基于核心素養的高中物理數字化實驗研究

孫玉玲，朱新梅

(揚州大學物理科學與技術學院，江蘇 揚州 225009)

0 引言

2017 版普通高中物理新課程標準提出物理學科教學目的在于培養學生形成的正確的物理觀念、具備良好的科學思維品質、主動進行科學探究的關鍵能力和正確的科學態度與責任，從而成為“全面發展的人”[1]。數字化實驗系統(DIS)是指基于傳感器技術的實驗平臺，一般由傳感器、數據采集器及相關數據處理軟件等各部分構成的實驗系統。外國研究建造的數字化實驗室的數據采集系統的起步要比國內早，外國的一些比較成熟的軟件系統有：PASCO 實驗系統、Pico Technology 實驗系統、Cobra 實驗系統等等。隨著國內技術的快速發展，我國也逐步完善升級了DIS 的軟件和硬件設備，我國生產的實驗數據采集系統也開始逐漸增多，如艾迪生公司的EDISlab；北京友高公司的YOCO；南京金華科軟公司的JHKDIS，及目前在全國范圍使用廣泛的山東遠大公司研發的朗威數字實驗系統[2]。

由于專業傳感器設備造價昂貴，數字化實驗始終難以得到大范圍推廣。近年來，攜帶有多種傳感器的智能手機作數字化實驗的新載體，具有方便攜帶、測量準確、普及率高等優點。將物理實驗與智能手機的各種數字化實驗的應用程序相結合，正逐漸受到全球物理教育工作者的普遍關注，并成為數字化實驗研究的熱點[3-5]。Phyphox 是一個基于智能手機的APP,它可以調用手機中已有的各類傳感器來采集數據,并將原始數據與和結果圖表導出，供進一步的分析。本文借助Phyphox 設計了高中物理中關于“超重與失重”的兩個數字化實驗，進一步討論了如何利用該數字化實驗方案來提升高中生物理學科核心素養。

1 數字化實驗案例

1.1 下蹲與起立中的超重與失重

傳統演示實驗是用體重秤來進行下蹲和起立過程中的超重與失重現象的觀察，但是由于由于傳統實驗器材的局限性，只有實驗操作的同學或者老師才可以直觀看到體重秤上的數據變化，這樣的實驗不利于全體同學觀察實驗現象，不能帶動所有學生參與科學探究。2019 年人教版高中物理必修一教材采用人站在力的傳感器上來觀察下蹲和起立中力隨時間的變化，實現了實驗過程的可視化，相對于傳統實驗更容易方便所有同學參與觀察和科學探究，但是這樣的實驗只能在配備了傳感器的實驗條件下才能進行，不利于廣泛開展與推廣。而借助于只能手機的Phyphox 軟件，可以隨時隨地開展實驗，大大降低物理實驗門檻，有效提高學生參與科學探究的興趣，提升學生的科學思維。

打開手機中的“加速度（不含重力加速度）”，會發現它可以同時測量如圖1 所示的x、y、z三個方向的加速度，并可以用圖像顯示加速度大小變化。我們只需要研究豎直方向（z方向）的加速度大小，讓學生拿著手機，將手機屏幕朝上，保持水平和穩定，先下蹲，過一小段時間再起立，且下蹲與起立過程不宜太快，重復此過程，便可得到如圖2 所示的曲線。學生利用自己所得到的實驗結果，進行下蹲和起立過程中的超重與失重的分析如表1 所示。

表1 下蹲和起立過程加速度-時間圖像分析

圖1 手機x-y-z 方向

圖2 下蹲和起立過程加速度-時間圖像

1.2 電梯中的超重與失重

讓一名學生手持手機進入電梯中，打開phyphox 中的“電梯”功能，手機需要盡可能保持水平，與電梯盡可能保持相對靜止。導出數據我們就可以得到如圖3 所示的圖像，分析圖像可知電梯在下降過程中，先失重后超重；電梯在上升過程中先超重后失重，具體結果見表三所示。由圖像中的峰值我們可以得到乘坐電梯的加速度大小約為0.4m/s2。

圖3 電梯運行過程中加速度-時間圖像

表2 電梯運行過程中加速度-時間圖像分析

1.3 素養反思

采用phyphox 數字化物理實驗對于幫助學生理解和掌握物理觀念、提升科學思維能力、引導自主科學探究和培養科學態度與責任感都有很多傳統實驗不具備的優勢。在“超重與失重”實驗中，學生可以通過上述數字化實驗親自參與整個超重與失重實驗的過程，從做實驗到得出數據，再用可視化的方法分析相關實驗結果，可以幫助學生通過親身體驗來更好地理解超重與失重的特點。下蹲和起立與電梯運行過程的超重失重圖像的一致性分析，可以幫助學生由觀察現象到深入物理本質，幫助學生形成深刻的運動觀與相互作用觀。

不管是利用身體的下蹲和起立過程，還是電梯上升下降過程，上述數字化物理實驗都從物理學視角對牛頓運動定律的應用進行了直觀的展示。超重與失重中可以對牛頓第二定律的力與加速度的相互關系進行很好的闡釋，由生活中最常見的事物（電梯）和運動過程（下蹲和起立）構建物理模型，極大鍛煉了學生的物理科學思維。

實驗前老師指導學生觀察超重與失重現象，提出相關物理問題，讓學生進行猜想與假設，并設計實驗和制定實驗方案，最終基于導出的Phyphox 實驗數據所繪制的圖像得出結論，并結合牛頓運動定律作出解釋，讓學生在相互交流討論中相互學習，這樣可以很好地培養學生的科學探究能力。

該數字化實驗在幫助學生認識超重與失重的基礎上，可以進一步延伸相關課外實驗，比如讓學生在玩蹦床或摩天輪時借助智能手機的Phyphox 來觀察和測量超重與失重現象，也可以介紹天宮課堂中失重情況的相關實驗：如太空拋物、太空浮力消失等實驗內容，進一步引發學生對科學的向往，激發學生對科學探究的興趣。

2 結語

在智能手機普及的現代生活中，教師在高中物理教學中引導學生借助智能手機來開展數字化實驗，讓學生親身參與實驗探究過程，培養學生在現實生活中對于物理現象的觀察能力，而且結合自主實驗與觀察演示實驗，可以提升學生的科學探究能力和科學思維，增強學生解決問題的能力，促使學生更好理解生活現象背后的物理本質，培養學生“見物思理、格物致知”的科學態度，有助于提升學生的物理學科核心素養和終身學習觀。