基于移動(dòng)終端的高中物理自主探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與案例研究

林蕓　陳翠　邱雯雯

摘 要：利用移動(dòng)終端開(kāi)展高中物理自主探究實(shí)驗(yàn)，旨在幫助學(xué)生將具體的物理知識(shí)、抽象概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際的動(dòng)手實(shí)踐并進(jìn)行本質(zhì)探究，充分感知物理現(xiàn)象，完成物理規(guī)律的構(gòu)建，切身感受物理學(xué)科的魅力.本研究建立在以移動(dòng)終端為載體的高中物理自主探究實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為教師們提供實(shí)驗(yàn)方案和設(shè)計(jì)思路，為學(xué)生們提供實(shí)驗(yàn)資源和實(shí)驗(yàn)方法，以期為推動(dòng)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和教學(xué)評(píng)價(jià)等方面的改革開(kāi)辟一條新路徑.

關(guān)鍵詞：移動(dòng)終端;高中物理;自主探究實(shí)驗(yàn);教學(xué)設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)案例

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）01-0034-06

作者簡(jiǎn)介：林蕓（1986-），女，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué);

陳翠（1987-），女，碩士，中學(xué)二級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué);

邱雯雯（1994-），女，本科，中學(xué)二級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

2020年初，新冠肺炎突如其來(lái)，擾亂了人們正常生活和學(xué)習(xí)的步伐.疫情防控期間，全世界首次大規(guī)模地采用在線教學(xué)模式，這是一場(chǎng)前所未有的教育教學(xué)變革.在線教學(xué)打破了傳統(tǒng)課堂中物理空間和時(shí)間的限制，讓學(xué)習(xí)活動(dòng)可以更加自由地進(jìn)行.疫情之后，教師和學(xué)生一定會(huì)以新的視角來(lái)看待以往的課堂教學(xué).物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是物理發(fā)展的源泉，也是認(rèn)識(shí)物理、學(xué)習(xí)物理的基礎(chǔ)，在幫助學(xué)生理解物理規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力方面具有不可替代的教育功能和重要作用.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同于理論課程教學(xué)，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手操作[1].將理論學(xué)習(xí)與動(dòng)手操作相結(jié)合，是優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性的關(guān)鍵.目前，搭載著由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和相關(guān)數(shù)字化系統(tǒng)軟件（APP）組成的移動(dòng)終端（如智能手機(jī)、平板電腦），具有體積小、攜帶方便，以及采集數(shù)據(jù)高效、精確等優(yōu)點(diǎn)，能幫助學(xué)生更好地從具體經(jīng)驗(yàn)到抽象概念、規(guī)律的構(gòu)建，以全新的面貌呈現(xiàn)出物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新趨勢(shì).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)教學(xué)首先要解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備的獲取問(wèn)題，尤其是物理量的測(cè)量問(wèn)題.由于許多傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，不僅取材不易，還受到空間和時(shí)間的限制，學(xué)生無(wú)法隨時(shí)隨地開(kāi)展實(shí)驗(yàn).因此，我們需要轉(zhuǎn)變思路，盡可能地利用身邊易得的器材來(lái)設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn).本文的實(shí)驗(yàn)器材，主要指移動(dòng)終端和簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)器材兩部分.實(shí)驗(yàn)器材可以就地取材，鼓勵(lì)學(xué)生利用智能手機(jī)、平板電腦和身邊的簡(jiǎn)單材料對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行探究，增進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)、進(jìn)行探究現(xiàn)象本質(zhì)的能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)于物理的興趣.

移動(dòng)終端，也叫移動(dòng)通信終端，是指可以在移動(dòng)中使用的計(jì)算機(jī)設(shè)備，廣義上包括手機(jī)、筆記本電腦等.但是，大部分情況下是指具有多種應(yīng)用功能的智能手機(jī)以及平板電腦，它們具有強(qiáng)大的信息處理能力，可以查資料、拍照、播放視頻（音頻）等等[2].更重要的是，隨著科技的發(fā)展，許多精巧的傳感器開(kāi)始被搭載于移動(dòng)終端如智能手機(jī)或平板電腦之上，這些傳感器主要有加速度傳感器、重力傳感器、氣壓傳感器、聲音傳感器、光傳感器、磁感應(yīng)強(qiáng)度及角速度傳感器等，具有測(cè)量高度、加速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度，記錄光強(qiáng)，接收并分析信號(hào)等大量實(shí)用功能，一般情況下，下載相應(yīng)的APP就可以實(shí)現(xiàn)物理量的測(cè)量.

實(shí)驗(yàn)器材：包括實(shí)驗(yàn)室普通器材（如鐵架臺(tái)、刻度尺、小車、軌道、量筒、學(xué)生電源等）和身邊的便攜器材（如杯子、卷尺、盒子、硬紙板、乒乓球等，包括網(wǎng)絡(luò)購(gòu)置的簡(jiǎn)易定制器材如亞克力管、強(qiáng)磁鐵、外接溫度探頭等）.

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)目標(biāo)

引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展與教學(xué)內(nèi)容匹配的自主探究實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、數(shù)據(jù)處理能力和評(píng)價(jià)分析能力.

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案貫穿整個(gè)高中物理的幾大知識(shí)板塊（見(jiàn)表1），由測(cè)量理論、力學(xué)、熱學(xué)、振動(dòng)與波、電磁學(xué)、課外探究實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)七部分組成.教師們可以根據(jù)學(xué)校和學(xué)生的實(shí)際情況，有目的、有組織、有選擇地開(kāi)展自主探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量.

2.3 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

力學(xué)實(shí)驗(yàn)：利用智能手機(jī)傳感器APP“Phyphox”的GPS（全球衛(wèi)星定位）功能測(cè)量地球的半徑：通過(guò)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的經(jīng)緯度，得出經(jīng)線的圓心角，在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離后可根據(jù)弧度測(cè)量法較為精確地計(jì)算出地球半徑[3] ;利用智能手機(jī)“Phyphox”的Elevator（電梯）功能測(cè)量垂直電梯的速度：通過(guò)內(nèi)置的氣壓傳感器來(lái)測(cè)量垂直高度從而間接測(cè)出速度.

熱學(xué)實(shí)驗(yàn)：利用智能手機(jī)外接OTG溫度傳感器（雙探頭）研究材料的傳熱性質(zhì)：在兩個(gè)鋁盒表面分別貼上黑色膠紙和白色反光膠紙，用鹵鎢燈模擬太陽(yáng)光照，通過(guò)OTG溫度傳感器配套的軟件界面獲取鋁盒內(nèi)溫度變化情況，可以研究不同材料的導(dǎo)熱特性（圖1）.

光學(xué)實(shí)驗(yàn)：利用智能手機(jī)的光強(qiáng)傳感器研究發(fā)光強(qiáng)度與光源距離的關(guān)系：用兩臺(tái)手機(jī)支架和米尺制作簡(jiǎn)易光具座.其中一臺(tái)打開(kāi)手電筒功能，另一臺(tái)手機(jī)打開(kāi)“Phyphox”的Light（光強(qiáng)）功能，就可以測(cè)量不同位置的發(fā)光強(qiáng)度（圖2）.

電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)：利用智能手機(jī)內(nèi)置3D磁力探測(cè)器（一般安裝在手機(jī)頂部）測(cè)量空間磁感應(yīng)強(qiáng)度：如用坐標(biāo)紙和圓柱形強(qiáng)磁鐵制作簡(jiǎn)單教具，研究小磁鐵周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度與場(chǎng)源距離的關(guān)系（圖3）;設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路，研究通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)分布（圖4）.

聲學(xué)實(shí)驗(yàn)：利用智能手機(jī)或平板電腦“Phyphox”的Sonar（聲吶）功能測(cè)量距離：通過(guò)回聲原理和聲速測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距;利用兩臺(tái)安卓系統(tǒng)智能手機(jī)來(lái)研究聲音的多普勒效應(yīng)（圖5）：其中一臺(tái)安裝APP“聲音分析儀”作為接收器（觀察者），另一臺(tái)安裝APP“頻率的聲音發(fā)生器”作為發(fā)射器（聲源），然后握在手上揮動(dòng)手臂使其做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)發(fā)射器發(fā)出一定頻率的聲音并相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器的聲音分析儀界面就能顯示頻率的變化情況;利用手機(jī)或平板電腦APP“聲音分析儀”、酒杯、量筒、量杯等探究酒杯發(fā)聲頻率與杯中液體體積的關(guān)系（圖6）：通過(guò)手指蘸取液體摩擦杯沿發(fā)聲，用聲音分析儀測(cè)量發(fā)聲頻率.利用智能手機(jī)內(nèi)置的聲音傳感器來(lái)研究空氣駐波，測(cè)量聲音的速度（圖7）：購(gòu)置定制的透明亞克力玻璃管（長(zhǎng)1m、直徑10cm）作為空氣柱的載體，一臺(tái)智能手機(jī)安裝“Sound Generator（頻率的聲音發(fā)生器）”作為信號(hào)發(fā)生器置于管的一端，另一臺(tái)用蘋果手機(jī)安裝“示波器”作為信號(hào)接收器，貼在木制刻度尺（或長(zhǎng)條木板）上，移動(dòng)尺子（木板）的同時(shí)觀察“示波器”界面波形的變化，根據(jù)振幅的變化（最大值和最小值）即可確定空氣駐波波腹和波節(jié)的位置，從而測(cè)量出聲波的波長(zhǎng)，最后計(jì)算出聲音在空氣中的傳播速度.

4 結(jié)論與建議

綜上，對(duì)基于移動(dòng)終端開(kāi)發(fā)的高中物理自主探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，并在高中物理教學(xué)中利用移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行教學(xué).得到如下結(jié)論.

4.1 真實(shí)的物理情境，更能夠探究生活中的物理

移動(dòng)終端尤其是智能手機(jī)的便攜性為教師營(yíng)造物理情境帶來(lái)極大的便利，可直接探究生活中的物理現(xiàn)象.比如，利用“Phyphox”APP測(cè)量垂直電梯速度的實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)者帶著裝有“Phyphox”APP且配有氣壓傳感器的手機(jī)乘坐電梯，可以明顯觀察到電梯在加速、減速過(guò)程中的加速度，同時(shí)也會(huì)給出圖像，學(xué)生們不僅能觀察速度的變化，還可以深入理解電梯在運(yùn)行過(guò)程中的超重、失重等現(xiàn)象.在以往的常規(guī)教學(xué)中，該知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)大多數(shù)教師靠講解來(lái)完成，學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解并不透徹.建議教師以布置作業(yè)的形式，讓學(xué)生帶著手機(jī)坐電梯，觀測(cè)加速度、速度的變化.這樣，實(shí)驗(yàn)不再局限于課堂，真正實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放，充分體現(xiàn)物理來(lái)源于生活，實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)課堂.

4.2 形象的結(jié)果展示，更能夠加深原理的理解

移動(dòng)終端把一些感受性、抽象性的信號(hào)以圖表、數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)在終端屏幕，用數(shù)據(jù)“說(shuō)話”.而在一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)變化比較難捕捉，利用移動(dòng)終端進(jìn)行測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測(cè)量.比如，駐波法測(cè)量聲速的實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用示波器、聲音發(fā)射器及實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察示波器上波的振幅來(lái)說(shuō)明聲波振幅與頻率的關(guān)系，要求學(xué)生將感性的體驗(yàn)上升到理性的思考.而利用移動(dòng)終端進(jìn)行聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)依靠“聲音分析儀”APP來(lái)測(cè)量波形圖，能夠在屏幕上明顯呈現(xiàn)出共振波形圖逐漸變化的圖樣，且振幅變化強(qiáng)烈.而且，利用馬克筆在自制亞克力管上標(biāo)記聲波出現(xiàn)共振的位置能夠讓學(xué)生很好地理解駐波法測(cè)聲波的原理，提升教學(xué)效果.

4.3 直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，更能夠反映現(xiàn)象的基本規(guī)律

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于受實(shí)驗(yàn)儀器和手段的限制，一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不易準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)驗(yàn)難以完成，實(shí)驗(yàn)效果和教學(xué)效果上仍然存在缺陷.利用移動(dòng)終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，引入新的測(cè)量方法，解決了數(shù)據(jù)難以測(cè)量的問(wèn)題，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、快速高效，在顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)這一方面優(yōu)勢(shì)明顯.基于移動(dòng)終端的實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生把重心放在物理規(guī)律的學(xué)習(xí)上，這也與科學(xué)探究的目的相吻合，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)充分進(jìn)行科學(xué)探究并組織探究性學(xué)習(xí)，能夠更加有效地培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力.比如，探究光強(qiáng)與光源距離的關(guān)系時(shí)，兩部手機(jī)中的一部打開(kāi)手電筒功能，另外一部則打開(kāi)“Phyphox”的“光強(qiáng)”功能，在兩部手機(jī)之間放上米尺，讓帶有“Phyphox”APP的手機(jī)沿直尺運(yùn)動(dòng)，可以在手機(jī)界面看到非常明顯的光強(qiáng)變化，并且圖像呈現(xiàn)指數(shù)衰變的特點(diǎn).

在科學(xué)飛速發(fā)展和數(shù)字化技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)的時(shí)代背景下，教師宜合理利用移動(dòng)終端開(kāi)展高中物理自主探究實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生從具體的經(jīng)驗(yàn)到抽象概念、規(guī)律的構(gòu)建，讓教學(xué)保持在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)，幫助學(xué)生真正掌握物理概念和規(guī)律的含義.同時(shí)，將基于移動(dòng)終端的實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整合起來(lái)，教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)，用身邊的實(shí)驗(yàn)來(lái)貼近與學(xué)生的距離，使研究的問(wèn)題更加豐富.

參考文獻(xiàn)：

[1]張?jiān)雒?64學(xué)時(shí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)方案及其設(shè)計(jì)思路[J].物理與工程，2020（02）：7-10.

[2]徐慧.基于移動(dòng)終端設(shè)備iPad的高中物理教學(xué)——以《能量守恒定律與能源》為例[J].物理教學(xué)探討，2014，32（12）：60-65.

[3]劉智謙.使用手機(jī)GPS定位軟件巧測(cè)地球半徑[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2018，35（01）：71-72.

[4]李新鄉(xiāng)，張軍朋.物理教學(xué)論（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，2016.

（收稿日期：2020-08-08）