基于移動終端的高中物理自主探究實驗教學(xué)設(shè)計與案例研究

林蕓　陳翠　邱雯雯

摘 要：利用移動終端開展高中物理自主探究實驗，旨在幫助學(xué)生將具體的物理知識、抽象概念轉(zhuǎn)化為實際的動手實踐并進行本質(zhì)探究，充分感知物理現(xiàn)象，完成物理規(guī)律的構(gòu)建，切身感受物理學(xué)科的魅力.本研究建立在以移動終端為載體的高中物理自主探究實驗開發(fā)與設(shè)計的基礎(chǔ)上，為教師們提供實驗方案和設(shè)計思路，為學(xué)生們提供實驗資源和實驗方法，以期為推動高中物理實驗教學(xué)方式和教學(xué)評價等方面的改革開辟一條新路徑.

關(guān)鍵詞：移動終端;高中物理;自主探究實驗;教學(xué)設(shè)計;實驗案例

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）01-0034-06

作者簡介：林蕓（1986-），女，碩士，中學(xué)一級教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué);

陳翠（1987-），女，碩士，中學(xué)二級教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué);

邱雯雯（1994-），女，本科，中學(xué)二級教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

2020年初，新冠肺炎突如其來，擾亂了人們正常生活和學(xué)習(xí)的步伐.疫情防控期間，全世界首次大規(guī)模地采用在線教學(xué)模式，這是一場前所未有的教育教學(xué)變革.在線教學(xué)打破了傳統(tǒng)課堂中物理空間和時間的限制，讓學(xué)習(xí)活動可以更加自由地進行.疫情之后，教師和學(xué)生一定會以新的視角來看待以往的課堂教學(xué).物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗是物理發(fā)展的源泉，也是認(rèn)識物理、學(xué)習(xí)物理的基礎(chǔ)，在幫助學(xué)生理解物理規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力方面具有不可替代的教育功能和重要作用.物理實驗教學(xué)不同于理論課程教學(xué)，更強調(diào)學(xué)生的動手操作[1].將理論學(xué)習(xí)與動手操作相結(jié)合，是優(yōu)化物理實驗教學(xué)、提高實驗教學(xué)有效性的關(guān)鍵.目前，搭載著由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和相關(guān)數(shù)字化系統(tǒng)軟件（APP）組成的移動終端（如智能手機、平板電腦），具有體積小、攜帶方便，以及采集數(shù)據(jù)高效、精確等優(yōu)點，能幫助學(xué)生更好地從具體經(jīng)驗到抽象概念、規(guī)律的構(gòu)建，以全新的面貌呈現(xiàn)出物理實驗教學(xué)的新趨勢.

1 實驗設(shè)備

實驗教學(xué)首先要解決實驗設(shè)備的獲取問題，尤其是物理量的測量問題.由于許多傳統(tǒng)物理實驗需要在實驗室進行，不僅取材不易，還受到空間和時間的限制，學(xué)生無法隨時隨地開展實驗.因此，我們需要轉(zhuǎn)變思路，盡可能地利用身邊易得的器材來設(shè)計并完成實驗.本文的實驗器材，主要指移動終端和簡單實驗器材兩部分.實驗器材可以就地取材，鼓勵學(xué)生利用智能手機、平板電腦和身邊的簡單材料對物理問題進行探究，增進學(xué)生對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)、進行探究現(xiàn)象本質(zhì)的能力，激發(fā)學(xué)生對于物理的興趣.

移動終端，也叫移動通信終端，是指可以在移動中使用的計算機設(shè)備，廣義上包括手機、筆記本電腦等.但是，大部分情況下是指具有多種應(yīng)用功能的智能手機以及平板電腦，它們具有強大的信息處理能力，可以查資料、拍照、播放視頻（音頻）等等[2].更重要的是，隨著科技的發(fā)展，許多精巧的傳感器開始被搭載于移動終端如智能手機或平板電腦之上，這些傳感器主要有加速度傳感器、重力傳感器、氣壓傳感器、聲音傳感器、光傳感器、磁感應(yīng)強度及角速度傳感器等，具有測量高度、加速度、磁場強度，記錄光強，接收并分析信號等大量實用功能，一般情況下，下載相應(yīng)的APP就可以實現(xiàn)物理量的測量.

實驗器材：包括實驗室普通器材（如鐵架臺、刻度尺、小車、軌道、量筒、學(xué)生電源等）和身邊的便攜器材（如杯子、卷尺、盒子、硬紙板、乒乓球等，包括網(wǎng)絡(luò)購置的簡易定制器材如亞克力管、強磁鐵、外接溫度探頭等）.

2 教學(xué)設(shè)計

2.1 教學(xué)目標(biāo)

引導(dǎo)學(xué)生開展與教學(xué)內(nèi)容匹配的自主探究實驗，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，增強學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力、數(shù)據(jù)處理能力和評價分析能力.

2.2 實驗方案

實驗方案貫穿整個高中物理的幾大知識板塊（見表1），由測量理論、力學(xué)、熱學(xué)、振動與波、電磁學(xué)、課外探究實驗、虛擬實驗七部分組成.教師們可以根據(jù)學(xué)校和學(xué)生的實際情況，有目的、有組織、有選擇地開展自主探究實驗教學(xué)，提高實驗教學(xué)的效率和質(zhì)量.

2.3 實驗開發(fā)與設(shè)計

力學(xué)實驗：利用智能手機傳感器APP“Phyphox”的GPS（全球衛(wèi)星定位）功能測量地球的半徑：通過測量兩點的經(jīng)緯度，得出經(jīng)線的圓心角，在測量兩點間距離后可根據(jù)弧度測量法較為精確地計算出地球半徑[3] ;利用智能手機“Phyphox”的Elevator（電梯）功能測量垂直電梯的速度：通過內(nèi)置的氣壓傳感器來測量垂直高度從而間接測出速度.

熱學(xué)實驗：利用智能手機外接OTG溫度傳感器（雙探頭）研究材料的傳熱性質(zhì)：在兩個鋁盒表面分別貼上黑色膠紙和白色反光膠紙，用鹵鎢燈模擬太陽光照，通過OTG溫度傳感器配套的軟件界面獲取鋁盒內(nèi)溫度變化情況，可以研究不同材料的導(dǎo)熱特性（圖1）.

光學(xué)實驗：利用智能手機的光強傳感器研究發(fā)光強度與光源距離的關(guān)系：用兩臺手機支架和米尺制作簡易光具座.其中一臺打開手電筒功能，另一臺手機打開“Phyphox”的Light（光強）功能，就可以測量不同位置的發(fā)光強度（圖2）.

電磁學(xué)實驗：利用智能手機內(nèi)置3D磁力探測器（一般安裝在手機頂部）測量空間磁感應(yīng)強度：如用坐標(biāo)紙和圓柱形強磁鐵制作簡單教具，研究小磁鐵周圍的磁感應(yīng)強度與場源距離的關(guān)系（圖3）;設(shè)計簡單電路，研究通電導(dǎo)線周圍的磁場分布（圖4）.

聲學(xué)實驗：利用智能手機或平板電腦“Phyphox”的Sonar（聲吶）功能測量距離：通過回聲原理和聲速測量兩點間距;利用兩臺安卓系統(tǒng)智能手機來研究聲音的多普勒效應(yīng)（圖5）：其中一臺安裝APP“聲音分析儀”作為接收器（觀察者），另一臺安裝APP“頻率的聲音發(fā)生器”作為發(fā)射器（聲源），然后握在手上揮動手臂使其做圓周運動，當(dāng)發(fā)射器發(fā)出一定頻率的聲音并相對于觀察者運動時，接收器的聲音分析儀界面就能顯示頻率的變化情況;利用手機或平板電腦APP“聲音分析儀”、酒杯、量筒、量杯等探究酒杯發(fā)聲頻率與杯中液體體積的關(guān)系（圖6）：通過手指蘸取液體摩擦杯沿發(fā)聲，用聲音分析儀測量發(fā)聲頻率.利用智能手機內(nèi)置的聲音傳感器來研究空氣駐波，測量聲音的速度（圖7）：購置定制的透明亞克力玻璃管（長1m、直徑10cm）作為空氣柱的載體，一臺智能手機安裝“Sound Generator（頻率的聲音發(fā)生器）”作為信號發(fā)生器置于管的一端，另一臺用蘋果手機安裝“示波器”作為信號接收器，貼在木制刻度尺（或長條木板）上，移動尺子（木板）的同時觀察“示波器”界面波形的變化，根據(jù)振幅的變化（最大值和最小值）即可確定空氣駐波波腹和波節(jié)的位置，從而測量出聲波的波長，最后計算出聲音在空氣中的傳播速度.

4 結(jié)論與建議

綜上，對基于移動終端開發(fā)的高中物理自主探究實驗進行研究，并在高中物理教學(xué)中利用移動設(shè)備進行教學(xué).得到如下結(jié)論.

4.1 真實的物理情境，更能夠探究生活中的物理

移動終端尤其是智能手機的便攜性為教師營造物理情境帶來極大的便利，可直接探究生活中的物理現(xiàn)象.比如，利用“Phyphox”APP測量垂直電梯速度的實驗.實驗者帶著裝有“Phyphox”APP且配有氣壓傳感器的手機乘坐電梯，可以明顯觀察到電梯在加速、減速過程中的加速度，同時也會給出圖像，學(xué)生們不僅能觀察速度的變化，還可以深入理解電梯在運行過程中的超重、失重等現(xiàn)象.在以往的常規(guī)教學(xué)中，該知識點的教學(xué)大多數(shù)教師靠講解來完成，學(xué)生對該知識點的理解并不透徹.建議教師以布置作業(yè)的形式，讓學(xué)生帶著手機坐電梯，觀測加速度、速度的變化.這樣，實驗不再局限于課堂，真正實現(xiàn)了開放，充分體現(xiàn)物理來源于生活，實現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)課堂.

4.2 形象的結(jié)果展示，更能夠加深原理的理解

移動終端把一些感受性、抽象性的信號以圖表、數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)在終端屏幕，用數(shù)據(jù)“說話”.而在一些傳統(tǒng)實驗中，動態(tài)的數(shù)據(jù)變化比較難捕捉，利用移動終端進行測量，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測量.比如，駐波法測量聲速的實驗，傳統(tǒng)實驗用示波器、聲音發(fā)射器及實驗箱進行實驗，觀察示波器上波的振幅來說明聲波振幅與頻率的關(guān)系，要求學(xué)生將感性的體驗上升到理性的思考.而利用移動終端進行聲速測量實驗依靠“聲音分析儀”APP來測量波形圖，能夠在屏幕上明顯呈現(xiàn)出共振波形圖逐漸變化的圖樣，且振幅變化強烈.而且，利用馬克筆在自制亞克力管上標(biāo)記聲波出現(xiàn)共振的位置能夠讓學(xué)生很好地理解駐波法測聲波的原理，提升教學(xué)效果.

4.3 直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，更能夠反映現(xiàn)象的基本規(guī)律

傳統(tǒng)實驗教學(xué)由于受實驗儀器和手段的限制，一些實驗數(shù)據(jù)不易準(zhǔn)確測量，實驗難以完成，實驗效果和教學(xué)效果上仍然存在缺陷.利用移動終端進行實驗，引入新的測量方法，解決了數(shù)據(jù)難以測量的問題，數(shù)據(jù)自動采集、快速高效，在顯示實驗數(shù)據(jù)這一方面優(yōu)勢明顯.基于移動終端的實驗，鼓勵學(xué)生把重心放在物理規(guī)律的學(xué)習(xí)上，這也與科學(xué)探究的目的相吻合，在有限的教學(xué)時間內(nèi)充分進行科學(xué)探究并組織探究性學(xué)習(xí)，能夠更加有效地培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力.比如，探究光強與光源距離的關(guān)系時，兩部手機中的一部打開手電筒功能，另外一部則打開“Phyphox”的“光強”功能，在兩部手機之間放上米尺，讓帶有“Phyphox”APP的手機沿直尺運動，可以在手機界面看到非常明顯的光強變化，并且圖像呈現(xiàn)指數(shù)衰變的特點.

在科學(xué)飛速發(fā)展和數(shù)字化技術(shù)越來越發(fā)達的時代背景下，教師宜合理利用移動終端開展高中物理自主探究實驗，引導(dǎo)學(xué)生從具體的經(jīng)驗到抽象概念、規(guī)律的構(gòu)建，讓教學(xué)保持在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)，幫助學(xué)生真正掌握物理概念和規(guī)律的含義.同時，將基于移動終端的實驗和傳統(tǒng)實驗整合起來，教學(xué)與時俱進，用身邊的實驗來貼近與學(xué)生的距離，使研究的問題更加豐富.

參考文獻：

[1]張增明.64學(xué)時大學(xué)物理實驗線上教學(xué)方案及其設(shè)計思路[J].物理與工程，2020（02）：7-10.

[2]徐慧.基于移動終端設(shè)備iPad的高中物理教學(xué)——以《能量守恒定律與能源》為例[J].物理教學(xué)探討，2014，32（12）：60-65.

[3]劉智謙.使用手機GPS定位軟件巧測地球半徑[J].實驗教學(xué)與儀器，2018，35（01）：71-72.

[4]李新鄉(xiāng)，張軍朋.物理教學(xué)論（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，2016.

（收稿日期：2020-08-08）