基于智能手機優(yōu)化高中物理實驗提升學(xué)生物理觀念的研究*

袁家文

(南京市雨花臺中學(xué)岱山校區(qū) 江蘇 南京 210012)

季衛(wèi)新

(南京市雨花臺區(qū)教師發(fā)展中心 江蘇 南京 210012)

1 研究背景

《中國教育現(xiàn)代化2035》明確提出加快信息化時代教育變革,建設(shè)智能化校園,改革現(xiàn)有的課程形式,在教學(xué)手段現(xiàn)代化方面進行創(chuàng)新.在2022版物理課程標(biāo)準(zhǔn)中,也明確要求要在教學(xué)中發(fā)揮多媒體教學(xué)優(yōu)勢,促進教育信息化、現(xiàn)代化的實現(xiàn).近年來隨著科技的進步,手機已經(jīng)從傳統(tǒng)的通訊工具升級為集多種傳感器為一體的智能化終端,由于智能手機具有功能眾多、傳感器種類繁多且靈敏、可視化強、普及率高、便于攜帶使用等特點,可以使物理課堂的演示實驗得以較好的優(yōu)化和創(chuàng)新.

隨著科技的發(fā)展,智能手機的芯片迎來5nm時代,不僅具有了強大的計算能力,還有各類強大的AI能力、種類繁多且功能強大的傳感器,結(jié)合各類投屏、共享軟件功能的完善,智能手機成為了物理演示實驗的重要手段.利用智能手機進行演示實驗,可以解決物理實驗資源不均衡的問題[1].而且,相比于傳統(tǒng)的DIS傳感器更容易讓學(xué)生體驗到物理來源于生活,可以讓學(xué)生在課下主動用智能手機設(shè)計并進行一些常見的物理實驗,發(fā)現(xiàn)身邊的物理規(guī)律,可以有效地提升學(xué)生的物理觀念,從而提升物理課堂教學(xué)效果.

2 智能手機硬件和相關(guān)軟件介紹

一部智能手機,最核心的硬件如CPU(手機中央處理器)、NPU(嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器)、攝像頭、內(nèi)存、運存等,硬件功能越強大手機性能越強.本文介紹基于智能手機的演示實驗中能用到的手機硬件、傳感器和需要的軟件.

2.1 攝像頭

目前智能手機的攝像頭主要有長焦、超廣角、潛望式長焦等.手機搭載的攝像頭越多,則可以使用的拍攝模式就越多.在物理實驗中常用到的就是60fps拍攝和慢動作拍攝.

手機慢動作拍攝常用的是480幀慢動作和960幀慢動作.480幀慢動作拍攝是每秒拍攝480張照片再以每秒30張照片播放,即將物體運動慢放16倍;960幀慢動作則是將運動慢放32倍.可以實時將肉眼無法直接觀測的快速運動直觀地展現(xiàn)出詳細(xì)的運動過程.

2.2 傳感器

為了應(yīng)對日益豐富的使用需求,智能手機可以通過自身配置的種類豐富的傳感器擴充手機功能,傳感器可以識別環(huán)境參數(shù)、手機位置、運動參數(shù)等轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信息傳輸給CPU、NPU進行處理,轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)據(jù)、圖表.

2.3 常用軟件

(1)Phyphox(物理工坊)APP

Phyphox中文名是物理工坊,是由德國亞琛工業(yè)大學(xué)第二物理研究所2016年開發(fā)的一款免費的可支持安卓及IOS系統(tǒng)的基于智能手機內(nèi)置傳感器的物理實驗軟件[2],涉及的傳感器及相關(guān)物理實驗如表1所示,將手機內(nèi)的傳感器進行分類,具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、操作簡單的特點.該軟件還可以根據(jù)實際的演示實驗需求,自行創(chuàng)建實驗方案.

表1 PhyphoxAPP 常用傳感器及適用的高中物理實驗[3]

(2)希沃白板APP和PC端

為了將手機上獲取的實驗數(shù)據(jù)快捷清晰地傳達給學(xué)生,提升學(xué)生課堂參與度,需要將智能手機的照片、視頻快速傳到電腦上,或者將手機屏幕共享到電腦上.希沃白板APP和PC端可以很好地滿足演示實驗的需求[4].

只需要在電腦上下載希沃白板PC版和手機上下載希沃白板APP,就可以利用“拍照上傳”“手機投屏”等功能,實時將手機拍攝的照片、視頻投屏到電腦上.相比其他投屏軟件,希沃白板具有操作方便、功能強大、清晰流暢、穩(wěn)定性強等優(yōu)勢[5].

(3)剪映APP

剪映是抖音出品的一款視頻編輯應(yīng)用,有著功能齊全、操作便捷的特點,可以將拍攝的視頻進行慢放、剪輯等操作.打開剪映APP,點擊“開始創(chuàng)作”,導(dǎo)入所需要修改的視頻文件,即可對導(dǎo)入的文件進行慢放、剪切、放大、倒放、定格等操作.從而可以在實驗時,更方便地讀取數(shù)據(jù),定量得出物理規(guī)律.

3 基于智能手機的演示實驗提升物理課堂教學(xué)實例設(shè)計探討

基于智能手機的演示實驗在課堂教學(xué)中有著巨大的優(yōu)勢,在教學(xué)實例設(shè)計和實行過程中,應(yīng)提升學(xué)生對設(shè)計方案進行分析總結(jié)的科學(xué)探究能力,引導(dǎo)學(xué)生由生活中隨處可見的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)物理知識,再將所學(xué)的物理知識遷移到日常生活中,真正做到“從生活走向物理”的教學(xué)理念[6].

根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn),筆者在此設(shè)計幾組不易在課堂展示、但對學(xué)生課堂學(xué)習(xí)又極其重要的演示實驗,用以提升學(xué)生物理觀念,從而提升物理課堂教學(xué)效果.

3.1 利用手機慢動作拍攝演示加速度突變現(xiàn)象

【實驗原理】

利用手機慢動作拍攝功能,記錄剪斷細(xì)繩后鉤碼的運動位置變化,演示鉤碼瞬時運動情況.

【實驗器材】

彈簧,鉤碼,刻度尺,鐵架臺,細(xì)繩,智能手機.

【實驗步驟】

(1)將彈簧、鉤碼、細(xì)繩、刻度尺按圖1固定在鐵架臺上,用三腳架固定智能手機,并用希沃白板APP將手機畫面投屏到電腦上.(2).打開手機慢動作拍攝功能,選擇960幀,點擊開始錄制.(3).剪斷細(xì)繩,用手機記錄鉤碼下落時的運動情況.

圖1 手機慢動作拍攝剪斷細(xì)線瞬間

【實驗結(jié)論】

通過慢動作拍攝的視頻,可以直觀地發(fā)現(xiàn)在剪斷細(xì)線的瞬間,下方鉤碼保持靜止,上方鉤碼向下加速.即可得到剪斷細(xì)線的瞬間,彈簧彈力保持不變.

【設(shè)計背景】

牛頓第二定律瞬時性問題的實驗因為變化太快難以用肉眼觀測,學(xué)生理解困難.而利用智能手機的慢動作拍攝功能后,能夠直觀地展示物體運動的瞬時特點,可以讓學(xué)生直觀地觀測到運動現(xiàn)象,化抽象為具象從而可以快速準(zhǔn)確地得出結(jié)論.

3.2 利用智能手機描繪彈簧振子位移-時間圖像

【實驗原理】

用手機60fps拍攝功能記錄彈簧振子的運動情況,用剪映APP進行慢放,讀取滑塊在運動過程中位置與時刻數(shù)據(jù),在Excel表格中繪制圖像進行擬合.

【實驗器材】

智能手機,滑塊,彈簧,氣墊導(dǎo)軌,氣泵.

【實驗步驟】

(1)將滑塊放置在氣墊導(dǎo)軌上,連接氣泵接通電源,對氣墊導(dǎo)軌進行調(diào)平.

(2)如圖2所示,用彈簧將滑塊固定在氣墊導(dǎo)軌上.

圖2 探究彈簧振子運動實驗裝置

(3)將手機用三腳架固定在離傳送帶一定位置處,打開攝像模式,選擇60fps拍攝,并用希沃APP將手機畫面投屏到電腦上.

(4)將滑塊拉到一定位置,由靜止釋放.

(5)將拍攝到的視頻導(dǎo)入到剪映APP中,選擇變速功能,將視頻慢放10倍并導(dǎo)出視頻.

(6)播放放慢后的視頻,暫停讀取時刻和位置數(shù)據(jù).

【數(shù)據(jù)處理】

選擇合適的時刻為計時起點,讀取位置和時刻并記錄在Excel中,用平滑圖像進行擬合.實驗數(shù)據(jù)和圖像如表2和圖3所示.

圖3 Excel中記錄數(shù)據(jù)并作圖

表2 實驗數(shù)據(jù)

【實驗結(jié)論】

簡諧振動的x-t圖像是正弦函數(shù)圖像.

【設(shè)計背景】

在研究簡諧振動運動過程中的位移-時間圖像時,實驗室的傳統(tǒng)實驗器材大多只能定性地描述運動的特點,學(xué)生在構(gòu)建運動模型時存在較大困難.通過使用手機高幀率拍攝后,再利用剪映軟件慢放.將讀取的數(shù)據(jù)錄入Excel中,即可擬合出簡諧振動過程中的位移-時間圖像.本實驗將定性實驗轉(zhuǎn)化為定量實驗,不僅可以提高學(xué)生物理探究能力,還可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高課堂效能.

3.3 利用智能手機加速度傳感器探究超重失重現(xiàn)象

【實驗原理】

人在體重秤上下蹲起立,利用Phyphox軟件記錄運動過程中的加速變化曲線圖.

【實驗器材】

裝有Phyphox的智能手機,體重秤.

【實驗步驟】

(1)人站立在體重秤上,保持智能手機豎直向上,運行Phyphox軟件,點擊加速度傳感器(含g),點開y方向加速度計.(2)保持手機平穩(wěn),點擊軟件右上角的三角形按鈕開始記錄.(3)快速下蹲,過一段時間迅速站起,同時觀察體重秤示數(shù)變化.(4)點擊軟件右上角的暫停完成數(shù)據(jù)記錄.

【數(shù)據(jù)處理】

手機記錄的圖像如圖4所示,觀察可知,下蹲過程中體重秤的示數(shù)先比自身重力大,后比自身重力小,站起的過程中體重秤的示數(shù)先比自身重力大,后比自身重力小.由Phyphox軟件記錄的加速度圖像可得,下蹲過程中加速度方向先豎直向下后豎直向上,站起過程中加速度方向先豎直向上后豎直向下.

圖4 Phyphox記錄下蹲和站起時加速度變化曲線

【實驗結(jié)論】

物體有豎直向下的加速度時,失重現(xiàn)象;物體有豎直向上的加速度時,超重現(xiàn)象.

【設(shè)計背景】

利用Phyphox軟件記錄的加速度圖像,清晰直觀地展現(xiàn)了下蹲和站起時的加速度變化.通過智能手機進行演示實驗,將身體動覺親身體驗和定量數(shù)據(jù)測算、邏輯歸納推理相結(jié)合,讓學(xué)生掌握超重和失重概念建立的過程,促進學(xué)生運動觀念和相互作用觀念的建立.

3.4 利用智能手機磁力計測量地磁場

【實驗原理】

利用Phyphox軟件測量地磁場方向和大小.

【實驗器材】

裝有Phyphox智能手機.

【實驗步驟】

(1)運行Phyphox軟件,使用希沃白板APP將手機畫面投屏到電腦上.(2)選擇磁力計,將手機水平放置在水平桌面上,保持手機平穩(wěn),點擊右上角三角形按鈕進行測量.(3)緩慢在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)手機,使x方向磁場為零,記錄此時手機指向以及y軸磁感應(yīng)強度和z軸磁感應(yīng)強度.

【數(shù)據(jù)處理】

圖5為手機記錄的相關(guān)數(shù)據(jù).實驗過程可知:

圖5 Phyphox記錄地磁場磁感應(yīng)強度

(1)移動過程中,z軸磁場大小幾乎不變且為負(fù)值.所以,地磁場豎直方向大小約為35μT,方豎直向下.(2)x軸磁場約為零時,y軸磁場約為25μT,方向由南向北.

【實驗結(jié)論】

南京市的地磁場大小約為43μT,方向由南向北斜向下.

【設(shè)計背景】

地磁場非常微弱難于測量而且干擾較大,而Phyphox利用算法可以相對精確地測量磁場的大小和方向,化抽象為具象、化定性為定量.不僅可以快速且有效地展示地磁場的方向,還可以讓學(xué)生真正地去測量地磁場的大小和方向,提升學(xué)生的科學(xué)思維與物理觀念.

3.5 利用聲音傳感器測量非彈性碰撞的能量損失

【實驗原理】

利用Phyphox軟件讀取聲音傳感器數(shù)據(jù),從而計算出小球兩次撞擊地面的時間間隔.

【實驗器材】

裝有Phyphox的智能手機,彈性小球.

【實驗步驟】

(1)運行Phyphox軟件,使用希沃白板APP將手機畫面投屏到電腦上.

(2)選擇(非)彈性碰撞,將手機放在水平桌面上,保持手機平穩(wěn),點擊右上角三角形按鈕進行測量.

(3)將一個彈性小球在一定高度由靜止下落.

(4)小球下落后會和地面發(fā)生多次碰撞,軟件會由聲音傳感器記錄小球落地時刻,并通過兩次碰撞的時間間隔計算出小球每次下落高度.

【數(shù)據(jù)處理】

通過高度變化,計算出小球在和地面碰撞時的能量損失.數(shù)據(jù)記錄如圖6所示.

圖6 Phyphox非彈性碰撞記錄數(shù)據(jù)

【實驗結(jié)論】

小球第二次碰撞后動能約為碰撞前71.9%.小球第三次碰撞后動能約為碰撞前71.9%.小球第四次碰撞后動能約為碰撞前70.08%.小球第五次碰撞后動能約為碰撞前74.12%.

【設(shè)計背景】

通過測量的數(shù)據(jù),讓學(xué)生估算出每次碰撞過程中能量損失比例,可以讓學(xué)生更直觀地認(rèn)識到彈性碰撞與非彈性碰撞的區(qū)別,激勵學(xué)生探究生活中的物理規(guī)律.

4 結(jié)束語

在科技和信息技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)今,在物理學(xué)科新課標(biāo)對于教學(xué)信息化、現(xiàn)代化的學(xué)科背景下,基于智能手機的演示實驗在物理課堂教學(xué)中更加契合時代對教育發(fā)展的要求,更加符合新課標(biāo)對學(xué)生素養(yǎng)能力培養(yǎng)的要求.

首先,智能手機具有普及性高、便捷性強的特點,基于智能手機的演示實驗,可以輔助或替代實驗儀器,對很多實驗資源短缺的學(xué)校有著很重要的意義.其次,智能手機數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、傳感器眾多、集成度高、穩(wěn)定性高、通用性強,避免了在實驗過程中需要帶各類傳感器、安裝眾多軟件的問題,也降低了實驗成本,以及教師不得不再學(xué)習(xí)許多相關(guān)知識的問題.最后,通過基于智能手機的演示實驗提升物理課堂教學(xué)實例可發(fā)現(xiàn),智能手機在實驗中,可以讓學(xué)生有更多的參與度、更高的學(xué)習(xí)興趣,對培養(yǎng)學(xué)生“生活處處是物理”的物理觀念具有巨大的效果.

當(dāng)然,由于基于智能手機的演示實驗與傳統(tǒng)演示實驗有較大區(qū)別,需要教師重新設(shè)計課堂教學(xué),使課堂教學(xué)更加有利于學(xué)生相關(guān)素養(yǎng)的提升.