智能手機傳感器在中學物理教學中的應用綜述

黃朝陽 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

隨著科技發展，傳感器技術日趨成熟.傳感器可作為實驗工具，使得實驗采集數據更加便捷，但是傳感器設備造價不菲，而智能手機作為一種先進的電子設備，內部已裝有許多高精度的傳感器，可利用手機軟件如“Phyphox”方便快速地調取各手機傳感器對物理量進行測量，如此，手機便可視為一個小小的傳感器實驗系統，輔助中學物理實驗及教學.與此同時，《普通高中物理課程標準(2017年版)》對學生了解和學習使用手機傳感器提出要求[1]，所以，對手機傳感器可以如何應用于中學物理實驗及教學值得我們進行深入研究.

1 手機傳感器應用于中學物理教學的發展歷程

1.1 萌芽階段(2005—2012年)

世界第一臺智能手機于1993年問世，那時，鮮有人關注其是否能應用于教學[2].2005年，劉庭華最早利用智能手機進行物理實驗，他將手機與真空罩、金屬網罩配合，演示了聲音無法在真空中傳播、電磁波能夠在真空中傳播以及電磁屏蔽現象[3].Hammond和Domelen于2007年分別發表論文，指出智能手機能夠拍攝出清晰的實驗圖像和演示光的偏振[4,5].2010年繆庚平提出可利用手機屏幕探測遙控器發出的紅外線[6].這一階段智能手機都是應用于中學物理的定性小型實驗，且專門利用手機傳感器的實驗較少.

1.2 發展階段(2012年至今)

2012年，Vogt和Kuhn在ThePhysicsTeacher上發表了3篇關于將手機加速度傳感器應用于定量研究自由落體、彈簧、單擺的論文[7～11]，此后，在該雜志創辦專欄征收關于智能設備應用于物理教學的文章.這3篇文章的意義在于，從此，智能手機物理實驗從定性走向定量研究.

2013年起，英國皇家物理學會文獻庫(IOP)收錄的PhysicsEducation以及EuropeanJournalofPhysics等雜志上也陸續發表了關于手機傳感器應用于中學物理實驗的文章.我國《物理教師》《物理教學探討》等雜志上也陸續刊載智能手機傳感器進行中學物理教學的論文，其中大部分文章是研究如何利用手機傳感器定性或定量地進行中學物理實驗，以應用于教學，且文章來自各個國家，說明手機傳感器物理實驗正受到關注和重視，預測未來會有更多學者和教師投入相關研究.

2 手機傳感器在中學物理實驗中的應用綜述

2.1 手機加速度傳感器在中學物理實驗中的應用

文獻[12]研究了超重與失重現象，記錄了人下蹲起立過程中或是電梯上下運動過程中的加速度隨時間變化的圖像，并結合牛頓第二定律對超重與失重現象進行解釋.

文獻[13]提出了測量斜面動摩擦因數的方法.

文獻[14]提出可利用手機加速度傳感器探究合外力做功與動能變化量的關系，其實驗原理為動能定理和牛頓第二定律.

文獻[15]設計了實驗驗證彈性碰撞和非彈性碰撞.

文獻[16]進行了牛頓第二定律的研究.采取如圖1所示的實驗裝置進行實驗，將手機固定在滑塊上，滑塊在繩子的拉力作用下向前加速運動，手機加速度傳感器記錄滑塊的加速度隨時間的變化情況，采用了理論計算法和圖像法兩種方法驗證牛頓第二定律.

圖1 用手機加速度傳感器驗證牛頓第二定律實驗裝置示意圖

2.2 手機磁傳感器在中學物理實驗中的應用

許多學者提出利用手機磁傳感器可以測量磁傳感器所在處磁場的大小和方向，文獻[17]研究了小磁鐵周圍的磁感應強度與場源距離的關系、通電導線周圍的磁場分布，文獻[18]測量了通電導線激發的磁場在3個坐標軸方向上的大小,實驗裝置如圖2所示.

(a)

文獻[19]將手機磁傳感器應用于測量單擺周期，并進一步由單擺的周期推算出重力加速度的大小.

Pili用手機磁傳感器結合彈簧振子提出了一種測量彈簧勁度系數的方法.

文獻[20]利用手機結合電腦定量驗證了法拉第電磁感應定律.在教學時，該定律的實驗常常難以做到定量探究，而Soares的實驗很好地解決了這一難題.

2.3 手機光傳感器在中學物理實驗中的應用

文獻[21]提出了一種利用手機光傳感器測量物體運動速度的方法.

文獻[22]研究了磁場對單擺周期的影響.如圖3所示，單擺在激光光源和智能手機之間做周期性擺動時，手機光傳感器記錄的光強也呈周期性變化，處理光強隨時間變化的圖像可以得出單擺擺動的周期.移動磁鐵的位置，記錄實驗數據，做出周期與磁鐵到擺球最低點的水平距離的擬合圖像，分析圖像可知在受磁場作用下的單擺運動的特點.

圖3 利用手機光傳感器研究磁場對單擺周期的影響實驗裝置圖

文獻[23]提出可以利用手機光傳感器觀察光的波動性.

文獻[24]和文獻[17]利用手機光傳感器研究發光強度與光源距離的關系或驗證點光源光照強度與距離的平方成反比關系.

2.4 手機聲音傳感器在中學物理實驗中的應用

文獻[25]提出可以利用各種手機軟件觀察由聲音傳感器收集到的聲音波形.文獻[26]提出可以使用phyphox軟件里的“聲學秒表”功能測量聲速.

文獻[27]將手機聲音傳感器應用于聲音多普勒效應的研究.用手機聲音傳感器數顯記錄聲源頻率，讓另一可以發出固定頻率的聲源與手機發生相對運動，手機聲音傳感器接收到的聲音頻率與聲源頻率相比發生變化，從而定性探究了多普勒效應，如圖4所示.

圖4 利用手機聲音傳感器研究多普勒效應實驗效果圖

2.5 手機氣壓傳感器在中學物理實驗中的應用

文獻[28]提出，根據手機氣壓傳感器，可以顯示手機處海拔高度.

文獻[29]提出，可利用手機氣壓傳感器探究水的沸點與氣壓的關系.

文獻[30]利用手機氣壓傳感器測量氣壓驗證了波義耳定律.

3 手機傳感器融入中學物理教學中的實證綜述

文獻[31]利用手機加速度傳感器和聲音傳感器分別設計了“超重與失重”和“多普勒效應”教學設計，并進行了實證教學.對智能手機支持下高中學生物理學習效果進行了問卷調查，檢測了學生在學習動機、學習實效、實踐操作、資源整合和利用方面的效果，檢測結果表明學生在以上4個方面都有一定程度的提高.

文獻[11]以“智能手機助力演示實驗”為專題，設計并開展了“通過自由落體運動測重力加速度”“超重與失重”兩堂課，并且分成實驗組和對照組，實驗組采用手機傳感器輔助實驗，而對照組以傳統課堂的形式進行.

文獻[32]基于手機加速度傳感器和壓力傳感器分別設計了“牛頓第二定律中的瞬時性問題”和“楞次定律”教學設計.

疫情以來，線上教育火熱起來，文獻[33]以“測量重力加速度”為例提出了如何布置以手機傳感器為工具進行的線上實驗探究任務，文獻[34]也是在疫情之下線上教育火爆的背景下，提出了基于手機傳感器的中學物理實驗混合教學模式.

4 關于手機傳感器在中學物理教學中應用有關的測評工具綜述

文獻[35]研究了使用智能手機在物理教育中作為實驗工具對學生興趣、好奇心和學習的影響.文獻[11]結合Hochberg和Jochen Kuhn的研究，按照李克特5級量表形式設計，對實驗組和對照組進行學習成績、動機、興趣、好奇心方面的效果檢測，以檢測智能手機參與的演示實驗的教學效果.

文獻[31]在建構主義和信息加工學習理論的指導下，按照李克特5級量表形式設計，編制了“高中學生應用智能手機學習的效果調查問卷”，通過對問卷結果進行SPSS統計分析，尋找出高中學生應用智能手機在物理學習方面存在哪些問題及問題形成的原因.

5 手機傳感器應用于中學物理教學的優缺點

5.1 手機傳感器應用于中學物理教學的優點和意義

當今智能手機普及度高，教師和學生均易進行有關實驗；在實驗方面，傳感器實驗相較傳統實驗準確度和效率大大提升，實驗方法更加多樣；在融入教學方面，將智能手機恰切地融入教學中，可提升教學效果；在學生學習方面，智能手機傳感器的使用可提高學生的信息素養、實驗能力以及好奇心與求知欲.

5.2 手機傳感器應用于中學物理教學的不足和局限

應用手機傳感器改進實驗具有局限性，如手機能參與的電學、光學、熱學實驗非常有限；再如，因為手機本身有一定的形狀和大小，所以若要求測定較小范圍內的物理量，手機難以做到，或會引入較大誤差；另外，手機對于學生會產生較大吸引力，學生在使用手機完成實驗的過程中難免會分心，需要教師進行有效的引導.

6 總結

智能手機傳感器應用于中學物理實驗的研究有許多，通過這些實驗，學生對手機傳感器認識會更加充分，實驗能力能夠得到一定程度的提高.比起實驗，國內外關于手機傳感器應用于中學物理教學的實證研究例子卻很少，所以目前較少學者提出關于手機傳感器輔助中學物理教學的教學模式.在實證研究有限的情況下，關于使用手機傳感器結合教學之后對教學效果的測評工具的研究則更少，目前關于結合手機傳感器教學之后的教學效果的論述多是基于感性經驗和認識，而非由測評量表得出，這也有待深入研究.