線上線下協(xié)同教學(xué) 搭建新型“物理實(shí)驗(yàn)室”

吳 瑕 林冰冰 林振聲

（1.福州格致中學(xué)鼓山校區(qū)，福建 福州 350014；2.福建教育學(xué)院，福建 福州 350025；3.福州教育研究院，福建 福州 350001）

一、問題的提出

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)逐漸得到普及，而在智能手機(jī)中搭載的多種傳感器卻還未得到一線教師足夠的關(guān)注，在中學(xué)物理教學(xué)中也未得到足夠的開發(fā)使用。

線上教學(xué)期間，學(xué)生無法進(jìn)入學(xué)校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)科探究活動(dòng)，這無疑成為以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的物理學(xué)科教學(xué)中不可逃避的難題。為了使實(shí)驗(yàn)教學(xué)能順利開展，優(yōu)化線上物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，師生可以在利用智能手機(jī)中內(nèi)置的各種傳感器的基礎(chǔ)上，充分借助家中常見的生活化器具、電腦端軟件、虛擬實(shí)驗(yàn)室等，搭建屬于學(xué)生自己的家庭實(shí)驗(yàn)室，讓大多數(shù)學(xué)生主動(dòng)參與到探究過程中，力求達(dá)到與在實(shí)驗(yàn)室親歷做實(shí)驗(yàn)的相同探究效果，避免線上教學(xué)教一言堂談的弊端，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性和體驗(yàn)性，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

文章以德國亞琛工業(yè)大學(xué)發(fā)行的一款手機(jī)軟件“Phyphox”為例（中文名為“手機(jī)物理工坊”），分享筆者在線上教學(xué)期間，通過引導(dǎo)學(xué)生利用其中搭載的傳感器，自主開展對(duì)中學(xué)物理教學(xué)中“向心加速度”“角速度”“單擺周期”“重力加速度”等基本物理量的測(cè)量方案設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理等，從而實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的培育。

二、搭建新型“物理實(shí)驗(yàn)室”，探索信息技術(shù)支持下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)高中物理課程中的重點(diǎn)知識(shí)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)要求，在線上教學(xué)期間，師生借助智能手機(jī)內(nèi)置傳感器設(shè)計(jì)了若干線上物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生自主科學(xué)探究活動(dòng)，課程緊扣各個(gè)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法，每個(gè)實(shí)驗(yàn)單元課程分為“線上緒論課”“實(shí)驗(yàn)原理講解”“學(xué)生線下自主實(shí)驗(yàn)探究”“實(shí)驗(yàn)成果展示與交流”四個(gè)階段。文章選取其中三個(gè)實(shí)驗(yàn)課程為例，闡述如何利用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

（一）深化數(shù)形結(jié)合思想，體驗(yàn)物理關(guān)系量間的數(shù)學(xué)美——探究向心加速度和角速度的關(guān)系

在傳統(tǒng)的課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，探究向心加速度和角速度的關(guān)系通常使用向心力演示儀進(jìn)行半定量演示實(shí)驗(yàn)，大部分學(xué)生無法直接參與實(shí)驗(yàn)。利用智能手機(jī)應(yīng)用軟件Phyphox，教師可帶領(lǐng)學(xué)生直接參與到這項(xiàng)有趣的實(shí)驗(yàn)探究中去，讓學(xué)生成為探究活動(dòng)的真正主體。Phyphox 除了使用手機(jī)傳感器進(jìn)行直接的物理量數(shù)據(jù)采集以外，還將不同傳感器進(jìn)行整合，能實(shí)現(xiàn)相關(guān)物理量的同步測(cè)量，通過使用Phyphox 的“向心加速度”，能實(shí)現(xiàn)探究向心加速度與角速度兩個(gè)物理量的關(guān)系，并且可從采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖象顯示，實(shí)現(xiàn)物理量關(guān)系的可視化。

1.實(shí)驗(yàn)探究內(nèi)容：（1）探究a 與ω 的關(guān)系：使用Phyphox 的“向心加速度”，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，讓手機(jī)做圓周運(yùn)動(dòng)，保持轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不變，得出向心加速度和角速度二者關(guān)系曲線，初步猜想a 與ω2成正比。（2）通過平方作圖呈現(xiàn)的圖像，用更多工具中的“線性擬合”，呈現(xiàn)出過原點(diǎn)的直線，可以說明a 與ω2成正比。

圖1 利用生活中常見的圓周運(yùn)動(dòng)（自行車輪、風(fēng)扇扇葉）實(shí)驗(yàn)

2.學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果：學(xué)生充分利用家中可以做圓周的運(yùn)動(dòng)的器材（如自行車輪、風(fēng)扇、洗衣機(jī)滾筒、轉(zhuǎn)椅等）自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行測(cè)量（圖1）。部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)所采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重離散（圖2），經(jīng)教師引導(dǎo)分析，其原因是轉(zhuǎn)動(dòng)過程中手機(jī)不穩(wěn)定而導(dǎo)致的圓周運(yùn)動(dòng)半徑發(fā)生改變。通過調(diào)整改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，固定好手機(jī)，讓實(shí)驗(yàn)器材穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速由慢到快逐漸變化，在手機(jī)上記錄下數(shù)據(jù)點(diǎn)（圖3）。用“線性擬合”，將數(shù)據(jù)處理成一條直線（圖4），在誤差允許范圍內(nèi)，圖像是一條過原點(diǎn)的直線，即a 與ω2成正比。擬合曲線的方程截距比較小，可以忽略不計(jì)；線性擬合方程的斜率是一個(gè)長度單位。學(xué)生思考斜率的物理意義，猜想可能是手機(jī)做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑。學(xué)生繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)軸到手機(jī)中心的距離，發(fā)現(xiàn)與斜率接近，考慮到手機(jī)陀螺儀的位置可能不在測(cè)量點(diǎn)上，有幾厘米的偏差，再進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，即可斷定斜率就是手機(jī)陀螺儀的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：向心加速度的表達(dá)式為a=rω2。

圖2 測(cè)量點(diǎn)出現(xiàn)離散 圖3 改進(jìn)后的數(shù)據(jù)點(diǎn) 圖4 線性擬合

圓周運(yùn)動(dòng)向心力教學(xué)中的難點(diǎn)是探究向心加速度與角速度的關(guān)系，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器只能實(shí)現(xiàn)半定量測(cè)量，而學(xué)校的DIS 系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量有限，也無法讓每個(gè)學(xué)生都參與實(shí)驗(yàn)。而手機(jī)內(nèi)置的加速度計(jì)解決了這一難題，學(xué)生可以利用智能手機(jī)，以家中不同的生活化器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，并從定性粗略測(cè)量中猜想兩個(gè)物理量之間的關(guān)系，再通過細(xì)化實(shí)驗(yàn)方案做到精確定量探究，完整體驗(yàn)到物理實(shí)驗(yàn)探究過程中數(shù)－理結(jié)合的重要性以及物理關(guān)系量間精準(zhǔn)描述的科學(xué)性。手機(jī)讓實(shí)驗(yàn)日?；?，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感悟數(shù)形結(jié)合的思想，發(fā)現(xiàn)物理數(shù)學(xué)之美。

（二）親歷問題發(fā)現(xiàn)，感悟嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)態(tài)度——利用單擺測(cè)重力加速度

利用單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)是高中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)單擺周期的決定因素，學(xué)習(xí)用不同方法測(cè)重力加速度。學(xué)生以手機(jī)和繩子自行組合成實(shí)驗(yàn)用的單擺，利用手機(jī)程序Phyphox中的“加速度”進(jìn)行測(cè)量，測(cè)定不同擺長下的單擺周期，教師指導(dǎo)學(xué)生使用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.實(shí)驗(yàn)探究內(nèi)容：（1）學(xué)生利用家中器材自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置（圖5），固定懸點(diǎn)，固定好裝置；打開并運(yùn)行Phyphox“加速度（不含g）”或“陀螺儀”，讓手機(jī)小角度擺動(dòng)（近似簡諧運(yùn)動(dòng)）。手機(jī)記錄下a-t 某一方向的圖像，根據(jù)峰值與峰值間的時(shí)間間隔，得出單擺運(yùn)動(dòng)周期T（圖6）。（2）測(cè)出單擺的擺長l，由單擺的周期公式T=，可得g=4π2/T2，即可計(jì)算出重力加速度。改變擺長，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。（3）由數(shù)據(jù)得T2-l 圖像，擬合得到線性直線，分析T 與l 的關(guān)系；根據(jù)直線的斜率k，由g=4π2/1 計(jì)算出重力加速度，查詢福州重力加速度的值，進(jìn)行誤差分析［1］。（4）交流討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分享活動(dòng)心得。

圖5 學(xué)生設(shè)計(jì)的單擺裝置

圖6 手機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)

2.學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果：以一位學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例（圖7），用計(jì)算法算出的重力加速度平均值為9.717m/s2；擬合直線的截距0.0173，幾乎可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為是一條過原點(diǎn)的直線，證明在誤差允許范圍內(nèi)，單擺的周期的平方與擺長時(shí)成正比。擬合直線的斜率為0.0403，通過計(jì)算可得g=9.7961m/s2。通過查詢可知，福州地區(qū)的重力加速度大約為9.7916m/s2。由實(shí)驗(yàn)可以看出，用該實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出的重力加速的值非常接近當(dāng)?shù)刂亓铀俣?。學(xué)生在交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)用不同手機(jī)（質(zhì)量不同）能得出相同的結(jié)論，間接驗(yàn)證了單擺周期與質(zhì)量無關(guān)。

在該實(shí)驗(yàn)探究過程中，教師通過學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)視頻和數(shù)據(jù)結(jié)果，線上指導(dǎo)學(xué)生分析誤差原因，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和操作進(jìn)行改善，以求實(shí)驗(yàn)的精確度和真實(shí)性。學(xué)生經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計(jì)方案、收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、交流討論等科學(xué)探究過程，理解科學(xué)探究的目的和意義，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)態(tài)度。

圖7 學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和T2-l 圖像

（三）打破認(rèn)知誤區(qū)，體驗(yàn)物理如何走向生活——用Phyphox 探究升降電梯運(yùn)行規(guī)律

在超重和失重課堂教學(xué)中，通常通過觀察升降梯中的秤的讀數(shù)變化進(jìn)行分析，得出超重和失重的力學(xué)原理，再使用DIS 拉力傳感器對(duì)豎直上下運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在計(jì)算機(jī)中呈現(xiàn)拉力隨時(shí)間變化圖像，以此來判定運(yùn)動(dòng)的物體是處于超重還是失重狀態(tài)。在線上教學(xué)期間，教師同樣可以利用智能手機(jī)的加速度傳感器并結(jié)合Phyphox，引導(dǎo)學(xué)生自行對(duì)電梯的上行和下行的加速度進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，并通過分析測(cè)量數(shù)據(jù)，了解電梯的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律，再進(jìn)一步對(duì)照我國乘客電梯技術(shù)參數(shù)表，就可以將測(cè)量結(jié)果用以檢測(cè)自己住所電梯的運(yùn)行是否正常。

1.實(shí)驗(yàn)探究內(nèi)容：（1）選擇一部電梯，在電梯中將手機(jī)緊貼電梯的墻壁上，調(diào)整手機(jī)方位使手機(jī)的長邊在豎直方向上（圖8）。運(yùn)行Phyphox 的加速度（不含g），選擇樓層啟動(dòng)電梯，手機(jī)記錄電梯加速度變化曲線，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖9）［2］。（2）觀察手機(jī)中加速度時(shí)間圖像，分析電梯在上行或者下行過程中的運(yùn)動(dòng)情況和加速度變化情況。（3）家中沒有電梯的學(xué)生，進(jìn)行下蹲和站起實(shí)驗(yàn)，分析這兩個(gè)過程的運(yùn)動(dòng)情況。（4）對(duì)比不同電梯的加速度時(shí)間圖像（圖10），交流討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分享活動(dòng)心得。

圖8 在電梯中實(shí)驗(yàn)

圖9 加速度－時(shí)間圖像1

圖10 加速度－時(shí)間圖像2

2.學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果：學(xué)生由電梯加速度—時(shí)間圖像（y 軸為線性加速度）可以判斷：當(dāng)電梯從一樓到五樓（或其他樓層）的過程中，電梯先做加速度增大再減小到零的加速運(yùn)動(dòng)；加速過程結(jié)束后以最大速度勻速上升運(yùn)動(dòng)；即將達(dá)到預(yù)定樓層前，電梯做加速度先增大再減小到零的減速運(yùn)動(dòng)，最后到達(dá)預(yù)定樓層的瞬間，速度減小為零，停止運(yùn)動(dòng)。學(xué)生對(duì)比不同地點(diǎn)的電梯發(fā)現(xiàn)加速度時(shí)間圖像有所不同，說明不同電梯在運(yùn)行過程中的動(dòng)力不同，影響乘坐電梯的舒適程度。對(duì)照我國乘客電梯技術(shù)參數(shù)表，學(xué)生就能從中了解到與電梯相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以用以檢測(cè)電梯的運(yùn)行是否正常。

通過該實(shí)驗(yàn)探究對(duì)圖像信息的分析，學(xué)生體會(huì)到數(shù)形結(jié)合思想在物理實(shí)驗(yàn)中的重要應(yīng)用。通過精細(xì)化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，打破學(xué)生的認(rèn)知誤區(qū)，讓學(xué)生意識(shí)到，科學(xué)探究是獲取科學(xué)知識(shí)的重要途徑。學(xué)生還能利用相同方式分析家庭汽車、公交車、地鐵等交通工具的運(yùn)行特點(diǎn)和性能，真正體驗(yàn)到物理是如何走向生活中。

三、新型“物理實(shí)驗(yàn)室”，多維度引領(lǐng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)變革

（一）信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)教學(xué)方式多元化

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要通過創(chuàng)設(shè)情境、實(shí)驗(yàn)探究、交流討論等來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。在傳統(tǒng)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生通常是在教師設(shè)定好的特定實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)步驟下進(jìn)行，這對(duì)學(xué)生進(jìn)行真正的科學(xué)探究訓(xùn)練存在一定的限制。將信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行深度融合，將智能手機(jī)應(yīng)用程序運(yùn)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以使測(cè)量數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，方便快捷地收集大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，更可以進(jìn)一步直接展示以圖形圖像等，從而優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果，增強(qiáng)探究的有效性。而師生可以把實(shí)驗(yàn)室從學(xué)?！鞍帷钡綄W(xué)生的手機(jī)里、電腦上、家庭中，線上和線下相結(jié)合，共同豐富中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法。

（二）智能手機(jī)輔助科學(xué)探究，加強(qiáng)線上教學(xué)有效性

學(xué)生利用手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能打破時(shí)空的局限，就地取材，隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將老師和家長嚴(yán)防死守的智能玩具巧妙地轉(zhuǎn)化為一個(gè)便攜式的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室，成為線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效輔助手段。學(xué)生在這種“便攜式的實(shí)驗(yàn)室”中，培養(yǎng)動(dòng)手能力、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和科學(xué)思維能力，使得學(xué)習(xí)更具靈活性、自主性、個(gè)性化，有效提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（三）新型實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)模式，有效提升學(xué)科素養(yǎng)

以手機(jī)、平板等智能產(chǎn)品搭建的新型“物理實(shí)驗(yàn)室”推動(dòng)著學(xué)生的學(xué)習(xí)模式發(fā)生轉(zhuǎn)變。手機(jī)APP 的應(yīng)用降低了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)門檻，讓物理實(shí)驗(yàn)走進(jìn)學(xué)生的日常生活［3］，使實(shí)驗(yàn)更加“親民”。學(xué)生根據(jù)自身生活中實(shí)地情況和問題，在實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)符合自身實(shí)際情況的合理實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)會(huì)采集和分析數(shù)據(jù)的方法，并且能根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況進(jìn)行拓展研究，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步將實(shí)驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用到實(shí)際生活問題解決和探究上，真正體驗(yàn)到物理是如何走向生活。