利用ＥＳＰ３２和Ｐｈｙｐｈｏｘ重構(gòu)“超重和失重”教學(xué)

摘" "要：在“超重和失重”的教學(xué)中，出現(xiàn)了研究對象的模糊、迷思概念的影響、測速工具的制約和已學(xué)規(guī)律的暗示等問題。將信息技術(shù)應(yīng)用于“超重和失重”教學(xué)，可以提升教師的教和學(xué)生的學(xué)的效能。通過ＥＳＰ３２采集力和Ｐｈｙｐｈｏｘ測量智能手機速度，深研“蹲下與站起”時智能手機的ｖ－ｔ與F－ｔ圖像、ａ－ｔ與F－ｔ圖像，并重構(gòu)“超重和失重”教學(xué)流程。構(gòu)建信息技術(shù)支撐的新型教與學(xué)流程與評價指標(biāo)體系，從“以評優(yōu)教、以評促學(xué)、以評創(chuàng)和”方向?qū)π畔⒓夹g(shù)應(yīng)用進行規(guī)范引導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：超重和失重；Ｐｈｙｐｈｏｘ；重構(gòu)教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2025）3-0080-5

隨著我國邁入教育信息化“３．０時代”，以數(shù)字化為代表的教育信息技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，而且已經(jīng)呈現(xiàn)燎原之勢［１］，從高中物理必修一第四章第６節(jié)的“超重和失重”教學(xué)設(shè)計便能可見一斑。探究超重、失重條件與規(guī)律的技術(shù)有智能手機［２］、ＤＩＳ實驗裝置［３－４］以及自主設(shè)計“數(shù)字化”體重計［５］或電梯模型［６］等，這些技術(shù)的應(yīng)用不同程度提升了教師的教和學(xué)生的學(xué)的效能。

１重構(gòu)緣起

１．１研究對象的模糊

在以學(xué)生為研究對象描述“蹲下與站起”運動時，由于身體各部分運動的差異，難以準(zhǔn)確描述學(xué)生運動過程中的速度和加速度。當(dāng)以身體重心為研究對象時，蹲下與站起過程中的身體姿勢變化也會導(dǎo)致重心的變化，使得重心運動的速度和加速度難以準(zhǔn)確測量。因此，利用體重計或力學(xué)傳感器研究“蹲下與站起”過程中的體重變化時，研究對象是明確的；而在研究速度和加速度時，研究對象卻顯得模糊，需要改進活動設(shè)計，以確保研究過程中的對象清晰明確。

１．２迷思概念的影響

迷思概念是指學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)知識的不同階段（前、中、后）所形成的不完整或錯誤的認(rèn)識，這些認(rèn)識與科學(xué)概念存在差異［７］。學(xué)生在“蹲下與站起”的過程中，由于體驗的影響，容易產(chǎn)生速度與失重現(xiàn)象之間的直接相關(guān)性迷思。傳統(tǒng)的解答方法認(rèn)為，蹲下過程的初始和末尾速度均為零，而運動過程中存在速度。因此，可以推理出蹲下過程是先向下加速，后向下減速；同樣，站起過程也可以推理為先向上加速，后向上減速。結(jié)合體重計的讀數(shù)，向下運動時的示數(shù)先減小后增大，向上運動時的示數(shù)則先增大后減小。因此，可以推論出速度與失重之間沒有直接相關(guān)性。然而，這種推理僅是定性分析，缺乏定量論證的支持。

１．３測速工具的制約

研究文獻指出，任虎虎老師讓學(xué)生站在體重計上進行“蹲下與站起”活動，并通過智能手機投屏軟件展示體重計指針的變化［３］。韋葉平老師則采用智能手機逐幀播放的方式呈現(xiàn)示數(shù)變化［２］。學(xué)生通過觀察總結(jié)發(fā)現(xiàn)，緩慢下蹲和起立時示數(shù)保持不變，而正常下蹲時示數(shù)先減小后增大，正常起立時示數(shù)則先增大后減小。由此推理出，失重現(xiàn)象與速度之間沒有直接相關(guān)性。然而，該過程缺乏定量研究的主要原因在于測速工具的限制。在高中階段，速度的測量主要依賴打點計時器和光電門，這兩種工具難以實時測量“蹲下與站起”過程中的速度變化，因此需要開發(fā)新的測速工具。

１．４已學(xué)規(guī)律的暗示

學(xué)生在學(xué)習(xí)“超重和失重”規(guī)律之前，已對牛頓第二定律有較深入的理解，尤其是力與加速度之間的關(guān)系。在組織學(xué)生探究超重、失重現(xiàn)象的產(chǎn)生條件時，學(xué)生容易受到先前學(xué)習(xí)內(nèi)容的影響，聯(lián)想到加速度相關(guān)的概念。一些教師在教學(xué)設(shè)計中也受到這種規(guī)律的暗示，導(dǎo)致在教學(xué)過程中對超重、失重現(xiàn)象與速度關(guān)系的半定量或定量研究較少。教師常常從速度迅速過渡到加速度的探究，這可能使學(xué)生在面對復(fù)雜問題時傾向于采取簡單或忽視的處理方式。這不僅不利于提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，也不利于培養(yǎng)他們面對困難時的科學(xué)態(tài)度。

２突破方法

２．１ＥＳＰ３２采集力和Ｐｈｙｐｈｏｘ測量速度

實驗中，智能手機放置在自制測力計上，由學(xué)生手持測力計進行“蹲下與站起”運動。這樣，測量的是智能手機及手掌運動過程的速度，同時確保研究對象在全過程中清晰明確。自制測力計利用ＥＳＰ３２與力傳感器連接，并將采集的數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送給Ｐｈｙｐｈｏｘ，從而獲得手機視重的實時變化圖像。由于智能手機中沒有速度傳感器，Ｐｈｙｐｈｏｘ無法直接獲取速度信息。為了直觀展示“蹲下與站起”過程中的速度變化，Ｐｈｙｐｈｏｘ調(diào)用智能手機中的加速度傳感器以獲取運動過程中的實時加速度數(shù)據(jù)。通過Ｐｈｙｐｈｏｘ官網(wǎng)提供的在線軟件編輯器，對加速度進行積分運算，從而得到速度與時間關(guān)系的圖像。測量裝置的搭建流程如圖１所示，加速度積分運算程序的編輯如圖２所示，Ｆ－ｔ與ｖ－ｔ的同屏呈現(xiàn)如圖３所示。在圖３中，速度取正值表示方向向上，取負值表示方向向下。學(xué)生通過ｖ－ｔ圖像能夠?qū)崿F(xiàn)對“蹲下與站起”運動過程中速度變化的定量描述。

２．２深研ｖ－ｔ與Ｆ－ｔ圖像

通過組織學(xué)生觀察“蹲下與站起”過程的ｖ－ｔ圖像，可以得出以下結(jié)論：在蹲下過程中，速度先增大后減小；當(dāng)蹲下不動時，速度為零；在站起過程中，速度同樣先增大后減小，而站起不動時速度仍為零。進一步觀察“蹲下與站起”過程的Ｆ－ｔ圖像，可以發(fā)現(xiàn)：在蹲下過程中，先經(jīng)歷失重狀態(tài)，后進入超重狀態(tài)；當(dāng)蹲下不動時，視重等于重力；在站起過程中，先經(jīng)歷超重狀態(tài)，后進入失重狀態(tài)；當(dāng)站起不動時，視重同樣等于重力。從表１中可以看出，速度的大小與方向無法與超重、失重現(xiàn)象建立直接相關(guān)性。這一發(fā)現(xiàn)有助于解決學(xué)生基于體驗形成的關(guān)于速度與超重、失重現(xiàn)象直接相關(guān)的迷思概念。

２．３深研ａ－ｔ與Ｆ－ｔ圖像

在發(fā)現(xiàn)速度的大小和方向無法與超重、失重現(xiàn)象建立直接相關(guān)性后，教師引導(dǎo)學(xué)生從速度—時間圖線斜率的角度探究與超重、失重現(xiàn)象的關(guān)系，隨后自然而然地轉(zhuǎn)向研究加速度。具體而言，學(xué)生利用Ｐｈｙｐｈｏｘ軟件調(diào)用加速度傳感器，對“蹲下與站起”過程中加速度隨時間的變化進行實時繪圖。圖像中，正值表示加速度方向向上，負值表示加速度方向向下。同屏呈現(xiàn)的Ｆ－ｔ和ａ－ｔ圖像如圖４所示，學(xué)生可進行直觀對比和分析。為了便于比較，可以利用雙y軸坐標(biāo)系將兩圖疊加在一起，如圖５所示。由此可以得出，超重、失重現(xiàn)象與加速度的大小變化無直接相關(guān)性，但與加速度的方向存在直接相關(guān)，如表２所示。

３重構(gòu)教學(xué)

３．１任務(wù)驅(qū)動

基于上述研究，對“超重和失重”教學(xué)流程進行重構(gòu)，具體聚焦三項任務(wù)展開，流程如圖６所示。

任務(wù)一：如何測出你的體重。

通過實際任務(wù)，學(xué)生將理解體重計的測重原理，并區(qū)分視重與重力。同時，讓他們在體重計上進行“蹲下與站起”的體驗，以感受“超重和失重”現(xiàn)象，分析指針示數(shù)變化的力學(xué)原因。

任務(wù)二：探究“超重和失重”規(guī)律。

（１）實驗時，智能手機（質(zhì)量為０．１７２ ｋｇ）放置在自制測力計上，由學(xué)生手持自制測力計進行“蹲下與站起”運動（圖７）。學(xué)生分析ｖ－ｔ與Ｆ－ｔ圖像，探討速度變化、速度的方向和超重、失重情況，完成表１并進行全班交流；討論速度的大小和方向與超重、失重現(xiàn)象之間是否存在直接相關(guān)性，最終得出無直接相關(guān)性。教師隨后引導(dǎo)學(xué)生從速度—時間圖線斜率的角度探究與超重、失重現(xiàn)象的關(guān)系。

（２）組織學(xué)生根據(jù)ａ－ｔ和Ｆ－ｔ圖像分析加速度的大小變化和方向以及超重、失重情況，完成表２并進行全班交流，討論加速度方向與超重、失重現(xiàn)象之間是否存在直接相關(guān)性。

（３）在定量探究視重與加速度的關(guān)系時，導(dǎo)出實驗測得的Ｆ與ａ數(shù)據(jù)，利用Ｏｒｉｇｉｎ軟件同時繪制Ｆ－ａ關(guān)系的實驗點擬合的實驗線和基于牛頓第二定律推得的Ｆ＝ｍａ＋ｍｇ的理論線，并同屏呈現(xiàn)（圖８）。實驗數(shù)據(jù)擬合后為直線，其斜率為０．１７６ ９９，理論直線斜率為０．１７２（等于手機質(zhì)量），相對誤差約為２．９％，實驗直線截距為１．６５１ ５６，理論直線截距為１．６７５ ２８（當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋缛。梗罚春蟪艘允謾C質(zhì)量），相對誤差約為１．４％。數(shù)據(jù)分析表明，實驗線與理論線在誤差范圍內(nèi)重合，因此推理得出Ｆ與ａ之間的實驗規(guī)律與理論規(guī)律一致。

任務(wù)三：解釋航空航天和生活實際中的“超重和失重”現(xiàn)象。通過以航空航天為背景，設(shè)計與超重、失重相關(guān)的實際問題，例如，航天員在飛船發(fā)射、運行和著陸過程中的個人感受。組織學(xué)生運用超重、失重規(guī)律對這些問題進行解釋，深化他們對規(guī)律的理解，并提升遷移規(guī)律的能力。

３．２拓展研究

在定量研究物體的超重或失重時，先測量實驗手機的質(zhì)量ｍ，再導(dǎo)出Ｆ－ｔ圖像的數(shù)據(jù)，并利用Ｏｒｉｇｉｎ繪圖軟件繪制（Ｆ－ｍｇ）－ｔ圖像。同理，借助ａ－ｔ圖像數(shù)據(jù)繪制（ｍａ）－ｔ圖像。將這兩個圖像同屏呈現(xiàn)（圖９），在圖中，正值表示超重數(shù)值，負值表示失重數(shù)值。組織學(xué)生觀察這些圖像，并討論如何表達超重或失重的程度。通過交流和評估，學(xué)生可以得出結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，兩圖像重合。由此推導(dǎo)出物體超重或失重的數(shù)值為ｍａ，即物體質(zhì)量和加速度的乘積。

４評價設(shè)計

隨著信息技術(shù)與物理教學(xué)融合研究的深入，科學(xué)評估其效能有助于進一步優(yōu)化教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)，并營造和諧的教學(xué)生態(tài)。具體評估時，可以從以下幾個方面設(shè)計觀察點：信息技術(shù)與教學(xué)融合的深度，科學(xué)探究過程的優(yōu)化程度，推理論證的科學(xué)性，以及師生之間的和諧程度。在評估過程中，可以從以下維度進行多維度評估：優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，破解迷思概念，推動深度學(xué)習(xí)，提出物理問題，建構(gòu)物理模型，獲取與處理信息，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，推動質(zhì)疑與批判，新觀點的提出，推理論證的規(guī)范性、嚴(yán)密性和邏輯性，對話的輪次，協(xié)商與互助，互動的范圍等，如表３所示。

５反思與展望

重構(gòu)后的教學(xué)中，師生充分體驗到了信息技術(shù)帶來的便捷與高效。然而，如果缺乏科學(xué)評估和規(guī)范引導(dǎo)，可能會不知不覺地對技術(shù)產(chǎn)生依賴，進而逐步喪失批判性使用的能力。這可能導(dǎo)致技術(shù)的濫用、誤用或淺表使用，進而弱化師生之間以及學(xué)生之間的情感交流，削弱高階思維的培養(yǎng)效果。本文嘗試了從“以評優(yōu)教、以評促學(xué)、以評創(chuàng)和”的方向?qū)夹g(shù)應(yīng)用進行規(guī)范引導(dǎo)，但這樣的思考與研究仍處于起步階段，亟需更多同仁參與，進行持續(xù)深入的研究。

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（欄目編輯賈偉堯）

收稿日期：2024-03-12

基金項目：江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃重點課題“學(xué)科育人視閾下基于高中物理大概念的‘教學(xué)評’模式研究”（B/2022/03/84）。

作者簡介：朱?。?977-），男，正高級教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)、課程與教學(xué)論研究。