智能手機在電學實驗中的應用

寇虹

摘 要：隨著智能手機日益強大的操作系統，手機中的開發軟件越來越功能化，選擇其中合適的功能和開發軟件作為教學資源為教學服務，既能提高課堂效率，又能體現出與時俱進的教學理念.本文嘗試運用智能手機中軟硬件的優勢，以人教版初中物理教材九年級上冊第十八章第三節“測量小燈泡的電功率”為例來說明智能手機中的APP在物理教學中的具體應用.

關鍵詞：測量小燈泡的電功率;智能手機;物理教學

文章編號：1008-4134（2020）06-0061 ? ?中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

1 概述

“測量小燈泡的電功率”是初中電學部分的重要知識，以人教版教材為例，如圖 1所示，該節作為學生實驗，要求學生自行設計電路圖進行實驗，能利用滑動變阻器控制電路，分別記錄小燈泡在不同亮暗下實際功率的大小，再與額定功率進行比較，得出結論.就傳統課堂的學生實驗教學而言，電學實驗存在一個很大的隱患.即安全問題.由于初二學生電學知識薄弱，實驗經驗較少，在改變小燈泡兩端的電壓超過了其額定電壓時，極易燒壞小燈泡，甚至燒毀電路，從而增加了實驗的危險性.因此，讓學生學會“規范操作”“安全用電”是本節課堂教學的重點.為此，本文將智能手機運用到課堂上，嘗試運用手機中軟硬件的優勢解決傳統實驗中的問題.讓學生深切地體會到物理與現代的科技生活存在緊密聯系，達到從物理走向生活這一課程理念，也能在一定程度上提高學生的學習積極性. ? 2 智能手機模擬實驗較實物實驗的優勢

隨著近幾十年社會科學的進步和發展，智能手機在各個領域得到了迅速的普及和運用，其功能也得到了豐富的擴展.一般來說，智能手機均配備了力、熱、聲、電以及磁等多種傳感器，并且可以免費下載各式各樣的測量工具軟件，可以通過這些工具軟件測量多種物理量，如長度、時間、加速度、角度、坡度、高度、距離、面積、壓力、聲強、頻率以及磁感應強度等，這為學生開展課外自主型的物理實驗提供了極大的方便.所以引入智能手機輔助教學不僅能使教學者更加方便靈活地組織課堂教學，也能提高學習者的積極性和針對性.

2.1 實驗精確度方面

現階段，一般的中學物理實驗室中的實驗器材都比較陳舊老化，歷屆學生不熟練規范的操作也給實驗器材造成了一定的損壞，導致許多器材在實驗前本身就不準確，在這樣條件下進行的實驗就會出現遠遠超出預想的實驗誤差.但手機軟件中的模擬仿真器材都是理想元件，可以在使用前進行修復調零，比如像電流表、電壓表、電源等儀表，都是理想元件，讀數精準度也極高，都可以通過數字顯示直接讀出.以此達到現實實驗中不能達到的理想條件.

2.2 電學實驗操作規范性方面

傳統課堂中，“測量小燈泡的電功率”一節是作為學生實驗，在此之前，初中學生對電學部分的知識認識較淺，并沒有形成系統的理論基礎，也沒有養成良好的實驗操作習慣，很難避免接錯電路，燒毀用電器等情況出現，更有甚者會給實驗室帶來安全隱患的問題，因此采用手機APP模擬仿真實驗好處就在于：（1）絕對安全，不會引發安全事故;（2）可以重來，讓學生有多次試錯的機會;（3）幫助學生養成安全用電意識和良好的操作習慣;（4）可以促進學生節能環保意識的養成;（5）操作方便靈活，學生在完成實驗后還可根據其它方案連接電路，嘗試多種方式的電路連接以培養學生的發散思維能力.在此基礎之上，再進入實驗室實驗，會大大降低學生連接實際電路的錯誤率，結合對比兩種不同情景下的實驗結果，學生可以自行進行誤差分析，更好地理解理想條件與實際情況的差距與利弊關系.

2.3 其它方面

（1）虛擬仿真實驗無限接近實物，卻又比實物的性能好，可以達到實物無法達到的理想條件.

（2）較傳統實驗虛擬仿真實驗的可視性更高，可通過手機與電腦投屏實時反映任一學生實際實驗情況.

（3）智能手機的運用簡單，學生易操作，以此可以激起學生學習動手興趣.

（4）將智能手機及其相關軟件合理運用于課前課后教學、實驗課練習以及其他教學管理等教學環節，可以極大地提高教學質量和教學效率.

3 軟件介紹

本堂課教學使用的輔助手機軟件有“物理電學實驗”與“Total Control”，其中“物理電學實驗”用來模擬電學實驗，“Total Control”這一軟件用來將學生的實驗操作過程同步直觀投影在多媒體上.

3.1 “物理實驗課”與“Total Control”的下載途徑

途徑一：在手機應用商店搜索“物理實驗課”與“Total Control”兩款軟件直接下載.

途徑二：掃描圖 2二維碼下載“應用寶”，再在應用寶中搜索“物理實驗課”與“Total Control”， 簡稱“TC”，按步驟下載安裝即可. ? 3.2 “物理實驗課”與“ Total Control”的基本使用

“物理實驗課”的工作界面如圖3（a）所示，點擊“電學”實驗模式進入圖3（b）界面，根據所需在右下方“+”工具欄中選擇合適器材，拖動到上方界面即可對其進行自由組裝連接電路.

手機與電腦需安裝相同版本的“ Total Control”才能投影，它是課堂展示的關鍵，可以將多部手機屏幕同時投影到電腦上.初次連接先按圖4的四步操作步驟進行有線連接將手機屏幕同步投影到電腦.之后就可以實現用同一無線網絡進行無線連接，并且可以多臺設備同時投影到同一屏幕.圖5為電腦與手機連接成功后的界面，在手機上連接電路的實驗操作步驟將會同步在電腦上呈現.

4 基于智能手機運用的教學過程

“測量小燈泡的電功率”是初中電學部分的重要知識.以人民教育出版社初中物理教材為例，本節被編排在九年級上冊第十八章第三節，其內容建立在“電能 電功”“電功率”等內容的基礎上，在此之前，學生初步接觸過“電阻的測量”這一電學實驗，所以“測量小燈泡的電功率”這一節是他們對電學實驗部分更深入的學習與了解，同時也為下一章節“生活用電”的學習做鋪墊.

學生學習的重點是學會設計電學實驗去測量小燈泡的電功率，理解實際功率和額定功率的概念及意義.而教學難點也就在于實驗方案的設計、電路圖的設計與實物圖的連接以及電流表、電壓表和滑動變阻器的正確使用.本節課通過情景引入激發學生學習興趣;通過實驗培養學生實事求是、尊重客觀規律的科學態度;利用虛擬手機實驗給學生提供更大的發揮空間，使學生認識到安全用電的重要性;并在反思階段傳遞給學生節能環保的觀念.

4.1 創設問題情景引入

詢問學生是否觀察過家中房間里的燈泡有時亮有時暗的情景.

（手機連接電腦在多媒體上）教師演示：手機上移動滑動變阻器，學生觀察小燈泡忽暗忽亮現象如圖6所示，教師提問：小燈泡在不同的亮暗程度時所消耗的電功率將會發生怎樣的變化？

（從實際生活情境出發，并從情境中提出問題，激起學生的學習興趣）.

4.2 新課展開

4.2.1 給出額定功率與額定電壓概念

利用圖6小燈泡，上面標識了一個“3.0V 0.85W”的字樣.

教師提問：“3.0V 0.85W”代表什么含義？

引導學生回答“額定電壓”“額定功率”，也就是小燈泡正常工作時的電壓與電功率;即小燈泡正常工作時加在其兩端的電壓為額定電壓，在額定電壓下工作所消耗的功率稱為額定功率.

教師提問：那大家想一想若小燈泡不是在額定電壓下工作，即在燈泡亮暗程度不同時，它所消耗的是什么功率呢？這個功率有多大？

（從實驗現象入手，環環相扣，使學生一步一步進入到教學情境中）

4.2.2 實驗探究小燈泡在不同亮暗程度時實際功率的變化情況

教師提問：既要測量小燈泡的電功率，那計算電功率的方法有哪些呢？

幫助學生回憶：計算電功率的方法有P=Wt、P=UI兩種.

確定實驗原理為P=UI，再根據所需測量的物理量——電壓、電流，將其測量對應到相應的實驗儀器電壓表、電流表，從而得到實驗大體框架，再選定實驗方案.

教師提問：由于探究的是小燈泡在不同亮暗程度時實際功率的變化情況，那在實驗中怎樣才能改變小燈泡的亮暗程度？

引導學生回答：利用滑動變阻器分壓改變小燈泡的亮暗程度.

（從問題引發思考，一步一步引導學生解決問題）

（1）測量要求.

為全面看清小燈泡電功率的變化情況，要求測量以下三種情況下小燈泡的實際功率：U實U額;見表1.

（2）學生小組內相互討論.

根據提供器材先設計實驗電路圖，在小組討論中思考如下問題：

a.要是小燈泡兩端電壓達到額定電壓并超過額定電壓需要幾節干電池串聯作為電源？

b.怎樣去連接電路圖來改變小燈泡兩端的電壓？

（以這種合作學習的方式突破難點，并激起學生自主實驗熱情，通過這種科學探究過程，使學生養成實事求是的科學素養）.

（3）學生小組總結.

該實驗所需實驗器材需要哪些？如圖 7所示：

（4）擬定實驗方案.

根據小組商討方案畫出電路圖（并通過手機APP實際操作去動手連接電路）實驗原理如圖8所示，只需要用手調節滑動變阻器到適當位置讀出所需三個要求的數值即可.

（教師巡視輔助指導學生進行實驗，選擇幾個典型小組利用手機投影在教室投影儀上同步進行.可能會有其他同學在這個過程中觀察其他小組實驗操作并發現問題）

（5）學生小組總結實驗結論.

不同電壓下小燈泡的實際功率不同，電壓越大，實際功率越大;燈泡的亮度由實際功率決定，實際功率越大，小燈泡越亮.

（6）交流討論環節.

交流討論環節①.

教師提問：在剛才的實驗探究過程中你們是否遇到過什么問題？或者你們在實驗中有沒有嘗試其他新的方法？（可在環節二連線展示）

學生：燈泡亮暗變化不明顯/燒壞了小燈泡/燒壞了電表……/我們小組利用學生電源去代替干電池/我們小組用的不同規格的小燈泡……

交流討論環節②.

教師選取某幾組同學現場手機連線電腦再重新進行一次實驗，其他小組學生則扮演教師角色來記錄實驗操作中的不當之處并嘗試在討論環節講出改進方法.

學生：連接電路時開關未斷開/閉合開關前滑動變阻器沒有置于最大阻值處/使用的學生電源量程太大所以燒壞了小燈泡……

交流討論環節③.

教師提問：針對我們實驗中出現的各種問題，同學們對此有何體會與想法？

（學生自由發表感想，暢所欲言.從物理課堂走向情感升華）.

（7）教師評價與總結.

教師先對學生具體問題進行討論解惑，再針對實驗中燒壞小燈泡的情況做重點強調：小燈泡被燒壞的原因可能是由于加在其兩端的電壓遠遠超過其額定電壓導致，還可能是小燈泡長時間超額工作導致，這是在我們手機上進行模擬實驗，燒壞的小燈泡還可以被修復，但要是我們實際生活中用電器的操作不當呢？帶來的可就不僅僅是小燈泡被燒壞的問題，而是更有可能威脅到自己與他人的生命安全，所以大家以后無論是在實驗室的實驗操作還是平時的日常生活中都一定要注意用電器銘牌上所標識的額定值，萬萬不可忽視它們的作用.

4.3 課堂小結

利用板書回顧整節課知識點，做好知識梳理，并結合前面所學電學知識幫助學生對電學實驗形成一個較為完善知識體系.

本節課通過生活現象引入，使用手機軟件再現情景視頻使學生發現變化規律;從而引導學生設計實驗并根據設計實驗進行實驗.學生會利用電流表和電壓表測量了小燈泡的電功率由此認識家用電器銘牌的重要性;理解了額定功率與實際功率的區別與聯系;還進一步掌握了實驗設計與實驗操作的技能.

通過手機模擬的實驗課程，不損壞一樣器件，就可以給學生在以后的實驗操作以及生活用電中提供警示作用，基于此環節進行不僅可以培養學生發現問題、分析問題、解決問題以及反思總結問題的能力，還能落實科學態度與責任這一目標的達成.由此實驗過程，強調用電器銘牌的重要性，充分發揮物理實驗在教學中的重要作用.也能體現總結反思的重要性，是從物理走向生活的體現.

4.4 對教學設計的總結反思

從教師方面來講，背離常規模式，采用另辟蹊徑的教學方式，可以彰顯教師自身專業的發展，對課內課外相關知識的系統掌握，以及對現代技術的靈活運用能力.

從學生方面來講，既能激發學生學習興趣，也以此向學生傳達手機也是一個很好的學習載體，我們應該如何合理運用.

從教學效果來講，手機“APP”模擬實驗現象明顯，便于觀察，不僅能幫助學生更加輕松地掌握本節知識，還避開了實物教具易損壞、誤差大等弊端.

智能手機在中學物理教學中的應用，不但可以解決資源共享，擴展學生知識面，還可以促進學生利用手中的手機資源記錄生活中的物理現象.達到和學生、教師相互交流的目的.同時，使用虛擬技術和傳感器檢測技術相結合的方法，充分利用虛擬技術的預設目的性和傳感器檢測的真實性特點，給予學生多元化的感受，使學生的物理知識得到鞏固.

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（收稿日期：2019-11-04）