體驗?創新：用好App優化物理實驗探究教學

張懷華：河南省焦作市第十一中學教研督導處主任、正高級教師，教育部新時代中小學名師名校長培養對象，河南省學術技術帶頭人、中小學教師教育專家、電化教育專家、中原名師。長期致力于青少年創客教育與中學物理創新實驗教學的融合研究，撰寫教育教學隨筆30000余篇，發表論文50余篇，指導1300多名學生取得國際、國家或省（市）科技創新成果獎，指導100多名學生申報并取得專利；被中央電視臺等媒體報道130余次。堅持“熱愛學生、立德樹人”的教育初心，“重教材但不唯教材”，專心致志做學問，一絲不茍做教育。將教學與生活有機融合，引導學生在研究、實踐、反思、表達、分享中螺旋式提升綜合能力。

當前，智能手機全面、深遠地改變了人們的生活。學生可以在教師的指導下，科學、合理、有節制地使用智能手機及其搭載的應用軟件（App）自主探究，提升創新意識和實踐能力。教師可以巧妙創設問題情境，運用智能手機開展實驗探究活動，讓學生在親身體驗和主動探究中逐漸轉變學習方式。當下，世界各國的學校紛紛開展線上教學活動，一些App搭乘線上教學的快車成為新寵。手機物理工坊（Phyphox）是一款智能手機實驗程序，支持用戶根據需要自主開發。Phyphox平臺全面、系統地整合了智能手機中搭載的所有傳感器，預置了門類齊全、數量眾多的探究性實驗樣例。該軟件具有“遠程控制”功能，支持用戶自定義個性化智能手機實驗，具有很強的拓展性：能夠通過藍牙與物聯網開發板交換數據，將力、壓強、溫度、電壓、電流、電容、電感等智能手機不便于采集的數據，利用開發板進行采集（這些數據能與智能手機內部傳感器采集的數據進行混合運算和輸出），實現智能手機內部傳感器與外接傳感器的完美整合，便于教師將創客思維和信息技術融入物理實驗探究活動之中，擴大應用范圍。Phyphox能在課堂教學、實驗教學、習題教學、實驗探究、居家實驗、日常生活等方面發揮作用。筆者以該軟件為例，介紹如何科學應用App開展實驗探究活動，培養學生的創新能力。

一、App融入課堂教學使觀測更直觀

智能手機預置了多種傳感器，具有方便快捷的互動投屏功能。教師可以根據需要隨時隨地利用智能手機及App開展教學活動。例如，在“自由落體運動”教學中，筆者就利用智能手機帶領學生現場測量了當地的重力加速度。

在做好智能手機安全防護的前提下，筆者調取Phyphox（以下稱軟件）中的“加速度（不含g）”傳感器，伸出一只手用拇指和食指輕輕捏著智能手機的上邊緣，讓智能手機自然下垂，確保長邊豎直；設置軟件定時運行，延遲3秒，運行2秒。開始計時后，筆者迅速松開拇指和食指，釋放智能手機讓其自由落下，軟件自動采集數據并繪制圖表。

軟件采用三維坐標系（如圖1）測量，手機頁面顯示重力加速度在三個維度上的分量（如圖2）。由于手機長邊豎直，所以在手機下落階段，x軸和z軸的加速度分量幾乎為0，y軸輸出的加速度可視為當地重力加速度。

筆者單擊圖2中y軸線性加速度圖像左上角的雙箭頭，將y軸線性加速度圖像擴展至全屏，得到如圖3所示的圖像，引導學生觀察：在手機下落過程中，加速度圖像幾乎為一條水平直線，加速度值為9.80 m/s2，與實際高度吻合。

筆者利用手機投屏技術，將上述操作同步到大屏幕上，讓每個學生都見證實驗的全過程，目睹智能手機實驗的神奇。

測量當地重力加速度實驗可能是很多人第一次接觸這款軟件就會開展的探究實驗——這個實驗只需要讓智能手機在墊子上方自由下落一段距離即可完成。

在實驗中，為了方便觀測和操作，師生總是不自覺地用兩只手操作智能手機，讓智能手機屏幕水平朝上。這樣操作會給重力加速度測量帶來兩方面的負面影響：一是空氣阻力大，實驗測得的重力加速度值呈逐漸減小的態勢，為演示和分析帶來不便；二是雙手操作智能手機，由于手上難免有汗液、油脂等，使得智能手機兩側與兩只手往往不會同時分離，導致手機翻滾。這些都會導致測量數據異常，讓人對實驗的可靠性產生懷疑，從而降低實驗的可信度。

對于大多數師生而言，智能手機實驗是新鮮事物，需要逐漸摸索和嘗試；只有深入理解了工作原理，熟練掌握操作技能，才能真正體會智能手機實驗的無窮魅力。

二、App融入實驗系統帶來奇妙探究體驗

智能手機預置了各種傳感器，而軟件中又預置了很多實驗樣例，支持師生開展豐富多彩的實驗探究活動。但是，智能手機很難直接測量電壓和電流，師生在利用智能手機開展電學相關實驗時，可以利用智能手機中的磁力計探究電流磁場變化規律，繼而得到電流的變化規律。

（一）App連接傳統實驗器材煥發新活力

在探究電容器充放電規律的實驗中，筆者將線圈放置在智能手機的左上角，開啟軟件，運行“磁力計”傳感器，先用9 V碳性方塊電池對電容器充電，再用電容器對線圈放電，軟件自動繪制線圈磁場變化關系圖像。由于電流磁場與電流成正比，圖像也就反映了電容器充、放電過程中電流變化規律。

學生觀察圖像后發現，電容器放電時，電流逐漸減小，電流變化率逐漸減小。

特別需要指出的是，智能手機放置在水平桌面上時，受地磁場影響，磁力計的x軸和y軸分量一般不為0。如何解決這一問題呢？師生可以在桌面內緩慢旋轉手機，使x軸或y軸中的某個分量為0，然后以該軸為基準開展實驗探究活動即可。

除智能手機外，該實驗中筆者使用的電容器、線圈和電池均是物理實驗室配備的傳統器材。智能手機的加入使傳統實驗器材煥發新活力。

（二）App連接物聯網助力學生解決問題

師生使用物聯網開發板ESP32（如圖4、圖5）做實驗，通過軟件直接獲取真實的電流數據，繪制真實的電容器充、放電實驗圖像，就可以淘汰傳統笨拙的線圈。

筆者連接好電路，寫入適當的程序，借助開發板獲取電容器充、放電電流數據，通過藍牙發送給智能手機。智能手機中的軟件接收電容器充、放電電流數據后，以充、放電電流為縱軸，以充、放電時間為橫軸，精準繪制電容器充、放電電流—時間關系圖像（如圖6）。

在該實驗中，為了解決智能手機不能測量電流的問題，師生像科學家那樣去思考、去探究、去尋找解決方案，最后達成目標，獲得“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”的奇妙探究體驗。

三、App創設情境優化習題教學

習題教學是物理教學的重要組成部分。在習題教學中，教師可以利用軟件對習題涉及的真實場景進行還原，讓學生身臨其境，去體驗和分析。

2021年山東省高考選擇性考試物理卷第13題是一道以乒乓球在桌面上彈跳為真實情境的探究性實驗試題。為了講解此題，很多教師會利用智能手機內的錄音機記錄乒乓球在桌面上彈跳時發出的聲音，通過測量和分析相鄰兩次撞擊聲的時間間隔，引導學生探究乒乓球的彈跳規律。

其實，對于該實驗而言，師生利用智能手機中的加速度計比用錄音機更加便捷。在講評此題時，筆者先將智能手機放置在桌面上，使軟件中的“加速度（不含g）”傳感器處于運行狀態，再讓小籃球在桌面上自由彈跳（如圖7），軟件自動記錄小籃球撞擊桌面造成的振動信息，生成加速度圖像（如圖8）。

圖8中的每個尖峰都對應著小籃球對桌面的一次撞擊。學生點按加速度圖像左上方雙箭頭，將加速度圖像展成全屏；點按屏幕下方“選取數據”按鈕，用手指從一個尖峰滑向另一個尖峰，讀取相鄰尖峰之間的時間間隔，即小籃球滯空時間。學生根據滯空時間和豎直上拋規律可計算反彈高度，也可計算相鄰兩次反彈最大高度的比值。

學生使用電子表格，以反彈高度為縱軸、以彈跳次數為橫軸，繪制散點圖，獲得反彈高度與反彈次數的關系圖像（如圖9）；以相鄰彈跳高度比為縱軸、以彈跳次數為橫軸繪制散點圖，獲得相鄰彈跳高度比與反彈次數的關系圖像（如圖10）。

學生觀察圖像后發現：反彈高度隨著反彈次數的增加按照指數函數規律衰減；相鄰兩次彈跳的高度比基本上為恒定值，約為0.765。

學生通過實驗發現，隨著彈跳次數的增加，彈跳時間間隔越來越短，時間間隔測量值相對誤差逐漸增大，圖10中數據點的分布越來越離散。筆者借此對這道高考題目的真實情境進行了高度還原。

四、App高效測算助力學生自主探究

學生自主開展科學探究活動，最大困難常常是缺乏測量工具，而智能手機及軟件為他們實時測量和分析各種常見物理量創造了條件。

鋁板琴是由長短不一的鋁板有序排列組合而成的打擊樂器，集科學性、思想性和趣味性于一體。利用鋁板琴開展器樂訓練對提高少年音樂素養十分有益。學生用小槌敲擊鋁板琴，發現較長的琴鍵發出的低音醇厚、圓潤；中間的琴鍵發出的中音清脆、明亮；較短的琴鍵發出的高音尖銳、短促。

琴鍵的長度與其發聲頻率有什么關系呢？為了探究鋁板琴的發聲規律，筆者引導學生先用刻度尺測量每根琴鍵的長度，打開軟件，點擊“聲學”系列，運行“聲音頻譜”實驗程序；再一邊用小木槌敲擊鋁板琴上的某根琴鍵的中部，一邊用軟件檢測琴鍵被敲擊后發出的聲音，利用傅里葉變換動態繪制聲音頻譜。當聲音最洪亮、譜線最尖銳的時候，學生點擊“暫停”圖標和“獲取數據”按鈕，用手指點按譜線尖峰，軟件自動顯示尖峰對應頻率值，這個頻率值就是琴鍵振動的固有頻率。學生按照上述方法，逐一測量鋁板琴上每根鋁板在小木槌敲擊下發出的聲音的固有頻率。

學生使用電子表格，以發聲頻率為縱軸、以琴鍵長度為橫軸繪制散點圖，并用冪函數進行擬合，獲得琴鍵發聲頻率與長度的關系圖像（如圖11）。

學生觀察圖像發現，琴鍵敲擊發聲頻率隨著長度增大而減小。

本著化曲為直的數據處理原則，學生使用電子表格，以琴鍵長度平方的倒數為橫軸、以發聲頻率為縱軸再次繪制散點圖，并用一次函數進行擬合，獲得琴鍵發聲頻率與長度平方成反比的圖像。擬合曲線為一條過原點的傾斜的直線，這說明琴鍵敲擊發聲頻率與琴鍵長度的平方成反比。

原本是一次輕松愉悅的鋁板琴彈奏體驗，有了問題意識和探究手段，就轉化成了一項極具生活氣息的課題探究。

五、App居家實驗讓學生感受物理之美

眾所周知，質點引力源、點電荷電場、光、聲、電磁或核輻射的點源的輻射強度均與到點源距離的平方成反比，被稱為平方反比定律。教師在線指導學生居家利用一把卷尺和兩部智能手機即可對這一規律進行實驗探究。

筆者指導學生將鋼卷尺倒置懸掛在架子邊緣，將智能手機甲的手電筒打開，朝下放置在架子上，并讓手電筒伸到桌子外面（如圖12）。智能手機的手電筒的發光區域非常小，可以看作點光源。

此實驗需要在黑暗環境中操作，學生拉上所有窗簾，關閉所有燈光，只保留實驗用智能手機甲的手電筒光源。

學生運行智能手機乙中的軟件，開啟“光”傳感器，使手機乙的感光器在手機甲的點光源下方，豎直正對，參考豎直懸掛的卷尺，在相距20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm……的位置依次保持3～5秒，軟件自動繪制光照強度隨時間的變化曲線。

學生將智能手機乙繪制的照度—時間關系曲線展成全屏，點擊“選取數據”按鈕，再依次點擊獲取照度—時間關系圖像上階躍變化時對應的照度值，并與距離相對應，將其錄入電子表格。

學生使用電子表格，以距離為x軸、以照度為y軸，繪制散點圖，得到照度與距離的函數圖像（如圖13），發現照度隨著距離增大而減小。

本著化曲為直的數據分析處理原則，學生使用電子表格，以距離平方的倒數為x軸、以照度為y軸，再次繪制散點圖，得到照度與距離平方倒數的關系圖像（如圖14），發現點光源的照度與距離的平方成反比。

物理是優美的，她的美表現在物理規律的簡潔性和普適性。平方反比規律表達簡潔，內容深邃，體現自然與思維的和諧統一。

六、App融入日常生活讓學生享受探究之樂

公共交通堵在“最后一公里”是城市居民出行的主要障礙，也是“建設綠色城市、倡導低碳生活”的主要挑戰。共享電動車的應用補上了市民出行的最后一塊“拼圖”，騎共享電動車成為市民短距離出行的重要交通方式。

在筆者的指導下，學生以共享電動車為代步工具，選擇一個空曠的安全路段，在智能手機中打開軟件，運行“定位（GPS）”傳感器。學生駕駛共享電動車從靜止狀態滿功率啟動，待速度達最大值后，松開加速把手，使共享電動車無動力直線滑行，直至停止。軟件自動繪制速度—時間關系圖像（如圖15）。

學生觀察圖像發現，共享電動車在滿功率啟動過程中，速度逐漸變大，加速度逐漸減小。在共享電動車的無動力滑行階段，速度—時間關系圖像具有非常好的線性關系。學生在實驗頁面的下方選擇“選取數據”按鈕，用手指從勻減速運動的起始數據點滑向終點數據點，即可測量其斜率，得到共享電動車在無動力滑行中加速度為-0.185 m/s2。忽略空氣阻力影響，學生測量得到共享電動車與地面之間的動摩擦因數為0.0188。

此次實驗，學生使用的“定位（GPS）”傳感器，抗干擾能力強，手機無須手持，可以放在書包中，有利于安全騎行。

原本是一次普通的騎車戶外旅行，有了科學的活動預案，有了智能手機的加持，有了學生的操作體驗，就演化成一次別開生面的戶外科學探究活動。這是對新課程理念“從生活走向物理，從物理走向社會”的真正踐行。

教師指導學生利用以智能手機等智能終端為代表的智能技術作為探究工具，借助智能手機及實驗程序，培養學生科學、合理地使用智能終端的生活習慣和學習習慣，通過開展豐富多彩的物理實驗探究活動，可以改變社會對智能手機的認知，從限制使用轉向科學使用。教師科學使用智能手機開展實驗活動，是對學校實驗教學的有益補充，可以打破學校實驗教學的時空限制，支持學生隨時隨地開展自主創新實驗探究活動，極大地降低數據獲取和分析的技術門檻，讓學生有更多機會和時間進行探究和思考。可以預見，在不久的將來，在全球范圍內，必將掀起一場利用智能手機及應用軟件開展自定義、個性化創新實驗的浪潮。利用數字化工具開展物理自主創新實驗探究活動是大勢所趨，教師需要順勢而為。

責任編輯：祝元志