利用GeoGebra和Phyphox軟件進行高效物理遠程教育的探索*
——以拍現(xiàn)象的物理教學為例

金惠吉 王靜

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

1 引言

由于新冠肺炎的影響，全球很多中小學校都在進行在線教育，雖然網(wǎng)絡教育有著可重復學習、學習時間地點較為自由等優(yōu)勢，但同時也有著很多不可避免的缺陷，最為突出的就是學習的低效率.造成效率低一方面在于學生自己主觀意志力薄弱，上課時難以注意力集中，很容易走神等，另一方面則是由于網(wǎng)絡教育本身存在一定的缺陷和局限，例如缺乏及時有效的互動，知識結(jié)構(gòu)不完善等[1].

就物理概念教學而言，雖然教師可以通過播放PPT的動態(tài)演示或是在“仿真物理實驗室”“Algodoo”等軟件里進行演示給學生觀看，但這些手段缺乏與學生的互動，而且都僅僅停留在演示作用，學生對形成這樣的物理情境背后是由什么物理規(guī)律支配的可能依然存在疑惑，因此效果并不理想.如果教師能夠?qū)W會善用GeoGebra軟件，既可以做到讓學生明白演示的物理情境是由什么物理規(guī)律所支配的，而且還能讓學生非常方便地自己動手操作，從而提高教學效果.另一方面，就物理實驗教學而言，可以通過如Phyphox，physics toolbox等手機實驗軟件讓學生居家實驗成為可能.

2 利用GeoGebra軟件實現(xiàn)拍現(xiàn)象演示與交互活動創(chuàng)建

將GeoGebra軟件用于物理教學國內(nèi)外的研究已有不少，但國內(nèi)目前的研究基本都僅僅停留在軟件操作和物理情境演示上，而對于軟件的交互功能卻鮮有研究.

用GeoGebra軟件實現(xiàn)拍現(xiàn)象的核心部分較為簡單，文獻[2]中已經(jīng)對如何在GeoGebra軟件中通過兩振動方程的疊加實現(xiàn)拍現(xiàn)象給出了具體操作方法.本文繼續(xù)介紹用兩個波函數(shù)疊加實現(xiàn)拍現(xiàn)象的方法，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個交互活動，以實現(xiàn)讓學生自己操作探索的目標.

圖1 體現(xiàn)了拍的特征的p(x)函數(shù)圖像

制作好要演示的對象后，首先在GeoGebra的官方網(wǎng)站[3]上登錄，點開“基本資料”選項，然后點擊“CREATE”(創(chuàng)建)，然后再點擊“Activity”(活動)即出現(xiàn)如圖2所示的界面，教師可以在其中設(shè)置標題，然后插入文本和GeoGebra文件，其中文本可以是知識點，也可以是對學生的指令等，引導學生自主探索. 這樣學生在教師的指導下就可以非常方便地在網(wǎng)頁端直接操作，加深對拍現(xiàn)象形成原理的理解.

圖2 創(chuàng)建活動的界面

添加完畢后保存即可在自己的“基本資料”中找到創(chuàng)建的活動，接著點擊分享鏈接后復制鏈接(本案例所制作的鏈接見文獻[4])發(fā)給學生，即可讓學生無論是在電腦端還是手機端都可以實現(xiàn)自主操作，而不需要下載任何軟件.

學生可在網(wǎng)頁端中直接通過改變滑動條從而改變兩波的頻率并觀察圖像，如圖3和圖4所示.

圖3 波1的角速度ω=17，波2的角速度ω′=20

圖4 波1的角速度ω=19，波2的角速度ω′=20

該方法一定程度上利用GeoGebra軟件提高了遠程學習互動性，從而提高學生的學習積極性和學習效率.學生在有了興趣以后，還可以布置課后的拓展作業(yè)，讓學生下載軟件自主模仿與探究并撰寫學習心得，讓學生組成興趣小組交流討論，組織班會課讓學得好的人分享學習心得等.這種教學方法是建構(gòu)主義的，引導學生自己建立這些模型.學生有機會加強他們對數(shù)學、信息技術(shù)以及物理知識的綜合能力，從而培養(yǎng)一種跨學科綜合運用所學知識解決問題的重要能力[5].

3 利用Phyphox軟件實現(xiàn)做拍現(xiàn)象的實驗演示

Phyphox是德國亞琛工業(yè)大學基于傳感器設(shè)計開發(fā)的物理實驗手機軟件，它可以通過調(diào)用手機的內(nèi)置傳感器對手機的運動情況和周圍環(huán)境進行相應的數(shù)據(jù)測量[6].

為了讓學生能夠在家就可以動手做實驗進一步認識拍現(xiàn)象，可以準備3個智能手機，然后利用Phyphox軟件進行實驗操作.首先打開其中兩個設(shè)備中Phyphox軟件里的“音頻發(fā)生器”(Tone generator)，設(shè)置它們的頻率相近，比如可分別為445.0 Hz和440.0 Hz.接著再打開第三個設(shè)備的Phyphox軟件里的“音頻范圍”(Audio Scope)，將時間范圍設(shè)置到500 ms，再通過調(diào)節(jié)兩個打開音頻發(fā)生器的手機音量，使其記錄到如圖5所示的拍.

圖5 設(shè)備3的“音頻范圍”界面，記錄了在500 ms內(nèi)兩聲波形成的拍

4 利用Phyphox軟件實驗演示結(jié)果測待測波頻率

若440 Hz為已知頻率ν1，445 Hz為待測頻率ν2，為了得到T拍，我們既可以將圖5的實驗數(shù)據(jù)導出到Excel表格中進一步進行數(shù)據(jù)分析，也可以直接通過左下角的“Pan and zoom” (平移和縮放)放大后直接觀察分析.本文為了方便起見，采用后一種方法.如圖6和圖7所示，為了得到T拍，我們將兩處相鄰最小振幅處放大，可以看到最小振幅對應的時間分別約為(85±5)s和(285±5)s.

圖6 圖5中的最小振幅處1

圖7 圖5中的最小振幅處2

考慮到ΔtΔν≥1，即若要無限地測準頻率，就需花費無限長的時間.另外周圍環(huán)境也會有一定的噪音干擾，因此頻率的測量必然不會太精確，但可以精確到整數(shù)位也足以給學生一種較為直觀的認識.

5 總結(jié)