以實驗變式為手段培育學生核心素養(yǎng)
——以phyphox 軟件探究加速度與力、質量的關系為例

◎ 海南省文昌中學 傅啟地 林 豐

在高中物理實驗變式教學中，教師通過創(chuàng)設變式問題情境、改變實驗的條件和原理，拓展實驗內容，讓學生透過對象變化的非本質屬性認識到對象的本質屬性，是培養(yǎng)學生批判性思維和創(chuàng)新能力的重要手段。然而在教學實踐中，教師多以純書面形式的實驗變式教學活動，鮮少開展實踐類的實驗變式教學活動。隨著基礎教育改革的深入，以學科實踐作為學習方式變革的突破口，為核心素養(yǎng)時代回答學科如何育人問題提供了新的范式。以學科實踐活動為抓手，用實踐撬動傳統(tǒng)的坐而論道的教學方式，建立實踐型的新型育人方式，這既是新課標的內在要求，也是落實新課標的必然要求。

一、基于phyphox軟件的實驗變式教學的價值

縱觀物理學的發(fā)展史，伽利略開創(chuàng)了對近代科學發(fā)展極為有益的科學方法，其核心為將實驗和邏輯推理（包括數學演算）和諧地結合起來，“實驗＋邏輯推理”成為解決真實情境中的問題的一套典型做法，是物理學科實踐的重要表現形式，也是促使學科核心素養(yǎng)達成的重要手段。隨著信息技術與物理教學深度融合，數字實驗已成為物理實驗中不可或缺的內容，利用數字實驗系統(tǒng)可使很多難以測量或難以控制的實驗得以順利進行，也使得很多實驗的測量精度大大提升。然而專業(yè)化的數字實驗系統(tǒng)造價較高，在一定程度上又限制了數字化實驗的普及，造成師生無數字實驗可做的尷尬局面。可通過自制性價比較高的數字實驗解決上述問題，智能手機本身攜帶多種高精度傳感器，phyphox（物理實驗應用程序）軟件可將手機傳感器的數據可視化，二者的有機結合使得智能手機變成一個數字實驗系統(tǒng)，是制作性價比較高數字實驗的有效手段，以智能手機自制數字化實驗開展實驗變式教學活動，既是物理學科實踐的重要表現形式，又是培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)的重要途徑。

二、以智能手機自制數字實驗開展實驗變式教學活動的設計思路

基于逆向教學設計理論，教師根據預設的教學目標，考慮學生現有的認知水平，遵循學生的認知路徑，以學為中心創(chuàng)設變式問題情境，對教材中的實驗進行改進或重新設計新的實驗方案，引導學生利用智能手機和日常用品制作數字實驗所需器材，以“實驗+邏輯推理”的形式開展小組實驗探究活動，對探究結果進行交流和展示，通過活動評價診斷是否達成教學目標。

圖1 基于自制數字實驗的學科實踐活動設計思路

三、基于phyphox軟件的實驗變式的教學策略

1.以學為中心創(chuàng)設變式問題情境

在實驗變式教學中應考慮學生現有知識經驗基礎和認知水平，以學為中心創(chuàng)設變式問題情境，利用變式問題情境引發(fā)學生產生認知沖突，激活質疑批判思維，激發(fā)學生探究的熱情。

2.以自制變式數字實驗保障學科實踐活動的有效開展

數字實驗通過高精度的傳感器獲取實驗數據和可視化的軟件顯示數據，能夠有效獲得實驗數據，是有效開展學科實踐活動的基本前提和保障，根據研究問題的需要將智能手機和日常用品創(chuàng)造性地結合制作實驗教具，通過數字實驗的方式實現對傳統(tǒng)實驗的改進和創(chuàng)新。

3.重視實驗變式教學活動中的評價

一方面，評價可以由教師通過設計評價性的問題、課堂觀察等方式，對學生在學科實踐活動中解決問題的行為和終結性的報告進行過程性評價和總結性評價，診斷教學目標是否達成；另一方面，學生之間的相互評價，批判性看待同學的解決問題方案和呈現的研究成果，培養(yǎng)了學生批判性思維能力。

四、基于phyphox軟件的實驗變式教學設計與實踐

智能手機中搭載了多種高精度的傳感器，例如有加速度傳感器、磁力計、光傳感器等。本文以“加速度（不含g）”傳感器在探究加速度與力、質量關系的實驗中應用為例，實證變式數字實驗教學對培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)的作用。

1.教學目標

“實驗：探究加速度與力、質量的關系”的教學目標如表1所示。

表1 教學目標

2.以習題創(chuàng)設變式問題情境，提出實驗變式的需求

例題：如圖2所示，質量為m1的物塊A和質量為m2的物塊B，通過輕繩連接并懸掛在彈簧下方。開始時整個系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)，在某時刻剪斷兩個物塊間的輕繩，求此時物塊A所受合力？

圖2 例題圖

解析：在剪斷輕繩前，A物塊處于平衡狀態(tài)，設此時彈簧的彈力為F彈，對A物塊進行受力分析可得：F彈=m1g+m2g。在剪斷細繩的瞬間，A與B間的輕繩的彈力突變?yōu)?，由于彈簧的形變瞬間不變性，可知此瞬間彈簧的彈力不突變，對A物塊進行受力分析可得合力F=m2g。

創(chuàng)設實驗變式問題情境：在上述例題中，由于輕彈簧的彈力瞬時不突變和輕繩的彈力可瞬時突變，造成剪斷輕繩瞬間物塊A的合力發(fā)生突變，其加速度也發(fā)生突變。請以物塊A為研究對象，設計學科實踐活動方案，探究物塊A的瞬時加速度與瞬時合力、質量的關系。

3.設計和論證實驗方案

（1）測量物塊A所受合力的大小方案。

問題：如何測量剪斷輕繩瞬間物塊A所受合力的大??？

方案：剪斷輕繩瞬間，A所受合力為F=m2g，可由電子秤或天平測出物塊B的質量m2，再乘以實驗地區(qū)重力加速度的數值；或者由彈簧測力計直接測出物塊B的重力m2g。

論證方案的可行性：電子秤、天平和彈簧測力計是實驗室中常見物品，取材容易，通過搜索引擎能查到實驗地區(qū)的重力加速度的數值，兩個方案可行。

（2）測量物塊A質量的方案。

問題：如何測量物塊A的質量？

方案：可由電子秤或天平測出物塊A的質量。

論證方案的可行性：電子秤和天平均是常見物品，取材容易，方案可行。

（3）測量剪斷輕繩時物塊A瞬時加速度大小的方案。

問題：如何測量剪斷輕繩瞬間物塊A的加速度大小？

方案一：利用打點計時器或光電門通過間接的方式測量在剪斷輕繩瞬間物塊A加速度大小。

方案二：以智能手機作為物塊A，在智能手機phyphox軟件中選擇“加速度（不含g）”傳感器，通過加速度傳感器測量剪斷輕繩瞬間物塊A的加速度。

論證方案的可行性：為了探究在剪斷輕繩后多少時間內彈簧的形變量可近似認為不變，用智能手機、重物、彈簧、鐵架臺和不可伸長的輕繩等物品搭建例題中所示的模型，手機拍攝剪斷輕繩前后一段時間內的視頻，設置拍攝視頻的幀率為60FPS（畫面每秒傳輸幀數），通過視頻剪輯工具處理拍攝的視頻，并逐幀分析視頻的畫面。對比視頻第29幀（圖3）和第30幀（圖4）的畫面，發(fā)現物塊A在第30幀時開始出現輕微重影，但彈簧底端的箭頭可視為不動，在31幀（圖5）的畫面中發(fā)現彈簧底端的紅色箭頭有了明顯的位移，表明彈簧的形變已然發(fā)生明顯的變化。因此在第29—30幀的1/60s內，可認為彈簧的形變量保持不變，彈簧的彈力在這段時間內可視為不變。綜上所述，測量物體瞬時加速度的儀器，其數據采樣頻率應大于60Hz。

圖3 29 幀畫面

圖4 30 幀畫面

圖5 31 幀畫面

打點計時器和光電門是通過測量物體的位移和時間，間接計算出物體運動一段時間內的平均加速度。由于打點計時器打點的頻率為50Hz和光電門儀器大小的因素，導致該段時間大于上述實驗中的1/60s，加速度的數據采樣率小于60Hz，因此方案一不可行。

在phyphox軟件中加速度傳感器的數據采樣率最大可設置為500Hz，即1/500s測量一次加速度，因此加速度傳感器能夠測量出1/60s內加速度的大小。剪斷輕繩前，物塊A處于平衡狀態(tài)，加速度為零；剪斷輕繩的瞬間，物塊A的加速度將從零突增至某值，在加速度隨時間變化的圖像中可直觀看到圖線從橫軸處陡增至第一個波峰頂點，通過選取波峰點的數據，即可讀出剪斷輕繩瞬間物塊A加速度的大?。▓D6）。

圖6 加速度隨時間變化的圖像

4.以智能手機和日常用品自制數字實驗

以智能手機作為例題模型中的物塊A，小桶為物塊B；將彈簧的一端固定在鐵架臺上，另一端與智能手機相連接；將不可伸長的輕繩一端系在手機下端，另一端系在小桶上，整個裝置放置在豎直平面內。

5.以自制數字實驗開展實驗探究，基于實驗數據開展科學推理活動

采用控制變量法進行實驗，實驗一：控制手機質量m1不變，通過增加或減少桶內的物體質量m2改變手機所受的合力，記錄多組加速度a與合力F的數據如下：

（1）m2=0.28873kg，F=2.8256N，a=9.901m/s2；

（2）m2=0.22303kg，F=2.1826N，a=7.724m/s2；

（3）m2=0.14595kg，F=1.4283N，a=4.959m/s2；

（4）m2=0.08675kg，F=0.8490N，a=2.924m/s2；

（5）m2=0.05473kg，F=0.5356N，a=1.874m/s2。

利用電子表格作出加速度a隨合力F變化的圖像（圖7），由圖像可知在剪斷輕繩的瞬間，當手機質量不變時，其加速度與合力成正比，存在瞬時對應關系；實驗二：控制手機所受合力不變，往手機上貼鐵片改變手機的質量m1，記錄多組加速度隨質量變化的數據如下：

圖7 加速度a 隨合力F 變化的圖像

（1）m1=0.26382kg，1/m1=3.79046kg-1，a=3.210m/s2；

（2）m1=0.28356kg，1/m1=3.52659kg-1，a=2.911m/s2；

（3）m1=0.30413kg，1/m1=3.28807kg-1，a=2.725m/s2；

（4）m1=0.32451kg，1/m1=3.08157kg-1，a=2.573m/s2；

（5）m1=0.34452kg，1/m1=2.90259kg-1，a=2.446m/s2。

利用電子表格作出加速度a隨1/m1變化的圖像（如圖8），由圖像可知在剪斷輕繩的瞬間，當手機所受合力不變時，其的加速度與質量成反比。

圖8 加速度a 隨合力1/m1 變化的圖像

6.活動評價

在教學中教師對學生的行為表現和以小組為單位所作的匯報進行過程性評價和總結性評價；另一方面，開展學生之間相互評價活動，培養(yǎng)學生科學批判性思維能力。

基于智能手機結合日常用品自制數字實驗并開展物理實驗變式教學，在真實的問題情境下，學生以學科實踐的方式經歷了解決問題的全過程，在實驗探究中強化學生數據處理分析能力，啟發(fā)學生深度挖掘實驗中數據價值，促使高階思維的發(fā)生，讓學生在學科實踐中自主建構知識體系，培養(yǎng)實踐操作能力，提升科學思維能力，最終落實核心素養(yǎng)的培育。