基于物理課程與phyphox軟件的整合培養(yǎng)學生自主探究能力

林蔚然 鄭衛(wèi)峰

摘? ?要：學生自主探究能力具有發(fā)展性，需在自主探究過程中形成與發(fā)展。手機傳感器較傳統(tǒng)儀器更高效且易得、能觀測到一些傳統(tǒng)儀器無法觀測的物理現(xiàn)象。本文以“聲”為例，介紹通過phyphox軟件，實現(xiàn)課程與手機傳感器的整合，幫助學生利用手機傳感器在課前對新知識形成感性認知、在課堂自主設計并開展實驗探究、在課后解決知識疑惑或開展創(chuàng)新實驗提供簡便易行的方法，促進學生形成主動探索的學習習慣，培養(yǎng)探究能力。

關鍵詞：自主探究能力;智能手機傳感器;Phyphox;物理教學

1? 課程導向的轉(zhuǎn)變：從學習知識到培養(yǎng)能力，強調(diào)學生自主探究能力

隨著社會人才需求升級以及教育理念發(fā)展，以知識為導向的課程正在逐漸轉(zhuǎn)向以培養(yǎng)學生能力為導向的課程。2019年的《普通高中物理課程標準》中就曾明確提出“高中物理教學在課程實施上注重自主學習，讓學生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考”，物理作為以實驗為基礎的學科，自主學習的前提需要培養(yǎng)自主探究能力[ 1 ]。自主探究能力即是發(fā)現(xiàn)問題并圍繞問題利用自己的知識去解決問題的能力，其有三個特性：（1）習得性：自主探究能力是在不斷的推理、實驗、驗證等自主探究的過程中逐步形成的。（2）綜合性：自主探究能力是自學能力、問題解決能力、實驗能力、創(chuàng)造能力等綜合的能力。（3）發(fā)展性：自主探究能力隨著知識、經(jīng)驗的不斷豐富以及個體思維能力的發(fā)展而不斷提高[ 2 ]。因此，通過物理實驗是培養(yǎng)學生的自主探究能力重要途徑之一，在實驗過程中讓學生不斷探索未知，進行質(zhì)疑，假設，推理等高層次思維，形成主動探究的習慣，培養(yǎng)自主探究的能力。

2? 智能手機傳感器為自主探究實驗提供更多可能

2.1? 當前實驗教學的局限

當前大部分的中學物理實驗教學仍停留在“老師按考綱教實驗，學生按講解操作”的模式，未能真正讓學生經(jīng)歷完整的自主科學探究過程，究其原因主要受傳統(tǒng)的實驗器材和實驗課堂的限制 。目前中學實驗室的傳統(tǒng)儀器無法直接觀測到如磁、波、聲等物理現(xiàn)象;而物理量如速度、加速度等，雖能通過打點計時器測得，但操作繁瑣且無法觀測實時的動態(tài)變化。而傳統(tǒng)實驗課堂由于場地、儀器、課時長度、進度安排等原因，沒有時間給學生課上自主實驗，課下探究又面臨缺乏儀器或數(shù)據(jù)處理困難等問題。

2.2? 智能手機傳感器軟件Phyphox的介紹

傳感器相比傳統(tǒng)實驗器材具高效、直觀可視、可實時動態(tài)測量等優(yōu)點[ 3 ]，近年來科研實驗室、高校普遍都配有專業(yè)傳感器設備與PASCO、DIS等傳感器實驗系統(tǒng)。但在中學課堂滲透傳感器思想，讓學生能夠利用專業(yè)傳感器進行實驗仍難以實現(xiàn)。相比之下手機傳感器易獲得，體積小，數(shù)據(jù)采集軟件較DIS或PASCO系統(tǒng)操作要簡單許多。

為此作者綜合對比了“My Sensors”“Phyphox”“Sensor Sense”“Smart Tool kit”等多個手機傳感器軟件，在此介紹綜合效果較好的“Phyphox”軟件，讓教師利用手機傳感器代替實驗室專業(yè)傳感器，不僅便利物理課堂實驗教學，更為學生課后自主探究實驗提供簡便易行的方法。

Phyphox官網(wǎng)提供正版下載，在手機硬件配置傳感器的情況下，提供如壓力傳感器、重力傳感器、磁場傳感器、光傳感器、示波器等共29種功能?？赏ㄟ^手機控制，可定時運行或無線連接電腦操控，以手機作為儀器進行所需數(shù)據(jù)采集與圖表繪制，并通過“export date”下載詳盡的數(shù)據(jù)表格。此外，軟件的一大特色是其支持自主選擇多種傳感器組建實驗在同一過程同步采集數(shù)據(jù)，以研究更復雜的模型。

3? 基于手機傳感器實驗的學生自主探究式學習——以“聲”為例

本文以聲的學習為例，展示在教學中滲透傳感器實驗思想，使學生運用手機傳感器實現(xiàn)自主探究式學習，并在課前、課堂、課后中促進學生形成主動探究新事物的心向。

3.1? 課前的自主探索：通過聲音傳感器收獲對聲現(xiàn)象的感性認知

新知識的學習應該是一個探索新事物的過程，教學過程中應避免教師單方面地輸出。為此，課前讓學生在預習的基礎上利用phyphox中的示波器、分貝儀、頻率探測等功能對日常生活中的各種聲以及聲現(xiàn)象進行簡單的探索觀測，從而對聲現(xiàn)象和振動產(chǎn)生初步感性認知，如：

（1）課前實驗一：通過制造各種不同的聲音利用phyphox的audio scope功能觀測振動波形圖，感受什么是振動，理解振動頻率，振幅的概念，并且觀察各種不同聲音在示波器上產(chǎn)生的波形圖。

（2）課前實驗二：通過phyphox中的audio autocorelate功能觀測說話、朗讀、敲桌子等不同大小聲音，讓學生了解分貝這一聲音的量度單位。

（3）課前實驗三：在房間內(nèi)用音響播放歌曲，手機打開分貝儀功能放在門外，關上門后分貝儀示數(shù)會明顯變小，說明聲在傳播的過程會受到某些不同程度的阻礙。

通過這一類的探索，不僅能讓學生初步熟悉新知識、新事物，培養(yǎng)其課堂興趣，更讓學生在無形中培養(yǎng)遇到新事物主動探索的習慣。

3.2? 課堂的自主探究：從現(xiàn)象挖掘問題，設計實驗方案并完成自主實驗

3.2.1? 交流探討，挖掘聲相關問題

課前探索后引導學生進行經(jīng)驗交流，挖掘聲現(xiàn)象背后的問題：生活中不同聲音的區(qū)別從聽覺上可以用大小（響度）、高低（音調(diào)）、音質(zhì)（音色）區(qū)分，課前探索時觀察到不同聲音在振動波形圖上的區(qū)別在于疏密程度、高低以及波形，那么為什么不同的聲音的振動波形不同？同一物體振動如何發(fā)出不同的聲音？振動是如何影響聲音特性的？

3.2.2? 學生設計并完善實驗：探究影響“聲”的因素，實現(xiàn)自主探究

圍繞課前探索中發(fā)現(xiàn)的問題引導學生自己設計實驗，修改方案。

學生方案一：學生提出通過手機播放樂曲，用手機傳感器中示波器功能觀察高低音與調(diào)大調(diào)小聲音后的波形，實驗后發(fā)現(xiàn)波形雜亂且不斷變化，無法得出可靠結論。

教師引導學生總結失敗原因并修改設計：樂曲使用了多種樂器，曲調(diào)不斷變化且節(jié)奏復雜，實驗想要探究不同聲音大小、高低、音色與波形的關系，屬于多影響因素，需要控制變量，保持其他條件不變，只改變單一變量進行實驗。

學生方案二：用人聲作為實驗聲音素材，讓一學習過聲樂的學生分別唱出“Do、Re、Mi、Fa、So、La”，并觀察波形圖，嘗試后發(fā)現(xiàn)波形可以短暫維持并觀察到不同音間較明顯區(qū)別，但人聲作為實驗材料不能長時間穩(wěn)定且重復實驗時總會發(fā)生變化。

為保證實驗的可重復性，同學建議改用鋼琴等發(fā)聲穩(wěn)定的鍵盤類樂器作為聲源便于數(shù)據(jù)采集，但由于處在課堂中，學生轉(zhuǎn)而提出用手機軟件“樂器模擬器”代替鋼琴提供聲音材料，不僅解決樂器無法臨時獲取的問題，且利用“樂器模擬器”的保持功能延長聲音材料的持續(xù)時間以便觀測。

學生方案三：手機下載軟件“樂器模擬器”，該軟件可通過觸摸發(fā)出不同音階琴音，界面如圖1。

（1）課堂實驗一：只改變音調(diào)，通過模擬器模擬鋼琴不同音調(diào)的聲音，觀察對應波形圖。如圖2、圖3、圖4、圖5、分別是鋼琴音C4、C5、C6、C7波形圖，可以發(fā)現(xiàn)主要區(qū)別在于是波形的密集程度。據(jù)此討論得出結論：頻率越大，音調(diào)就越高。

（2）課堂實驗二：只改變響度，調(diào)節(jié)裝有模擬器的手機音量大小，反復測量同一個單音，觀察對應振動波形圖。如圖6、圖7、圖8是鋼琴音C4分別在100%、50%和25%音量時的波形圖。對比發(fā)現(xiàn)，主要區(qū)別在于縱坐標，即振幅的大小。據(jù)此得出結論：振幅決定聲音的響度，振幅越大，響度越高。

結論驗證：為了進一步驗證上述兩個實驗結論是否正確，學生還播放《青藏高原》利用示波器進行動態(tài)觀測，發(fā)現(xiàn)播放過程中盡管波形一直快速變化，總體來看確實在高音時波形密集，且調(diào)大調(diào)小音量時示波器上的振幅也相應變大變小，與實驗結論相符。

通過這樣的課堂，學生能夠充分發(fā)揮在學習中的主體地位，讓學生在真實的情境下，在假設，質(zhì)疑，推理，驗證等高層次思考過程中探索規(guī)律，避免了學生“只接受、不輸出、無交互”的單向課堂。

3.3? 課后中的自主探究：思維提升，深入探究“聲”的創(chuàng)新實驗

課后自主探究目的主要是為養(yǎng)成其自主探究的學習習慣，教師鼓勵學有余力的學生針對學習中產(chǎn)生的困惑進行探索，或?qū)φn堂沒來得及實驗的結論進行補充驗證與創(chuàng)新實驗如：

（1）創(chuàng)新實驗一：利用“發(fā)聲器”與“頻率計”驗證多普勒效應[ 4 ]：一手機用“發(fā)聲器”功能設置發(fā)出200～10000內(nèi)任一頻率聲音，另一手機用頻率計測量其頻率變化與波形圖，通過觀測將兩手機靠近與分離過程波形與頻率變化，驗證多普勒效應。

（2）創(chuàng)新實驗二：利用“分貝儀”比較隔音材料的隔音效果：將一鬧鈴分別用不同隔音材料包裹，在距聲源相同距離的地方用“分貝儀”功能測量響度，即可比較其隔音效果。

此外，還可以利用頻率計測量自己的音域、測量人耳的聽力范圍，利用Phyphox中的“Acoustic Stopwatch”（聲學秒表）測量聲音的傳播速度[ 5 ]等等。

4? 結束語

從“課前探索新事物——課堂探究問題發(fā)現(xiàn)規(guī)律——課后探研創(chuàng)新”，學生不僅學會基礎知識和技能，更重要的是通過這樣的方式潛移默化，讓學生在分析、推理、質(zhì)疑、總結等過程中不斷深化思維，讓自主探究成為學生的學習習慣，讓實驗成為了學生主動探究新事物、解決問題的方法。

此外，在實際教學中需要注意，傳感器作為輔助性的實驗儀器，較傳統(tǒng)實驗儀器操作便捷且省去了儀器讀數(shù)以及繁復的數(shù)據(jù)處理過程，但其并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗儀器。本文旨在便捷教學與為學生自主實驗探究提供新的實驗方法，培養(yǎng)解決問題的能力。在實際教學中，教師不能完全忽略傳統(tǒng)實驗儀器的使用和其中蘊含的物理思想。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標準（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018.

[2]王新娟，趙立會，張國慶. 學生自主探究能力培養(yǎng)研究[A]. 《新課改背景下課堂教學方法與手段的有效性研究》科研成果集[C].北京：北京中教智創(chuàng)信息技術研究院， 2018（14）： 691-697.

[3] 劉茂軍， 張 勇. 中學物理實驗與傳感器整合研究述評[J] 物理教師， 2015， 36（11）：68-71.

[4] 曾 心，劉健智. 智能手機在中學物理課堂教學中的應用[J]實驗教學與儀器， 2019（9）：39.

[5]惠宇潔. 智能手機在物理實驗教學中的應用探討——以 Phyphox 軟件為例[J]. 物理教學探討， 2018， 36（7）： 70-72.