智能手機在初中物理現象篇教學中的應用 ①

(江蘇省常州外國語學校，江蘇 常州 213031)

1 引言

2016年9月教育部發布的“中國學生發展核心素養”研究報告里明確了培養學生的六大核心素養，其中特別指出學生需“具有數字化生存能力”，主動適應“互聯網+”等社會信息化發展趨勢。

智能手機中內置了很多功能強大的傳感器，如磁傳感器、加速度傳感器、聲壓傳感器、陀螺儀傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器等。將智能手機用于物理實驗教學，可使教學更加便捷，效果更加直觀。國外的一些手機APP已經可以支持手機傳感器的數據調用，如蘋果的Sensor Kinetics、安卓的Sensor Sense。德國的Patrik Vogt和Jochen Kuhn是研究手機傳感器輔助物理教學的先驅，他們在研究中發現：使用智能手機輔助物理實驗，能充分調動學生的積極性。筆者在初中物理現象篇的教學中，嘗試運用智能手機的傳感器，取得較好的教學效果。

2 聲現象

蘇科版物理教材將聲現象作為初中物理的第一章內容，它是學生進入物理世界的第一步。初中聲學的教學中要求學生知道并會比較響度、音調、音色。傳統教學中主要是以課本、事例和板書簡單的波形圖來幫助學生理解。但是教師的講授對于學生來說是間接經驗，可信度不夠高。所以在聲學的課堂教學中引入實時可視的教學工具，對知識理解有重要的輔助作用。

智能手機上有豐富的聲學元件，如音頻輸出設備—揚聲器、音頻輸入設備—麥克風、聲壓傳感器等。教學中可以通過在安卓手機上安裝音頻發生器APP(Frequency Sound Generator)使其發出不同音色的聲音，通過調節頻率旋鈕可以使頻率在20Hz—20000Hz之間變化，通過調節手機音量可以改變聲音響度的大小。聲音特性的分析可以借助在安卓手機上安裝的示波器APP(Oscilloscope)軟件實時收錄環境中聲音的波形，并可暫停截屏保存，具體應用如下。

2.1 利用手機中“示波器”比較樂音三要素

圖1

教材中介紹音色時，提到了我們可以借助波形圖來比較音色的不同。實際上波形圖也可以幫助我們清晰地分辨響度、音調和音色。我們通過比較相同坐標系下的波形振幅大小，可以比較兩個聲音響度的大小(如圖1)；比較聲波的周期(疏密程度)，可以比較聲音的音調高低；比較波形的形狀包絡，可以判斷兩個聲音的音色是否一致(如圖2)。在課堂上，借助手機“示波器”和手機同屏軟件—“希沃授課助手”，可以讓學生自主總結出這些規律。

圖2

2.2 利用手機中“示波器”比較樂音與噪聲區別

講到噪聲時，我們會首先回顧噪聲與樂音的區分標準，其中在物理學上的區分標準就是基于二者波形圖的差異。在課堂上用手機“示波器”收錄小刀劃木板的聲音，與音叉聲音做對比，學生可以明顯看到區別。音叉等樂器的聲音是有規律、有一定周期的，小刀刻劃的聲音是沒有規律的(如圖3)。

圖3

2.3 利用手機中聲壓和氣壓傳感器探究聲音傳播條件

在講到噪聲時會提到聲強級的概念及單位，用聲強級的大小來描述聲音的響度大小。在教材第一章的實驗中，有兩處需要判斷聲強級大小，而人耳對于聲強級的變化并不十分敏銳，如果能用智能手機實時監測聲強級大小并投影在屏幕上，將大大提高實驗的可操作性，達到理想的效果。筆者選用的是安卓官方的傳感器軟件—Sensor Sense，打開軟件后，選擇“聲壓”選項，就可以看到聲強級數值和一段時間內的聲強曲線。

在學習聲音的傳播條件時，我們都會做一個真空罩傳聲實驗，把正在發聲的鬧鐘吊在鐘罩中，不斷抽氣，讓同學們聽聲音響度是否逐漸減小。在實際實驗中，由于鐘罩的密封性有限，在抽氣機停止后同學們并不能明顯聽出前后聲音響度的變化。借助兩個智能手機可以改進這個實驗，增強實驗效果。將一個智能手機和鬧鐘一起放在真空罩中(如圖4)，打開手機Sensor Sense軟件中的氣壓傳感器，抽氣后就可以看到手機顯示的氣壓在逐漸減小。同時，利用在教室后部的另一個手機中的聲壓傳感器，記錄抽氣前后的兩個聲強級數值(如圖5)。

圖4

圖5

借助氣壓傳感器，我們可以看到在抽氣時氣壓在減小，也就是傳聲介質(空氣)在變少，聲壓傳感器的數值可以更加準確地告訴我們空氣的減少導致了響度的減弱，進而可以得出結論：聲音的傳播需要介質。

3 熱現象篇

有部分智能手機會內置溫度傳感器，不過這個微型傳感器是焊接在主板上，只能用來檢測手機主板上CPU或電池的工作溫度。為了滿足物理實驗中液體或固體內部溫度的測量要求，美國Dallas公司推出了DS18B20數字傳感器，其精度高，體積小，成本低，被大量應用于智能家居、工業控制等領域。國內公司開發出了封裝好的產品(type C接口)和配套的安卓手機APP，這套組合可以測量-55℃～125℃范圍的溫度，精度達到0.1℃。我們將安卓手機外接DS18B20傳感器應用于物態變化的課堂教學中，提高了課堂效率，大大增強了實驗的可視性。

3.1 利用溫度傳感器驗證液體蒸發吸熱致冷

教材關于蒸發現象的研究中，提到了將溫度計玻璃泡蘸取酒精后，觀察溫度計的示數變化。如果利用手機與溫度傳感器的組合，我們可以更直觀地展示蒸發作用導致的溫度變化規律。利用手機、溫度傳感器、酒精、電風扇等進行實驗，將溫度傳感器與手機相連，打開溫度檢測軟件，將數據采集間隔設定為5s。

圖6

圖7

實驗分兩次進行，第一次探究在室溫、無風的環境下，酒精蒸發對于溫度傳感器探頭的影響(如圖6)。第二次探究在室溫、有明顯氣流(電風扇工作)的情況下，酒精蒸發對于溫度傳感器探頭的影響(如圖7)。從兩個圖像可以看出：最初在傳感器探頭未沾有酒精時，溫度示數穩定不變。沾有酒精后，探頭的溫度迅速下降，1分鐘左右降到最低點，再緩慢回升至室溫。對比有風和無風狀態，我們可以看到明顯的區別：探頭附近有空氣流動時，蒸發導致的降溫速度更快，而且降低的溫度更大(有風時最高降溫達到5.5℃，無風時最高降溫3.5℃)，溫度回升的速度也相對更快(有風時6分鐘已由最低點回到初始室溫，無風時要8分鐘以上)。

通過上述實驗探究，我們可以得出：蒸發有吸熱致冷作用，可以降低物體表面溫度。液體表面空氣流速越大，蒸發的速度越快，效果也越顯著。

3.2 利用溫度傳感器記錄水沸騰過程中的溫度變化

在水的沸騰實驗中，學生會遇到測溫不準確和計時誤差等問題，影響實驗數據的準確性。有些實驗組從90℃到沸騰可能只需要2分鐘的時間，采集的數據過少，畫出的沸騰曲線不理想。

實驗中將溫度傳感器探頭與熱水充分接觸，打開溫度檢測軟件，設置好采集數據間隔為10s，采集熱水吸熱升溫至沸騰的溫度變化(如圖8)，可以看到水吸熱升溫直到98攝氏度左右，之后溫度保持不變，且杯中氣泡在上升過程中由小變大。

圖8

通過實驗圖像，引導學生總結結論：水沸騰后持續吸熱，溫度保持不變，這個不變的溫度就是液體此時的沸點。我們使用改進后的實驗裝置，可以在相同的時間內采集到更多數據，從而獲得更準確的溫度曲線。

3.3 利用溫度傳感器記錄并比較晶體與非晶體熔化特點

教材上冰和燭蠟的熔化實驗采用水浴加熱，用兩只溫度計分別插入冰和燭蠟之中，每隔30秒記錄一次溫度，畫出熔化曲線，存在實驗可視性較差、節奏較慢等缺點。

我們在教學中改良了實驗方法，將溫度傳感器的兩個探頭固定在細木棒上，分別插入海波和燭蠟之中，設置好數據采集間隔為10秒，打開“希沃授課助手”，將溫度監控畫面同屏至屏幕上。

圖9

圖10

實驗可以在10分鐘內完成，自動生成實驗圖線(如圖9、10)。通過實驗數據，我們可以總結得出：兩種物質的熔化特點不同，海波在熔化過程中吸熱但溫度保持不變，燭蠟在熔化過程中吸熱且溫度不斷上升。改進后的實驗解放了教師的雙手，在進行海波與燭蠟加熱的同時，還可以帶領學生一起總結實驗的注意事項、加熱方法等，大大提高了課堂效率。

4 結語

在教學中，我們嘗試了上述新技術，獲得了理想的效果。我們要主動融入信息化時代，選用更直觀、高效的教學手段，與時俱進，不斷創新，增強學生的數字化生存能力，培養學生的核心素養。