智能手機(jī)在物理教學(xué)中應(yīng)用研究現(xiàn)狀及展望

李 捷 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 516000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和基礎(chǔ)教育課程的深化改革，以智能手機(jī)和個(gè)人電腦為核心的信息技術(shù)越來越多的進(jìn)入到物理學(xué)科課堂的教學(xué)實(shí)踐中，因智能手機(jī)內(nèi)部搭載有多種傳感器和本身擁有搜集信息、傳遞信息、編碼信息的功能，體現(xiàn)出了便攜方便、普及率高、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、功能廣泛的特點(diǎn)[1]，使得智能手機(jī)無論是在物理實(shí)驗(yàn)方面，還是教育技術(shù)應(yīng)用方面都倍受現(xiàn)代教師群體的青睞.目前，國(guó)內(nèi)外利用智能手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和教育技術(shù)研究正在蓬勃發(fā)展，具有良好的研究前景，本文擬對(duì)該領(lǐng)域近幾年的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理和探討.

1 智能手機(jī)在物理教學(xué)中應(yīng)用研究的起始與發(fā)展

依據(jù)國(guó)內(nèi)可找到的文獻(xiàn)，其大致成逐年遞增的狀態(tài)，再結(jié)合國(guó)外的研究成果，智能手機(jī)在物理教學(xué)中應(yīng)用大致可分為如下幾個(gè)階段.

1.1 萌芽期(2005—2008年)

自1993年世界上第一部智能手機(jī)出現(xiàn)后，它強(qiáng)大的功能吸引無數(shù)人對(duì)其進(jìn)行研究.但大多數(shù)的研究者都集中于手機(jī)本身的技術(shù)開發(fā)上，很少有關(guān)于教學(xué)方面的研究.一直到2005年劉庭華把智能手機(jī)聚焦到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域中，最早利用智能手機(jī)來做實(shí)驗(yàn)，演示了聲音的產(chǎn)生條件、電磁波能在真空中傳播和靜電屏蔽[2].Hammond 和Domelen也分別于2007年利用智能手機(jī)拍攝出清晰的實(shí)驗(yàn)圖像和演示光的偏振現(xiàn)象[3,4].時(shí)隔一年，我國(guó)的教學(xué)研究者冷水英首次將智能手機(jī)應(yīng)用到教育技術(shù)上，展示了以智能手機(jī)為載體的教育信息技術(shù).其主要內(nèi)容是利用智能手機(jī)采集生活中的物理圖像；制作教學(xué)視頻；提供收集資料的快速方法[5].

在這一階段中，智能手機(jī)只是作為一個(gè)新型儀器引入到課堂教學(xué)，相關(guān)研究很少，同時(shí)也只利用了智能手機(jī)的一些基本功能.

1.2 起步期(2008—2014年)

基于上個(gè)階段的研究成果，國(guó)內(nèi)外關(guān)于智能手機(jī)在教學(xué)中的相關(guān)研究未艾方興，在物理實(shí)驗(yàn)研究層面，我國(guó)學(xué)者不僅利用智能手機(jī)的內(nèi)置功能演示多種物理現(xiàn)象而且能嘗試?yán)檬謾C(jī)里搭載的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué).與此同時(shí)，德國(guó)學(xué)者Vogt和Kuhn，于2012年發(fā)表首次利用智能手機(jī)里的加速度傳感器定量研究自由落體、彈簧、單擺的論文，此后他們?cè)诿绹?guó)物理教師協(xié)會(huì)下的《The Physics Teacher》創(chuàng)辦專欄，征收大量有關(guān)將智能設(shè)備應(yīng)用到物理教學(xué)中的文章[6～9].除《The Physics Teacher》外，英國(guó)皇家物理學(xué)會(huì)文獻(xiàn)庫(IOP)收錄的《Physics Education》和《European Journal of Physics》自2013年起發(fā)表有關(guān)智能手機(jī)進(jìn)行物理教學(xué)的文章.

在物理教育技術(shù)應(yīng)用研究層面，畢海濤(2011)首次將“移動(dòng)學(xué)習(xí)”引入課堂，可利用智能手機(jī)及時(shí)在課堂上反映學(xué)生的表現(xiàn)，也可利用智能手機(jī)里的軟件與學(xué)生互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)師生溝通的無縫對(duì)接[10].程桂鵬(2012)、張丹彤(2014)各自在兩人的文章中提出利用手機(jī)拍照、錄屏功能在課堂上分享生活中的物理現(xiàn)象；利用相關(guān)軟件構(gòu)件虛擬化實(shí)驗(yàn)室；通過手機(jī)內(nèi)傳感器和外擴(kuò)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，以及設(shè)置權(quán)限，禁止學(xué)生玩手機(jī)等方法和建議[11,12].

1.3 發(fā)展期(2014年至今)

從2014到2019年12月，本文搜索到國(guó)內(nèi)外有關(guān)智能手機(jī)的研究論文100多篇，其中大部分的文章是利用智能手機(jī)定性定量分析物理現(xiàn)象.小部分文章是研究智能手機(jī)在教學(xué)中的教育技術(shù)應(yīng)用，但從作者分布情況來看，其文章來源于世界上多個(gè)國(guó)家，說明有關(guān)智能手機(jī)在物理教學(xué)中的應(yīng)用正在受到人們的重視，相信在未來此研究領(lǐng)域會(huì)碩果累累.

2 智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

智能手機(jī)在物理中的實(shí)驗(yàn)研究范圍廣闊，其主要是通過安卓或iPhone手機(jī)上拍照、錄屏、慢動(dòng)作回放功能以及手機(jī)上搭載的傳感器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，近幾年來已涵蓋了力學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，本文根據(jù)所查閱的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)上述5個(gè)分類進(jìn)行整理.

2.1 力學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.1.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

此類實(shí)驗(yàn)巧妙利用了智能手機(jī)的內(nèi)置功能和搭載的傳感器測(cè)量角速度、加速度等物理量，演示或者證明物理學(xué)中的定理或定律.幫助學(xué)習(xí)者理解具體相關(guān)的物理知識(shí).

如Asif Shakur和Jakob Kraft(2016)同時(shí)使用了智能手機(jī)的三軸陀螺儀測(cè)量角速度和加速度計(jì)的輸出功能，測(cè)速儀測(cè)量智能手機(jī)在旋轉(zhuǎn)軌道平坦部分滑動(dòng)時(shí)所經(jīng)歷的加速度(如圖1所示).科里奧利加速度可利用公式計(jì)算

圖1 驗(yàn)證科里奧利加速度實(shí)驗(yàn)

發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與理論值吻合較好，定量驗(yàn)證科里奧利加速度對(duì)旋轉(zhuǎn)軌跡角速度和滑動(dòng)智能手機(jī)速度的依賴性[13].

Jesus和Sasaki(2016)利用手機(jī)里的加速度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)用相應(yīng)App軟件顯示圖像中速度數(shù)值，在手機(jī)前端固定環(huán)形彈片來驗(yàn)證一條直線上的動(dòng)量守恒(如圖2所示)[14].而Vanda Pereira等人將兩個(gè)智能手機(jī)攝像頭與Vid Analysis免費(fèi)App軟件一起使用去追蹤三維運(yùn)動(dòng)空間兩個(gè)球在空氣中碰撞時(shí)的位置(如圖3所示).其速度的大小很容易從距離圖像中得到，再根據(jù)已知碰撞小球的質(zhì)量計(jì)算碰撞前后的動(dòng)量，以此來驗(yàn)證三維空間的動(dòng)量守恒定律[15].

圖2 驗(yàn)證一條直線上的動(dòng)量守恒

圖3 三維運(yùn)動(dòng)空間中的碰撞

Salinas和Gimenez(2019)等人利用智能手機(jī)加速傳感器演示平行軸定理(如圖4所示)，利用公式推導(dǎo)出轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω和轉(zhuǎn)動(dòng)周期T的關(guān)系如下

圖4 演示平行軸定理

通過改變轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω和測(cè)量周期T,并通過軟件繪出圖像發(fā)現(xiàn)T2與d2成正比，剛體的平行軸定理得以驗(yàn)證[16].

2.1.2 觀察性實(shí)驗(yàn)

此類實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是，利用智能手機(jī)對(duì)研究對(duì)象的特征進(jìn)行觀察和記錄，并對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行描述和對(duì)比分析.

如張坤華(2017)利用手機(jī)的攝像功能研究伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)，并通過暴風(fēng)影音軟件逐幀播放，得到了小球在相鄰兩幀之間的距離相等，以此得到速度大小不變的結(jié)果，他還利用“加速度傳感器軟件”采集數(shù)據(jù)的功能讓學(xué)生進(jìn)行下蹲和站起兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，以此來觀察和研究超重和失重[17].Nicolas,Alexandre Goy等人(2017)利用手機(jī)照相功能觀察液體的表面張力，并通過測(cè)量照片中不同液體在懸滴時(shí)的直徑來定量觀察測(cè)量液體表面張力與液體種類的關(guān)系，幫助學(xué)生理解表面張力的概念[18].王蕾(2018)則通過手機(jī)拍攝視頻并用其慢動(dòng)作功能分析研究平拋運(yùn)動(dòng)，很直觀地展示了平拋運(yùn)動(dòng)是水平方向的勻速運(yùn)動(dòng)和豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)[19].

2.1.3 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

此類實(shí)驗(yàn)主要是在掌握了一定實(shí)驗(yàn)技能和方法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用所學(xué)物理學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，利用智能手機(jī)所搭載的傳感器測(cè)量記錄所需物理量并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，最終得出準(zhǔn)確的研究結(jié)果.

如Unofre Pili和Renante Violanda(2018)將小磁鐵固定在在電風(fēng)扇的扇葉上(如圖5所示)，并利用智能手機(jī)搭載的磁傳感器所得到的時(shí)間函數(shù)和公式

圖5 圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

計(jì)算平均角速度，進(jìn)而研究圓周運(yùn)動(dòng)[20].

Unofre Pili 通過吊墜小燈泡(2018)和小磁鐵(2019)的彈簧在豎直方向振蕩，設(shè)計(jì)利用手機(jī)搭載的光傳感器和磁傳感器得到相應(yīng)的振動(dòng)圖像并通過公式

計(jì)算彈簧的勁度系數(shù)κ[21,22].

對(duì)于單擺運(yùn)動(dòng)國(guó)內(nèi)外近幾年的研究成果也相當(dāng)豐富，其主要是利用公式

在已知擺長(zhǎng)和測(cè)量所得的單擺周期來計(jì)算重力加速度，我國(guó)學(xué)者是直接拿手機(jī)當(dāng)懸掛物體通過手機(jī)傳感器軟件直接獲取相關(guān)數(shù)據(jù)[23].國(guó)外學(xué)者有用小磁鐵代替手機(jī)運(yùn)動(dòng)，通過手機(jī)磁傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；還有利用小鐵球和手機(jī)光傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(如圖6所示)[24,25].綜上，無論是利用哪種傳感器，都是為了獲取單擺運(yùn)動(dòng)的周期，進(jìn)而得出重力加速度.

圖6 單擺運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

2.2 電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)

了解各個(gè)磁體的磁現(xiàn)象是研究電磁學(xué)的基礎(chǔ).對(duì)于天然磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，Enrique Arribas(2015)等人利用智能手機(jī)測(cè)定小磁鐵周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度B與距離x的關(guān)系(如圖7所示)，并在圖紙上繪制B-x空間分布曲線[26].

圖7 測(cè)小磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度

對(duì)于地磁場(chǎng),曾心,劉健智(2019)借助手機(jī)自帶的指南針軟件，直接顯示地磁場(chǎng)的方向，再打開Smart Toolkit軟件，點(diǎn)擊金屬探測(cè)器，顯示出空間磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化關(guān)系[27].

對(duì)于電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外研究者(2019)利用磁傳感器，通過改變手機(jī)到通電線圈的距離分別深入研究了一根通電直導(dǎo)線、環(huán)形導(dǎo)線、環(huán)形線圈和一對(duì)相互平行的通電環(huán)形線圈，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向、大小以及磁場(chǎng)的分布狀態(tài)(如圖8所示).而這些研究成果基本上包含了中學(xué)生需要了解和掌握的磁現(xiàn)象[28,29].

圖8 測(cè)通電導(dǎo)線磁感應(yīng)強(qiáng)度

2.3 聲學(xué)實(shí)驗(yàn)

Lars Jochen Thoms(2018)等人利用智能手機(jī)和耳機(jī)做聽力測(cè)試，讓其呈現(xiàn)不同級(jí)別和不同頻率的聲音給測(cè)試者聽，讓他們指出自己的聽覺能夠感知的最小聲音，以此來確定每個(gè)頻率的最低級(jí)別(聽力閾值)[30].

在分析聲音特性的實(shí)驗(yàn)中，Catalin Florea(2019)借助智能手機(jī)和能夠提供基本聲音分析的應(yīng)用程序，將頻率、響度、時(shí)間集于一張圖內(nèi)，識(shí)別分析出不同物體振動(dòng)所發(fā)出的聲音[31].

在多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，王靜(2019)等人則運(yùn)用兩部手機(jī)，其中一部用 “Tone generator”功能發(fā)出固定頻率的聲音，另一部使用PhyPhox軟件里的“Doppler effect”功能對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)定多普勒效應(yīng)[32].

測(cè)量空氣中的聲速實(shí)驗(yàn)中，惠宇潔(2018)利用PhyPhox軟件中的聲學(xué)秒表功能讓兩個(gè)學(xué)生分別持2部手機(jī)在距離為d的場(chǎng)地上，通過手機(jī)記錄的時(shí)間差值和最原始的速度公式測(cè)量聲速的大小[23].Simen Hellesund(2019)則利用管子和安裝有頻率分析軟件的智能手機(jī)測(cè)定復(fù)合音基頻f0并利用公式

v=4lf0

在已知管長(zhǎng)l的條件下來計(jì)算聲速大小[33].

2.4 光學(xué)實(shí)驗(yàn)

Giuseppe Colicchia(2015)利用智能手機(jī)里的與攝像機(jī)傳感器的視軸一致集成LED光源,通過瞳孔拍攝眼底(視網(wǎng)膜)的照片或視頻.解釋人眼的成像光學(xué)原理(如圖9所示)[34].

圖9 光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)

Chun Ming Chiang(2019)則借助手機(jī)的光傳感器定量地測(cè)量了光的偏振中的布儒斯特角度(如圖10所示)[35].

圖10 測(cè)量布儒斯特角度實(shí)驗(yàn)

2.5 熱學(xué)實(shí)驗(yàn)

由于手機(jī)里并無搭載溫度傳感器，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者依然根據(jù)手機(jī)的其他功能去研究熱力學(xué)中的實(shí)驗(yàn)，比如可以通過外接溫度傳感器測(cè)定溫度[36]；通過手機(jī)的延時(shí)攝影觀察氣體的擴(kuò)散現(xiàn)象[19]；運(yùn)用手機(jī)的拍照功能跟蹤冷卻體溫度，研究冷卻曲線(如圖11所示)[37].

圖11 研究冷卻曲線實(shí)驗(yàn)

3 智能手機(jī)在物理教學(xué)方式方法中的應(yīng)用

3.1 智能手機(jī)在課前的應(yīng)用

我國(guó)學(xué)者提出可通過手機(jī)的搜取信息、識(shí)別信息、編碼信息的功能(如百度百科、云脈文檔識(shí)別、訊飛輸入法、WPS、HTML5)獲取教學(xué)資源進(jìn)行備課[38].還可讓學(xué)生課前在家中通過智能手機(jī)移動(dòng)終端獲取優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻(如慕課網(wǎng)站、優(yōu)酷客戶端的教育頻道板塊、知牛網(wǎng)、iH5)學(xué)習(xí)，教師則在課堂上指導(dǎo)幫助學(xué)生解決疑難，以實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式.

3.2 智能手機(jī)在課堂上的應(yīng)用

由于智能手機(jī)具有傳遞信息的功能，可利用智能手機(jī)下載遙控軟件(如茄子快傳、SeewoLink、獵豹免費(fèi)Wi-Fi遙控、愛莫助手、希沃助手)或者利用手機(jī)連接同屏器打開同屏功能播放課件，擴(kuò)大教師的活動(dòng)范圍，同時(shí)可拍照課堂上學(xué)生的練習(xí)，進(jìn)行有針對(duì)性的講解；下載相關(guān)軟件(如Total Control，QQ、微信的視頻功能)和利用手機(jī)的無線投影技術(shù)，直播演示實(shí)驗(yàn)過程確保實(shí)驗(yàn)可信度.

3.3 智能手機(jī)在課外的應(yīng)用

利用智能手機(jī)，一方面可隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)探究；另一方面可利用相應(yīng)軟件(如猿題庫、QQ的題庫功能)布置作業(yè)，監(jiān)測(cè)反饋學(xué)生們的作業(yè)情況，減輕教師評(píng)卷負(fù)擔(dān)以提高后續(xù)教學(xué)的目的性和有效性；還可通過創(chuàng)立教師的微信公眾號(hào)，定期發(fā)布知識(shí)點(diǎn)和物理方法供學(xué)生學(xué)習(xí)[39～41].

4 智能手機(jī)在物理教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

通過上述對(duì)智能手機(jī)在實(shí)驗(yàn)和教育技術(shù)中的應(yīng)用介紹，不難看出手機(jī)的強(qiáng)大功能在教學(xué)中體現(xiàn)出它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[42].

4.1 價(jià)格適中 普及率高

目前市場(chǎng)中的智能手機(jī)功能完善且基本都搭載有十幾種傳感器，大部分滿足物理實(shí)驗(yàn)的需求.且平均每部的造價(jià)在千元左右，比起數(shù)字實(shí)驗(yàn)室里萬元左右的DIS數(shù)字傳感系統(tǒng)，智能手機(jī)在日常實(shí)驗(yàn)中的使用就占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì).

4.2 數(shù)據(jù)測(cè)量 快速便捷

智能手機(jī)是個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，不受數(shù)據(jù)線的限制，且現(xiàn)在的傳感器軟件基本都趨于數(shù)字化.

測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)者可以隨時(shí)隨地的去進(jìn)行相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn).

4.3 新型媒體 功能廣泛

智能手機(jī)是為了交互信息而產(chǎn)生的，因此在教學(xué)過程中，強(qiáng)大的手機(jī)功能可以為教師進(jìn)行現(xiàn)代化教學(xué)提供必要的硬件支持，幫助教師將更多的精力聚焦在學(xué)生身上.

5 智能手機(jī)在物理教學(xué)中的應(yīng)用展望

近年來，智能手機(jī)在實(shí)驗(yàn)中、教學(xué)中都表現(xiàn)出優(yōu)越性，但是否運(yùn)用智能手機(jī)教學(xué)就一定能產(chǎn)生良好的教學(xué)效果呢，這就需要實(shí)證研究，Mazzella嘗試探討以智能手機(jī)為基礎(chǔ)的活動(dòng),研究學(xué)生對(duì)加速度概念理解的有效性.結(jié)果表明，基于智能手機(jī)的活動(dòng)可以是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的有效替代，對(duì)希望在中學(xué)階段開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的教師來說是一種有價(jià)值的幫助.也就是說,運(yùn)用手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)確實(shí)能在某些方面促進(jìn)學(xué)生對(duì)概念的理解.由于智能手機(jī)是最近10年才在我國(guó)逐漸普及開，所以我國(guó)尚未開啟智能手機(jī)教學(xué)的實(shí)證研究，但是確實(shí)是個(gè)可深入研究的領(lǐng)域.另外，我們還可以嘗試把智能手機(jī)搭載的傳感器應(yīng)用到更多的物理實(shí)驗(yàn)中去.

由最近幾年的手機(jī)使用群體大部分是年輕人的現(xiàn)象可以看出，手機(jī)的上網(wǎng)功能無論對(duì)于初中生還是高中生都充滿著誘惑，所以可以有針對(duì)性地加強(qiáng)學(xué)生在用手機(jī)上網(wǎng)時(shí)的權(quán)限限制，開發(fā)App去監(jiān)控學(xué)生在課堂上的手機(jī)使用狀況，保證課堂的教學(xué)效率.