智能手機傳感器在小學科學探究教學中的應用*

吳向東

（吳向東：華南師范大學附屬小學 特級教師 廣東廣州 510631 責任編輯：張海新）

隨著智能手機的發展，帶有傳感器的微機電系統（MEMS，Micro-Electro-Mechanic System）的應用已非常普及，微機電系統的功能越來越豐富，給智能手機用戶帶來了前所未有的體驗。傳感器是指能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置。微機電系統是指尺寸在幾厘米以下的微小集成裝置，主要由微型傳感器、執行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信和微能源等組成。其中集成的微型傳感器如陀螺儀、光線感應器、重力感應、距離感應、電子羅盤、氣壓計、麥克風和攝像頭等提供的豐富的測量數據可以在手機上產生許多功用。相比于目前被廠商稱為“數字化探究實驗室”的實驗教學用傳感器，使用方便且廉價——有手機就有了眾多的傳感器，應用起來相當方便。而一套“數字化探究實驗室”往往要花費數萬元，雖然功能更有指向性，但操作稍顯復雜，不如手機傳感器更容易普及。

但是，一些教師在應用手機傳感器于小學科學探究教學的過程中，出現了一些新的問題。本文是我們多年實踐的總結經驗，旨在提高手機傳感器在小學科學教學中的應用效果。

一、在探究目標上，要滲透計算思維的教育

在當今數字化設備日益融入生活的方方面面的情況下，華裔計算機科學家周以真提出每一位學生不僅要具備閱讀、寫作和算術（Reading，wRiting，and aRithmetic——3R）的能力，還要學會計算思維。正如印刷出版促進了3R的普及，數字化或曰計算設備也以類似的正反饋促進了計算思維的傳播。周以真認為，計算思維是人類求解問題的一條新的途徑，結合計算設備的優勢，我們可以用自己的智慧去解決那些在計算時代之前不敢嘗試的問題，實現“只有想不到，沒有做不到”的境界。計算思維已經被美國K-12科學教育框架和新一代科學教育標準納入為“科學與工程實踐”中的一個重要內容，我們在需要把它作為科學教育的一個新的目標滲透到探究教學中。

比如測量心率，在小學科學教材中一般采取數脈搏的方式。但利用手機攝像頭同樣可以起到監測的效果。在應用商店里可以下載“我的心跳”，該軟件是通過監測面部的微弱顏色變化規律來測量心跳速率的。其原理是，心臟收縮時會擠壓出大量血液，面部皮膚顏色變深，心臟舒張時，血流減少，面部皮膚顏色變淺，這種微弱的變化是人眼無法識別的，但通過對攝像頭的成像分析，卻可以把這種微弱的變化區分出來。還有一個應用類似原理的來測量心跳速率的應用軟件Cardiograph，將攝像頭貼著食指頭，測量時手機會自動打開LED燈照射，皮下的血流隨心臟收縮和舒張而產生顏色深淺的變化，從而獲取心跳的速率。這兩款軟件與醫院臨床應用中監測心跳的儀器的算法是一致的，從應用中可以讓學生感受到新的解決問題的方式，受到計算思維的潛移默化的教育。

再如認識星座。傳統的方式是要有懂得星座的人指著天上的星星來教?，F在，在手機中安裝星圖軟件如星圖（Star Chart）或Google星空等即可直接講解。這些軟件的原理是，利用GPS定位手機持有人的地理位置，再結合磁場傳感器的修正，獲取陀螺儀測得的手機屏幕指向方位的數據，確定手機屏幕背對著的天空方向，實時顯示這個方向的星座，也就是說，屏幕上顯示什么星座，順著屏幕的方向望向星空就可以看到什么星座。所以到了野外，即便身邊沒有認識星座的人，也可以自己用手機去認識星座了。這些軟件也體現了用計算思維解決問題的方式。

當然，對于真正地用計算思維解決問題來說，小學生還難以達到抽象出計算模型并自己設計數字產品解決問題的程度，但這些應用軟件的常態化使用，會起到一定的潛移默化的作用，讓學生從小就知道如何應用現有的數字或計算設備去巧妙地解決現實問題。

二、在探究內容上，要超越傳統的教材設計

手機傳感器的應用對于傳統的教材內容來說是全新的，相應地，一些新的教學內容需要得到補充，教材的內容設計也需要重新設計。

1.傳感器原理要納入教學內容。要將手機傳感器應用于科學探究，就需要讓學生大致懂得傳感器的原理，以及應用軟件是如何利用傳感器的。曾經有老師用Google星空教學生認星座，當學生打開軟件舉起手機屏幕時，每個人看到的星圖竟然相差很大，致使課堂難以繼續開展下去。這主要是老師沒有搞清楚Google星空設計的原理造成的。這節課是在室內進行的，因無法獲得GPS衛星定位的數據，此時需要在該軟件的設置里輸入當地的經緯度，如廣州、佛山可以輸入緯度值+23，經度值+113，還需要在設置里選擇磁力修正，甚至在空中劃8字校準羅盤。有些智能手機由于缺少相應的傳感器或者因質量問題，也會導致無法準確顯示星空的問題。所以，教師和學生只有都對手機傳感器的知識有一定的了解，知道該軟件應用的大致設計原理時，才好方便用它。

2.新的物理量要增加進教材。比如測量材料的隔音效果，要讓學生知道噪音的單位分貝 （dB），以及不同環境的噪音強度大致是什么范圍，多大的噪音會對人體健康產生什么影響。再比如測量光照強度 （照度），要知道其單位勒克斯 （Lux或Lx）、黑暗處和正午陽光直射時的照度范圍。

3.重新設計教材內容。將手機傳感器納入教學內容，為傳統實驗條件而設計的教材就需要做相應的重新設計。比如在比較電磁鐵磁力的大小的實驗中，同樣的電磁鐵每次能吸引的回形針數量往往是不一樣的，甚至會有不小的差異，我們可以教學生嘗試用Smart Tools（智能工具箱）軟件，接近電磁鐵的兩極測量比較磁場強度的大小來進行區分。又如學生相當喜歡有關星座的教學內容，但有些版本的教材認為星座教學難教就刪減得較嚴重，現在有了Google星空和星圖Star Chart這樣的軟件應用，讓學生認識星座、學習天象觀測就變得相當容易。實際教學中，這部分的教材內容完全可以根據這些軟件應用進行重新設計。再如，教材中有關食物營養、飲食和運動健康方面的內容往往是分開設計的，估算攝取的食物熱量和運動消耗熱量方面的內容更是缺乏的，但這些內容對于學生控制體重、避免肥胖是有實際意義的，結合大卡運動、咕咚運動這類應用軟件，我們可以將這些內容綜合起來進行教材設計，讓學生通過體驗活動，親身感受多少運動可以消耗多少熱量，讓學生初步學會規劃健康的生活方式。

三、在探究形態上，要注重定量研究和統計分析

1.轉變當前科學教學中定性研究多、定量研究少的狀況。手機傳感器為定量研究提供了新的條件，一方面需要學生注重將觀察結果用物理量來表示，另一方面還要讓學生學會將一些難以直接觀察的物理量轉化為其它物理量來間接反映。比如池塘水和珠江水在玻璃杯中很難用肉眼分辨出哪一個雜質少、哪一個更干凈，我們可以啟發學生轉化一下思路，用一個手機的手電筒 （應用商店里有這類功能的軟件應用）透過水照射另一個手機的光線傳感器的方法，通過比較兩者的照度值來做出區分，照度值低說明更渾濁，其中的雜質多，可能更不干凈。“轉化”是科學研究的重要思想，比如對獲得了諾貝爾獎的希格斯粒子的發現并不是直接觀察的結果，而是根據質子在接近光速的高速對撞時產生的特征信號進行大量觀察統計而獲得驗證的。

2.注意讓學生理解基本統計量的意義。測量了物理量，還必須能對物理量做力所能及的統計分析，讓學生正確理解實驗誤差和平均數的意義。在小學甚至初中的科學教材中，只涉及到了反映數據的集中量平均數，沒有涉及到反映數據離散量的標準差，標準差的學習要到高中數學的統計部分才學，這就給學生統計分析數據帶來了問題，學生只知道求多次測量的平均數來作為最終測量值，但不知道為什么要這樣做，不知道平均數的統計意義，也造成了難以真正理解誤差。希格斯粒子的發現是對數以萬億記的撞擊數據進行統計分析，發現在質量125～126G伏左右出現了特征信號，置信度大于99.99994%，達到了5個標準差，從而確認了希格斯粒子的存在。懂得了這個道理，建議教師在指導學生測量前，多提醒嚴格控制實驗條件，以減少誤差；如果多次測量的值相差較大，說明誤差大，實驗控制可能出現了問題，要重新改進實驗；在正式測量前要多練習，在熟練了后再取測量值，增加測量的可信度，等等。此外，諸多軟件應用在測量時會實時繪制曲線圖，教學生根據曲線圖進行分析也是一個重要的學習內容。

3.初步學習應用統計建立科學模型。為什么醫學上把人在安靜時的正常心率范圍定在60～100次/分鐘？教學時，可以讓學生先安靜下來，然后用“我的心跳”等軟件應用或結合數脈搏來測量，然后匯總每個人的心率在EXECL中繪制成散點圖或條形圖，看每個人的心跳是否集中在60～100次/分鐘的范圍，大多數同學的心率又集中在什么范圍，從而建立清晰的模型，理解醫學上的正常心率范圍是怎么來的?？茖W模型往往離不開數學的表征，這也是定量研究的精髓所在。

四、在探究設計上，突出其優勢，改善概念理解和解決方案的設計

按照美國K-12科學教育框架和新一代科學教育標準，科學學習可以分為科學和工程兩大部分?？茖W強調回答為什么，尋求對問題的解釋，以使學生形成科學概念。工程強調回答怎么做，尋求對難題的解決方案，以培養學生的實踐能力。在教學設計時，教師要注意這兩者的區別，采取不同的策略將傳感器納入到教學活動中。

1.用測量數據讓學生正確認識事實。在學習眼的結構和功能時，教材上一般有讓學生觀察不同亮度的光線下瞳孔放大縮小的內容，學生會以為人眼對亮暗環境變化的適應是瞳孔的功能，與其它結構無關，從而容易形成前概念。如果我們打開手機光線傳感器，讓學生從黑暗到幾十LUX的地方走到太陽下上萬LUX的地方，學生會對如此巨大的照度差異感到驚奇，從而產生疑問：僅僅一個瞳孔就能起到全部的自適應作用嗎？其實視網膜本身就有調節功能，它與瞳孔是相互配合的。再舉一例，學生對紅外線、紫外線等的認識由于受肉眼的“限制”，往往僅存在于想象中，我們可以用攝像頭對光譜的寬廣感應能力，讓學生“看見”遙控器發出的紅外線，有利于學生對光形成更豐富的認識。

2.用動態圖示減輕認知負荷，避免形成前概念。學生對聲音的大小和高低很容易混淆，認為聲音越大也會越高或者相反，這是常見的關于聲音的前概念。為了避免讓學生形成這個前概念，可以借助Oscilloscope（示波器），讓學生對著麥克風如音樂課練聲時那樣持續發出不同的a聲，通過觀察波形的變化來理解什么是聲音的大小和高低，以及它們之間的區別。

3.用精確數據讓學生獲取反饋和檢驗工程成效。手機傳感器測量的數值與僅憑感官感受相比，具有無與倫比的精度，用在檢測工程成效時可以減少感官的“誤判”。在進行隔音裝置的設計時，為弄清隔音裝置的效果，可以讓學生打開Smart Tools（智能工具箱）中的聲級計，將手機放入隔音裝置中靜置一段時間，然后看聲級計上顯示的最低值和記錄曲線，檢驗隔音的成效，為進一步的改進提供證據，同時也為評價最終設計的成效提供精確的證據，避免傳統實驗條件下“靠耳朵聽”的不準確。

①吳向東.數字時代的科學教育——鳶尾花（IRIS）數字化探究之旅 〔M〕.廣州：華南理工大學出版社，2012.