要繼續深入討論關於聲音頻率的問題:我們可以聽到的頻率範圍有多寬?我們感知聲波和光波的方式有什麼不同?Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Si 是怎麼來的?為什麼這些音是這麼高?是誰決定的?為什麼我們可以有各種不同高度的 Do?⋯⋯

你看得到電磁波

在說聲波的頻率之前,我們先來聊聊「電磁波」的頻率。

我們描述電磁波頻率的用語,跟描述聲音一樣,都是使用「赫茲(註1)」(Hz)這個單位。人類日常生活中使用的電磁波頻率,可以低至某些無線電波的 3,000 Hz,高至機場海關檢查包包用的 X 射線的 30,000,000,000,000,000,000 Hz。


在這麼寬廣的電磁波頻率範圍當中,有其中一小段頻率是你的眼睛可以偵測到的,我們把這個範圍內的電磁波叫做「可見光」,基本上你每天睜開眼睛看到的所有東西,就是你周遭物體發出或反射的一段特定頻率的電磁波。

可見光的頻率範圍大約是 400,000,000,000,000 Hz 到 790,000,000,000,000 Hz 左右(或寫成 400-790 THz,如果你不喜歡寫太多 0 的話),你的眼睛接受到這個頻率範圍之內的電磁波,就會把它的頻率告訴大腦,然後你的大腦就會覺得它「看」到了一個顏色。

沒錯,你每天看到的多彩的世界,其實就只是你的大腦偵測到周遭的電磁波之後產生的幻覺而已。

紅橙黃綠藍○紫

然後我們把剛剛說的 400 到 790 THz 的頻率,選擇其中一些範圍,將它們取名字,我們就可以互相溝通我們偵測(看)到了什麼頻率的電磁波了。如以下的光譜圖,譬如說我們把 400-484 THz 的電磁波取名叫做「紅色」,606-668 THz 的叫做「藍色」等等。

到這裡你可能會注意到兩件有趣的事:

第一是每種顏色名稱的範圍其實不一樣大,像是我們把 526-606 THz 這麼大一片範圍都叫做「綠色」,而「黃色」的範圍只有短短的 508-526 THz 而已。

第二件事是,這張表並沒有七色彩虹中的「靛色」,那是因為牛頓(註2)當時認為的藍色 (blue) 和靛色 (indigo),已經跟現代慣用的說法不同。他那時候說的「藍色」,其實是我們現在叫做「青色」(cyan) 的東西,而「靛色」才是比較接近現在說的「藍色」,不過這就是另一個跟音樂主題無關的故事了。

聲音的「光譜」

不過別被可見光超大的頻率數字嚇到了,雖然 400,000,000,000,000 Hz 到 790,000,000,000,000 Hz 看起來是超級寬的頻率範圍,但是如果你以比例的方式來看,人眼可見的最低和最高頻率的比例,其實才差不多等於 1:2 而已。

而如果你對照人耳可以聽到的聲音範圍:20 到 20,000 Hz,最低到最高頻率可是差距 1000 倍了耶,所以以比例的角度來看,我們可以感知的聲音頻率範圍,是比視覺上寬得許多的。

如果你對於 20 Hz 到 20,000 Hz 的聲音聽起來是多高完全沒有概念的話,使用下面這個 YouTube 影片來感受一下人耳的整個聽覺範圍吧。它從 20 Hz 開始慢慢升高,一直到六分鐘後爬升到聽覺上限 20,000 Hz。提醒你先把音量轉小一些,免得傷到自己的耳朵喔:

當然 20 到 20,000 Hz 這個範圍,是生物課本上寫的樂觀估計而已,實際上你能聽到的高頻率上限,會隨著你的年齡增長而衰退。Wiwi 自己現在只能聽到大約 15,500 Hz 左右而已了,但我有在我的小朋友學生上測試過,有一些人可以聽到 18,000 Hz 或更高。

Do Re Mi Fa Sol La Si

既然我們可以把不同頻率的可見光取名字,那我們是不是也可以把不同頻率的聲音取名字呢?答案當然是可以的,你所熟知的 Do Re Mi Fa Sol La Si,就是我們根據聲音的頻率不同而給的名字。

但是,我們要怎麼決定哪個頻率該叫做「Do」呢?只用 Do Re Mi Fa Sol La Si 七個名字要怎麼涵蓋 20 到 20,000 Hz 這麼大的範圍呢?甚至,我們為什麼要用七個名字呢,為什麼不是八個,或九個?關於頻率還有好多問題還沒有解決,我們下回再繼續喔!

(Wiwi)

註1:還記得嗎?「赫茲」就是指「每秒鐘幾次」的意思。譬如,當我們說一個波的頻率是 60 赫茲,即表示這個波每秒鐘會有 60 次循環。

註2:沒錯,「紅橙黃綠藍靛紫」這七個顏色的名稱就是牛頓取的。

延伸閱讀:
可見光:http://en.wikipedia.org/wiki/Visible_spectrum
電磁波:http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum
靛色:http://en.wikipedia.org/wiki/Indigo
顏色:http://en.wikipedia.org/wiki/Color#Spectral_colors

轉載自MUZiK ONLiNE 名家隨筆

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素養不是知識,是讓孩子像科學家一樣思考——LIS 創辦人嚴天浩專訪

PanSci_96
・2021/09/24 ・2101字 ・閱讀時間約 4 分鐘

近年來,在新課綱推行之下,「素養」這個詞成為熱門關鍵字,「對我來說,素養就是面對世界的行為模式,在面臨問題時,一個人會抱著什麼樣的態度去解決問題。而科學素養就是『像科學家一樣思考』」LIS 科學情境教材(台灣線上教育發展協會)創辦人嚴天浩這麼說。

嚴天浩在大學時開始製作教學影片,最初的動機來自上大學後體會到城鄉差距、資源落差,想藉由線上教材擴大影響力,然而觀看次數卻不如預期。

2013 年起,嚴天浩和夥伴到台東,向「孩子的書屋」負責人陳爸(陳俊朗)請益,並長期蹲點接觸孩子,發現學生們面臨最大的問題不在於「學什麼」,而在於「為什麼要學」,因此意識到若要改變孩子的學習狀態,不能只是單方面灌輸「老師想教的」,而要從學生的需求出發,了解「孩子想學什麼」。

七年來,LIS 拍攝超過 100 支線上科學影片,包括將科學家的思想歷程、時代背景融入角色劇情的科學史,以及結合時事、生活情境的科學實驗,目前已經超過 250 萬觀看人次,也成為全台許多中小學的教材。

這次,LIS 歷時三年研發出一套科學實境解謎遊戲,不只在玩遊戲的過程中學科學,也引導孩子練習「像科學家一樣思考」。

什麼是「像科學家一樣思考」?

過去,我們在國中課本裡學到的科學方法「觀察、提出假說、進行實驗、得到結論」,然而許多學生能對步驟琅琅上口,卻不見得理解背後的邏輯。LIS 分析百位科學家的思考歷程以及參考教育學者的理論,設計出適合培養國小學生科學思維的「科學推理階梯」,共有四個步驟,包括「發現問題」、「聯想原因」、「大膽假設」、「實際驗證」。

嚴天浩坦言,對於國小的孩子來說,他認為最難的在於——第一步「發現問題」,這取決於孩子過去是否累積足夠的觀察經驗,因此,如何訓練孩子觀察是培養探究學習的重點。然而,在沒有老師的引導下,要怎麼讓孩子能聚焦在實驗的現象上,成為開發遊戲過程中的一大考驗,後來,團隊想出了運用 RPG 中的角色對話,設計句子讓玩家將注意力集中在現象上的差異,「當孩子觀察到的與他原本的認知有所不同,產生衝突時才會進而發現問題。」嚴天浩說。

有適當的引導,才能從問題中學習

在發現問題之後,還須激發玩家思索問題的意願,因此在遊戲中便成為一個個解謎關卡,玩家為了破關、練等會主動尋找答案,在玩完遊戲後得到的成就感,會讓孩子對科學產生動機,在未來有自信用這樣的方式去思考、面對問題。

嚴天浩說:「大學時我修過教育學的課,設計課程的第一步往往是『引起動機』,但我們認為應該從遊戲開始到結束的每一個動作,都需要一個『引起動機』,目前玩過這套遊戲的孩子有持續玩過兩個小時以上,玩得越久代表引起的學習動機越強烈。」

了解背後的意義才是學科學

然而,有時在做完實驗後,學生只會記得當時看到的實驗結果或現象,卻沒有把背後的邏輯和原理帶走,關於這部分,嚴天浩分享,「玩實驗」和「學科學」最大的差別在於,是否了解每個步驟的意義,如同以往「食譜式實驗」,照著課本一步一步做,卻不知道為什麼這麼做。

因此,他們把演示型實驗設計成遊戲,將探究歷程拆分成關卡,透過與 NPC 對話帶領玩家思考,並預想玩家可能卡關的地方,就像是在蓋房子時的鷹架,一層層建構、支持,逐漸將學習的責任放回孩子身上,傳統課堂中搭鷹架的角色可能是老師,而在這個遊戲裡,是精心設計過的關卡提示。

讀到這裡,或許你會想問,在探究式的學習中,真的能夠學會「像科學家一樣思考」嗎?

「我認為探究學習中,知識其實只是附帶的。」嚴天浩解釋:「我們想告訴孩子的是,科學家最厲害的並不是他成功發現了什麼,而是他在失敗了那麼多次之後,還是願意繼續努力。」

如果現在的台灣是二十年前教育的結果,那麼 LIS 正在改變的是二十年後的台灣,那時的每個人在面對問題時都能有邏輯地看待、抱著自信的態度去解決,這是 LIS 的憧憬,也是我們對於台灣未來世代的期盼。


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