國內(nèi)外Phyphox應(yīng)用于物理教學的研究與展望

張綺夢 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

Phyphox是一款免費的智能手機應(yīng)用程序(Android和IOS系統(tǒng)均可使用)，由德國亞琛工業(yè)大學的物理教師團隊所設(shè)計．按原始傳感器、力學、聲學、工具、日常生活、計時器六大模塊開設(shè)相應(yīng)的物理實驗測量工具，還可以自定義實驗．該軟件使手機變成了數(shù)據(jù)采集器，支持遠程訪問，實時生成圖像或數(shù)據(jù)，便于實驗數(shù)據(jù)的分享[1]．在疫情背景下，人們對Phyphox軟件應(yīng)用于物理教學的研究興趣進一步提高．

本文在中國知網(wǎng)以及在The physics teacher，European Journal of Physics，Physics Education國外期刊上以“Phyphox”為主題詞檢索相關(guān)文獻，對國內(nèi)外的研究內(nèi)容進行了梳理和探討．

1 國內(nèi)Phyphox軟件應(yīng)用于物理教學的研究內(nèi)容

國內(nèi)對Phyphox軟件應(yīng)用于物理教學的研究內(nèi)容主要分為3類，一是融入物理實驗教學，探索整合策略，二是改進傳統(tǒng)實驗，提高實驗的可視度和準確度，三是開展拓展實驗，增強實驗趣味與實用性．總體上看，國內(nèi)對Phyphox應(yīng)用于改進傳統(tǒng)實驗關(guān)注度最高；新冠疫情背景下，Phyphox應(yīng)用于物理教學的關(guān)注度顯著提高；后疫情時代，利用Phyphox開展拓展實驗受到更多關(guān)注．

1.1 Phyphox融入物理實驗教學

研究Phyphox與線下物理實驗的融合主要聚焦于探究式教學．文獻[2]首次討論把Phyphox軟件應(yīng)用于物理實驗教學，以促進自主探究學習．文獻[3]在前人的基礎(chǔ)上對Phyphox軟件中各個模塊的功能做了較為全面的介紹，并指出該軟件是開展課外探究實驗、探究型學習的有效手段．疫情背景下 ，Phyphox與線上遠程教育、DIY居家實驗聯(lián)系日益密切．根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，2020年3月下半月，Phyphox的下載量增長了30%[4]．文獻[5]以高中物理“拍現(xiàn)象”教學設(shè)計為例，用GeoGebra和Phyphox軟件輔助遠程教育，認為借助軟件經(jīng)歷探究過程并收集數(shù)據(jù)圖像可以加深學生對物理實驗原理和方法的理解，提高線上教學的效果．文獻[6]基于手機Phyphox軟件設(shè)計共鳴管測聲速，能居家完成實驗并獲取較精確的數(shù)據(jù)，且學生反饋很好．然而，國內(nèi)大部分研究者只做質(zhì)性研究，缺少更多的教育性實證研究，未能充分地證實Phyphox融入物理教學的有效性．

1.2 Phyphox改進傳統(tǒng)實驗

Phyphox可以用于開展聲學、光學、力學、磁學等許多實驗，為教具的創(chuàng)新與實驗的改良提供新穎的途徑和方法．國內(nèi)許多研究者從應(yīng)用信息技術(shù)優(yōu)化物理實驗的角度出發(fā)，應(yīng)用Phyphox改進傳統(tǒng)實驗的思路大體分為3類：由繁到簡、由粗到精、由小到大．

“由繁到簡”是基于智能手機的普及，以及Phyphox軟件的免費性，設(shè)計低成本實驗，達到不在實驗室也能開展實驗的目的．例如文獻[7]利用Phyphox設(shè)計了創(chuàng)新的低成本測量亥姆霍次線圈磁場的實驗方法，補充了測量磁場的新方法．

“由粗到精”是基于智能手機的傳感器靈敏度普遍較高，將Phyphox改進傳統(tǒng)定性實驗變?yōu)榘攵炕蚨繉嶒灒缥墨I[8～10]利用Phyphox調(diào)用陀螺儀、磁力計、光傳感器等，替代傳統(tǒng)的秒表測量周期的方法，減少偶然誤差，提高實驗精度．

“由小到大”是指實驗現(xiàn)象微小，借助Phyphox實時呈現(xiàn)數(shù)據(jù)、動態(tài)生成的特點顯化放大實驗現(xiàn)象，提高實驗過程的可視度．例如文獻[11]則利用Phyphox分別調(diào)用智能手機角加速度傳感器、加速度傳感器、磁傳感器巧妙地設(shè)計桌面微小形變的實驗，借助圖像“放大”了桌面的微小形變．

1.3 Phyphox開展拓展實驗

國內(nèi)主要基于實際物理教學內(nèi)容開展的拓展性實驗，例如有研究者以初中的一則習題為例，用Phyphox的聲音模塊研究高腳杯發(fā)出聲音的頻率與杯中水量之間的關(guān)系[12]．還有研究者針對乘坐電梯產(chǎn)生的耳鳴問題，用壓強傳感器和加速度傳感器對高層建筑物電梯運行的物理特性進行研究，并根據(jù)結(jié)果給出了調(diào)整優(yōu)化電梯運行的參數(shù)，乘客耳鳴的問題得以解決[13]．國內(nèi)應(yīng)用Phyphox的拓展實驗不僅關(guān)注趣味性，還注重探究內(nèi)容在生活中的實用性．

2 國外Phyphox軟件應(yīng)用于物理教學的研究內(nèi)容

2018年文獻[1]對Phyphox軟件進行了系統(tǒng)地介紹，指出該軟件在教學上的應(yīng)用優(yōu)勢．Phyphox自推出以來，國外有許多研究者對其教學價值進行了廣泛地研究，主要包括3方面：一是從教師角度，提供Phyphox應(yīng)用于物理實驗的實例，二是聚焦于智能手機傳感器本身，利用Phyphox開發(fā)低成本實驗，三是從學生角度，應(yīng)用Phyphox探究生活物理現(xiàn)象．

2.1 Phyphox應(yīng)用于物理實驗的實例

國外多是基于Phyphox應(yīng)用于教學中的實際課例，為教師設(shè)計實驗教學提供參考借鑒．例如文獻[14] 提供了應(yīng)用Phyphox在高中課堂上開展圓周運動的教學案例.文獻[15]從力學實驗、聲學實驗、壓強實驗以及電磁相關(guān)實驗4個模塊詳細地介紹了Phyphox的原理及其功能，并認為教師可以利用該軟件調(diào)動學生參與實驗的積極性．國外多以實證研究為主，注重對實驗教學中的誤差進行討論與修正，另外大學物理實驗占比居多，沒有對初中物理實驗應(yīng)用的研究．

2.2 Phyphox輔助下低成本實驗的開發(fā)

早在2007年，國外研究者開始將智能手機傳感器應(yīng)用于物理實驗．隨著手機傳感器在物理教學研究的日益成熟，越來越多學者提出用手機傳感器設(shè)計低成本實驗．尤其是疫情特殊期間，許多教師和學生借助Phyphox設(shè)計了低成本的居家實驗，實驗結(jié)果表明理論值和實驗值有較好的一致性[16，17]．例如文獻[18]開發(fā)制定了低成本的家庭實驗包，借助Phyphox為居家實驗提供科學軟件支撐，提高遠程實驗的教學效果．

2.3 Phyphox探究生活物理現(xiàn)象

國外用該軟件研究了許多生活中有趣的現(xiàn)象，如文獻[19]從墨西哥坎昆機場到美國芝加哥機場的旅途中，用加速度(含g)模塊驗證地球的自轉(zhuǎn)；文獻[20]利用磁力計研究電氣化鐵路周圍的磁場情況；文獻[21]利用“聲音頻譜”功能研究“為什么Shepard tones營造緊張的氣氛？”利用Phyphox探究生活現(xiàn)象不僅能加深學生對相關(guān)知識的認識，還能提高探索自然現(xiàn)象的興趣．

3 Phyphox應(yīng)用于物理教學的分類介紹

3.1 力學實驗

手機內(nèi)部通常含有加速度計和陀螺儀(含x,y,z方向)，通過計算可以獲取物體、含g加速度、不含g加速度以及角速度等物理量，可用于“測量重力加速度”[22]、“計算轉(zhuǎn)動慣量”[23]、“探究牛頓運動定律”、“圓周運動規(guī)律[14]等實驗．Phyphox軟件利用陀螺儀還開發(fā)了“擺”的功能，可以記錄擺的運動并計算振蕩周期T，將手機作為擺錘可用于研究大學物理中機械振蕩[24]、超擺的機械共振現(xiàn)象[25]等實驗．借助加速度計開發(fā)了“彈簧”的功能，可以分析彈簧振子頻率和周期的功能，把手機當作振子可用于研究簡諧運動[26]、阻尼運動[27]等實驗．

文獻[28]用手機在紙張上做直線運動和圓周運動，借助加速度計和陀螺儀間接測量出了滑動摩擦系數(shù)．如圖1所示,先將手機在紙張上做線性運動，選用Phyphox軟件中“不含g加速度”功能，選取智能手機y軸加速度值的實驗數(shù)據(jù)，多次實驗取平均加速度，根據(jù)公式可計算滑動摩擦系數(shù)．

圖1 測量滑動摩擦系數(shù)實驗一

-fk=-μkmg=ma

另一種方法是使用圓周運動的方法分析動摩擦系數(shù)， 如圖2所示，先讓智能手機背面朝下并獲得一定角速度，隨后手機會受到紙張表面作用的動摩擦力而停止．通過“陀螺儀”功能記錄角速度的變化，角加速度可以從曲線圖形的斜率獲?。鶕?jù)扭矩方程變換可得動摩擦系數(shù)公式

圖2 測量滑動摩擦系數(shù)實驗二

磁力計、光傳感器和距離傳感器記錄數(shù)據(jù)的峰值，能夠間接獲得力學實驗所需的數(shù)據(jù)．例如，如圖3所示，在振子上安裝自制光源或弱小輕磁鐵，將手機水平放置在彈簧振子正下方，利用手機光線傳感器軟件或磁傳感器軟件記錄彈簧振子做簡諧運動時手機所在位置的光強或磁場強度變化圖像，通過圖像計算簡諧振動的周期．在已知周期、彈簧質(zhì)量(M)和振子質(zhì)量(m)的基礎(chǔ)上根據(jù)式(1)可計算出彈簧勁度系數(shù)，結(jié)合式(2)可以得出重力加速度[29]．

圖3 測量重力加速度g實驗

(1)

mg=κx

(2)

3.2 氣壓計實驗

氣壓計能較精準地測量短時間內(nèi)的高度變化，顯示大氣壓強值，結(jié)合z軸的加速度計測得垂直方向的加速度和速度.然而一些安卓手機沒有氣壓計，iso系統(tǒng)的手機通常含有較靈敏的氣壓計．Phyphox利用氣壓計開發(fā)的“壓力”和“電梯”功能可以定量測量氣壓隨時間變化的情況以及電梯升降過程中的高度和垂直速度，可用于開展課堂教學和相關(guān)拓展實驗[30]．

文獻[31]用Phyphox的“壓力”功能驗證了玻意耳定律.如圖4所示，該實驗把手機放進真空罩,通過推拉活塞改變抽氣筒和真空罩密閉空間的氣體壓強和體積,計算壓強和體積的乘積以及繪制相應(yīng)圖像,進而驗證了玻意耳定律，實現(xiàn)了無線且實時采集數(shù)據(jù)，提高了實驗的精度．

圖4 驗證玻意耳定律實驗

3.3 電磁學實驗

大多數(shù)的智能手機都包含磁力計(包含x,y,z軸)，可以記錄空間中磁場的分布情況[20]，利用傅里葉變換可計算其頻率．雖然電磁學實驗器材相對高昂，但是國內(nèi)外運用Phyphox開展電磁相關(guān)實驗仍然較少．

圖5 探究法拉第電磁感應(yīng)定量實驗

3.4 光學實驗

Phyphox利用光傳感器設(shè)計了“光”的功能，可以記錄曝光情況．通常光傳感器的位置跟前置攝像頭或者麥克風的位置很靠近，打開“光”功能，用手遮擋手機的某個部位發(fā)現(xiàn)光強數(shù)值發(fā)生明顯變化即可確定光傳感器的位置．

利用光傳感器可以開展半定量和定量的光學相關(guān)實驗，例如，在非實驗室環(huán)境下，文獻[33]利用液晶顯示屏與3D眼鏡作為光源、起偏和檢偏器設(shè)計實驗，再借助“光”功能檢測透過偏振眼鏡的光強度變化，驗證了馬呂斯定律(圖6)．

圖6 利用液晶屏幕與3D眼鏡驗證馬呂斯定律實驗

3.5 聲學實驗

Phyphox軟件設(shè)計了專門的聲學模塊.“音頻發(fā)生器”可以產(chǎn)生特定的單一聲音頻率，用于探究多普勒效應(yīng)[34]、測量聲速[35]等實驗．通過手機麥克風收錄到的音頻信息，“聲音振幅”“聲音頻率”“歷史頻率”等功能可以記錄生源的聲壓級、頻率、周期和振幅，在實驗過程可以替代示波器呈現(xiàn)波形圖[5]、探究聲音的特性[35～37]．

文獻[36]利用“歷史頻率”功能探究空氣柱振動的頻率特性，在細長、均勻的圓周形透明容器中勻速注水，用“歷史頻率”記錄每個時刻接收到的聲音頻率，利用Phyphox軟件的數(shù)據(jù)分享功能導(dǎo)出數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin進行處理分析，發(fā)現(xiàn)本實驗誤差較大，對測量結(jié)果進行了詳細的分析與修正．文中指出雖然測量誤差較大，但能夠訓(xùn)練學生的數(shù)學建模、數(shù)據(jù)發(fā)掘與提取的能力．

3.6 自定義實驗

自定義實驗有3種途徑：一是從二維碼添加實驗，即先在官網(wǎng)設(shè)計實驗程序生成對應(yīng)二維碼，在Phyphox右下角掃描即可添加；二是通過藍牙設(shè)備添加實驗室，即將程序燒錄進arduino或esp32中，打開手機藍牙添加所創(chuàng)設(shè)的實驗；三是新建實驗，即根據(jù)實驗所需自行在手機Phyphox軟件中組合手機傳感器用于實驗的測量．國外研究者們多是借助arduino擴充智能手機傳感器的功能，事實上，esp32相比arduino的成本更低．

文獻[38]利用arduino設(shè)計了在教室就能測量太陽能電池板功率的簡易實驗(圖7)，探究“多云天氣”“云擋在太陽前”“照射角度”對太陽能電池板功率的影響，實驗數(shù)據(jù)通過藍牙傳送到Phyphox軟件中，并以圖像的形式呈現(xiàn)功率的變化．

圖7 探究太陽能板功率實驗

4 思考與展望

隨著信息技術(shù)迅猛發(fā)展，信息技術(shù)對教育改革的影響也日益深化．Phyphox作為功能較為豐富的物理教育軟件之一，將成為輔助教師開展物理教學的有效工具，可以與STEM教育、遠程教育等教育模式有效整合．它支持自定義實驗，有望成為低成本實驗、提高實驗測量精度的重要技術(shù)突破口．但Phyphox軟件在物理教學上應(yīng)用研究也存在一些問題，目前缺少教育性的實證研究，教育實效有待檢驗；缺少與傳統(tǒng)物理實驗教學的有效整合策略，教學價值有待進一步挖掘；缺少自定義創(chuàng)新實驗的系統(tǒng)開發(fā)，受arduino編程技術(shù)門檻的阻礙；實驗結(jié)果的精度不一，受手機自身傳感器靈敏性影響較大．