智能手機(jī)傳感器在小學(xué)科學(xué)探究教學(xué)中的應(yīng)用*

吳向東

（吳向東：華南師范大學(xué)附屬小學(xué) 特級(jí)教師 廣東廣州 510631 責(zé)任編輯：張海新）

隨著智能手機(jī)的發(fā)展，帶有傳感器的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro-Electro-Mechanic System）的應(yīng)用已非常普及，微機(jī)電系統(tǒng)的功能越來(lái)越豐富，給智能手機(jī)用戶帶來(lái)了前所未有的體驗(yàn)。傳感器是指能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置。微機(jī)電系統(tǒng)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(zhí)行器、信號(hào)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(yīng)器、重力感應(yīng)、距離感應(yīng)、電子羅盤(pán)、氣壓計(jì)、麥克風(fēng)和攝像頭等提供的豐富的測(cè)量數(shù)據(jù)可以在手機(jī)上產(chǎn)生許多功用。相比于目前被廠商稱為“數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)用傳感器，使用方便且廉價(jià)——有手機(jī)就有了眾多的傳感器，應(yīng)用起來(lái)相當(dāng)方便。而一套“數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室”往往要花費(fèi)數(shù)萬(wàn)元，雖然功能更有指向性，但操作稍顯復(fù)雜，不如手機(jī)傳感器更容易普及。

但是，一些教師在應(yīng)用手機(jī)傳感器于小學(xué)科學(xué)探究教學(xué)的過(guò)程中，出現(xiàn)了一些新的問(wèn)題。本文是我們多年實(shí)踐的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，旨在提高手機(jī)傳感器在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用效果。

一、在探究目標(biāo)上，要滲透計(jì)算思維的教育

在當(dāng)今數(shù)字化設(shè)備日益融入生活的方方面面的情況下，華裔計(jì)算機(jī)科學(xué)家周以真提出每一位學(xué)生不僅要具備閱讀、寫(xiě)作和算術(shù)（Reading，wRiting，and aRithmetic——3R）的能力，還要學(xué)會(huì)計(jì)算思維。正如印刷出版促進(jìn)了3R的普及，數(shù)字化或曰計(jì)算設(shè)備也以類似的正反饋促進(jìn)了計(jì)算思維的傳播。周以真認(rèn)為，計(jì)算思維是人類求解問(wèn)題的一條新的途徑，結(jié)合計(jì)算設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，我們可以用自己的智慧去解決那些在計(jì)算時(shí)代之前不敢嘗試的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“只有想不到，沒(méi)有做不到”的境界。計(jì)算思維已經(jīng)被美國(guó)K-12科學(xué)教育框架和新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)納入為“科學(xué)與工程實(shí)踐”中的一個(gè)重要內(nèi)容，我們?cè)谛枰阉鳛榭茖W(xué)教育的一個(gè)新的目標(biāo)滲透到探究教學(xué)中。

比如測(cè)量心率，在小學(xué)科學(xué)教材中一般采取數(shù)脈搏的方式。但利用手機(jī)攝像頭同樣可以起到監(jiān)測(cè)的效果。在應(yīng)用商店里可以下載“我的心跳”，該軟件是通過(guò)監(jiān)測(cè)面部的微弱顏色變化規(guī)律來(lái)測(cè)量心跳速率的。其原理是，心臟收縮時(shí)會(huì)擠壓出大量血液，面部皮膚顏色變深，心臟舒張時(shí)，血流減少，面部皮膚顏色變淺，這種微弱的變化是人眼無(wú)法識(shí)別的，但通過(guò)對(duì)攝像頭的成像分析，卻可以把這種微弱的變化區(qū)分出來(lái)。還有一個(gè)應(yīng)用類似原理的來(lái)測(cè)量心跳速率的應(yīng)用軟件Cardiograph，將攝像頭貼著食指頭，測(cè)量時(shí)手機(jī)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)LED燈照射，皮下的血流隨心臟收縮和舒張而產(chǎn)生顏色深淺的變化，從而獲取心跳的速率。這兩款軟件與醫(yī)院臨床應(yīng)用中監(jiān)測(cè)心跳的儀器的算法是一致的，從應(yīng)用中可以讓學(xué)生感受到新的解決問(wèn)題的方式，受到計(jì)算思維的潛移默化的教育。

再如認(rèn)識(shí)星座。傳統(tǒng)的方式是要有懂得星座的人指著天上的星星來(lái)教?，F(xiàn)在，在手機(jī)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(jī)持有人的地理位置，再結(jié)合磁場(chǎng)傳感器的修正，獲取陀螺儀測(cè)得的手機(jī)屏幕指向方位的數(shù)據(jù)，確定手機(jī)屏幕背對(duì)著的天空方向，實(shí)時(shí)顯示這個(gè)方向的星座，也就是說(shuō)，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(méi)有認(rèn)識(shí)星座的人，也可以自己用手機(jī)去認(rèn)識(shí)星座了。這些軟件也體現(xiàn)了用計(jì)算思維解決問(wèn)題的方式。

當(dāng)然，對(duì)于真正地用計(jì)算思維解決問(wèn)題來(lái)說(shuō)，小學(xué)生還難以達(dá)到抽象出計(jì)算模型并自己設(shè)計(jì)數(shù)字產(chǎn)品解決問(wèn)題的程度，但這些應(yīng)用軟件的常態(tài)化使用，會(huì)起到一定的潛移默化的作用，讓學(xué)生從小就知道如何應(yīng)用現(xiàn)有的數(shù)字或計(jì)算設(shè)備去巧妙地解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

二、在探究?jī)?nèi)容上，要超越傳統(tǒng)的教材設(shè)計(jì)

手機(jī)傳感器的應(yīng)用對(duì)于傳統(tǒng)的教材內(nèi)容來(lái)說(shuō)是全新的，相應(yīng)地，一些新的教學(xué)內(nèi)容需要得到補(bǔ)充，教材的內(nèi)容設(shè)計(jì)也需要重新設(shè)計(jì)。

1.傳感器原理要納入教學(xué)內(nèi)容。要將手機(jī)傳感器應(yīng)用于科學(xué)探究，就需要讓學(xué)生大致懂得傳感器的原理，以及應(yīng)用軟件是如何利用傳感器的。曾經(jīng)有老師用Google星空教學(xué)生認(rèn)星座，當(dāng)學(xué)生打開(kāi)軟件舉起手機(jī)屏幕時(shí)，每個(gè)人看到的星圖竟然相差很大，致使課堂難以繼續(xù)開(kāi)展下去。這主要是老師沒(méi)有搞清楚Google星空設(shè)計(jì)的原理造成的。這節(jié)課是在室內(nèi)進(jìn)行的，因無(wú)法獲得GPS衛(wèi)星定位的數(shù)據(jù)，此時(shí)需要在該軟件的設(shè)置里輸入當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度，如廣州、佛山可以輸入緯度值+23，經(jīng)度值+113，還需要在設(shè)置里選擇磁力修正，甚至在空中劃8字校準(zhǔn)羅盤(pán)。有些智能手機(jī)由于缺少相應(yīng)的傳感器或者因質(zhì)量問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確顯示星空的問(wèn)題。所以，教師和學(xué)生只有都對(duì)手機(jī)傳感器的知識(shí)有一定的了解，知道該軟件應(yīng)用的大致設(shè)計(jì)原理時(shí)，才好方便用它。

2.新的物理量要增加進(jìn)教材。比如測(cè)量材料的隔音效果，要讓學(xué)生知道噪音的單位分貝 （dB），以及不同環(huán)境的噪音強(qiáng)度大致是什么范圍，多大的噪音會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生什么影響。再比如測(cè)量光照強(qiáng)度 （照度），要知道其單位勒克斯 （Lux或Lx）、黑暗處和正午陽(yáng)光直射時(shí)的照度范圍。

3.重新設(shè)計(jì)教材內(nèi)容。將手機(jī)傳感器納入教學(xué)內(nèi)容，為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件而設(shè)計(jì)的教材就需要做相應(yīng)的重新設(shè)計(jì)。比如在比較電磁鐵磁力的大小的實(shí)驗(yàn)中，同樣的電磁鐵每次能吸引的回形針數(shù)量往往是不一樣的，甚至?xí)胁恍〉牟町?，我們可以教學(xué)生嘗試用Smart Tools（智能工具箱）軟件，接近電磁鐵的兩極測(cè)量比較磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小來(lái)進(jìn)行區(qū)分。又如學(xué)生相當(dāng)喜歡有關(guān)星座的教學(xué)內(nèi)容，但有些版本的教材認(rèn)為星座教學(xué)難教就刪減得較嚴(yán)重，現(xiàn)在有了Google星空和星圖Star Chart這樣的軟件應(yīng)用，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)星座、學(xué)習(xí)天象觀測(cè)就變得相當(dāng)容易。實(shí)際教學(xué)中，這部分的教材內(nèi)容完全可以根據(jù)這些軟件應(yīng)用進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。再如，教材中有關(guān)食物營(yíng)養(yǎng)、飲食和運(yùn)動(dòng)健康方面的內(nèi)容往往是分開(kāi)設(shè)計(jì)的，估算攝取的食物熱量和運(yùn)動(dòng)消耗熱量方面的內(nèi)容更是缺乏的，但這些內(nèi)容對(duì)于學(xué)生控制體重、避免肥胖是有實(shí)際意義的，結(jié)合大卡運(yùn)動(dòng)、咕咚運(yùn)動(dòng)這類應(yīng)用軟件，我們可以將這些內(nèi)容綜合起來(lái)進(jìn)行教材設(shè)計(jì)，讓學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)活動(dòng)，親身感受多少運(yùn)動(dòng)可以消耗多少熱量，讓學(xué)生初步學(xué)會(huì)規(guī)劃健康的生活方式。

三、在探究形態(tài)上，要注重定量研究和統(tǒng)計(jì)分析

1.轉(zhuǎn)變當(dāng)前科學(xué)教學(xué)中定性研究多、定量研究少的狀況。手機(jī)傳感器為定量研究提供了新的條件，一方面需要學(xué)生注重將觀察結(jié)果用物理量來(lái)表示，另一方面還要讓學(xué)生學(xué)會(huì)將一些難以直接觀察的物理量轉(zhuǎn)化為其它物理量來(lái)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(gè)雜質(zhì)少、哪一個(gè)更干凈，我們可以啟發(fā)學(xué)生轉(zhuǎn)化一下思路，用一個(gè)手機(jī)的手電筒 （應(yīng)用商店里有這類功能的軟件應(yīng)用）透過(guò)水照射另一個(gè)手機(jī)的光線傳感器的方法，通過(guò)比較兩者的照度值來(lái)做出區(qū)分，照度值低說(shuō)明更渾濁，其中的雜質(zhì)多，可能更不干凈?！稗D(zhuǎn)化”是科學(xué)研究的重要思想，比如對(duì)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)的希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)并不是直接觀察的結(jié)果，而是根據(jù)質(zhì)子在接近光速的高速對(duì)撞時(shí)產(chǎn)生的特征信號(hào)進(jìn)行大量觀察統(tǒng)計(jì)而獲得驗(yàn)證的。

2.注意讓學(xué)生理解基本統(tǒng)計(jì)量的意義。測(cè)量了物理量，還必須能對(duì)物理量做力所能及的統(tǒng)計(jì)分析，讓學(xué)生正確理解實(shí)驗(yàn)誤差和平均數(shù)的意義。在小學(xué)甚至初中的科學(xué)教材中，只涉及到了反映數(shù)據(jù)的集中量平均數(shù)，沒(méi)有涉及到反映數(shù)據(jù)離散量的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差的學(xué)習(xí)要到高中數(shù)學(xué)的統(tǒng)計(jì)部分才學(xué)，這就給學(xué)生統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)帶來(lái)了問(wèn)題，學(xué)生只知道求多次測(cè)量的平均數(shù)來(lái)作為最終測(cè)量值，但不知道為什么要這樣做，不知道平均數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義，也造成了難以真正理解誤差。希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)是對(duì)數(shù)以萬(wàn)億記的撞擊數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在質(zhì)量125～126G伏左右出現(xiàn)了特征信號(hào)，置信度大于99.99994%，達(dá)到了5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，從而確認(rèn)了希格斯粒子的存在。懂得了這個(gè)道理，建議教師在指導(dǎo)學(xué)生測(cè)量前，多提醒嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，以減少誤差；如果多次測(cè)量的值相差較大，說(shuō)明誤差大，實(shí)驗(yàn)控制可能出現(xiàn)了問(wèn)題，要重新改進(jìn)實(shí)驗(yàn)；在正式測(cè)量前要多練習(xí)，在熟練了后再取測(cè)量值，增加測(cè)量的可信度，等等。此外，諸多軟件應(yīng)用在測(cè)量時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)繪制曲線圖，教學(xué)生根據(jù)曲線圖進(jìn)行分析也是一個(gè)重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

3.初步學(xué)習(xí)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)建立科學(xué)模型。為什么醫(yī)學(xué)上把人在安靜時(shí)的正常心率范圍定在60～100次/分鐘？教學(xué)時(shí)，可以讓學(xué)生先安靜下來(lái)，然后用“我的心跳”等軟件應(yīng)用或結(jié)合數(shù)脈搏來(lái)測(cè)量，然后匯總每個(gè)人的心率在EXECL中繪制成散點(diǎn)圖或條形圖，看每個(gè)人的心跳是否集中在60～100次/分鐘的范圍，大多數(shù)同學(xué)的心率又集中在什么范圍，從而建立清晰的模型，理解醫(yī)學(xué)上的正常心率范圍是怎么來(lái)的?？茖W(xué)模型往往離不開(kāi)數(shù)學(xué)的表征，這也是定量研究的精髓所在。

四、在探究設(shè)計(jì)上，突出其優(yōu)勢(shì)，改善概念理解和解決方案的設(shè)計(jì)

按照美國(guó)K-12科學(xué)教育框架和新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)學(xué)習(xí)可以分為科學(xué)和工程兩大部分?？茖W(xué)強(qiáng)調(diào)回答為什么，尋求對(duì)問(wèn)題的解釋，以使學(xué)生形成科學(xué)概念。工程強(qiáng)調(diào)回答怎么做，尋求對(duì)難題的解決方案，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，教師要注意這兩者的區(qū)別，采取不同的策略將傳感器納入到教學(xué)活動(dòng)中。

1.用測(cè)量數(shù)據(jù)讓學(xué)生正確認(rèn)識(shí)事實(shí)。在學(xué)習(xí)眼的結(jié)構(gòu)和功能時(shí)，教材上一般有讓學(xué)生觀察不同亮度的光線下瞳孔放大縮小的內(nèi)容，學(xué)生會(huì)以為人眼對(duì)亮暗環(huán)境變化的適應(yīng)是瞳孔的功能，與其它結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，從而容易形成前概念。如果我們打開(kāi)手機(jī)光線傳感器，讓學(xué)生從黑暗到幾十LUX的地方走到太陽(yáng)下上萬(wàn)LUX的地方，學(xué)生會(huì)對(duì)如此巨大的照度差異感到驚奇，從而產(chǎn)生疑問(wèn)：僅僅一個(gè)瞳孔就能起到全部的自適應(yīng)作用嗎？其實(shí)視網(wǎng)膜本身就有調(diào)節(jié)功能，它與瞳孔是相互配合的。再舉一例，學(xué)生對(duì)紅外線、紫外線等的認(rèn)識(shí)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(duì)光譜的寬廣感應(yīng)能力，讓學(xué)生“看見(jiàn)”遙控器發(fā)出的紅外線，有利于學(xué)生對(duì)光形成更豐富的認(rèn)識(shí)。

2.用動(dòng)態(tài)圖示減輕認(rèn)知負(fù)荷，避免形成前概念。學(xué)生對(duì)聲音的大小和高低很容易混淆，認(rèn)為聲音越大也會(huì)越高或者相反，這是常見(jiàn)的關(guān)于聲音的前概念。為了避免讓學(xué)生形成這個(gè)前概念，可以借助Oscilloscope（示波器），讓學(xué)生對(duì)著麥克風(fēng)如音樂(lè)課練聲時(shí)那樣持續(xù)發(fā)出不同的a聲，通過(guò)觀察波形的變化來(lái)理解什么是聲音的大小和高低，以及它們之間的區(qū)別。

3.用精確數(shù)據(jù)讓學(xué)生獲取反饋和檢驗(yàn)工程成效。手機(jī)傳感器測(cè)量的數(shù)值與僅憑感官感受相比，具有無(wú)與倫比的精度，用在檢測(cè)工程成效時(shí)可以減少感官的“誤判”。在進(jìn)行隔音裝置的設(shè)計(jì)時(shí)，為弄清隔音裝置的效果，可以讓學(xué)生打開(kāi)Smart Tools（智能工具箱）中的聲級(jí)計(jì)，將手機(jī)放入隔音裝置中靜置一段時(shí)間，然后看聲級(jí)計(jì)上顯示的最低值和記錄曲線，檢驗(yàn)隔音的成效，為進(jìn)一步的改進(jìn)提供證據(jù)，同時(shí)也為評(píng)價(jià)最終設(shè)計(jì)的成效提供精確的證據(jù)，避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件下“靠耳朵聽(tīng)”的不準(zhǔn)確。

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