線上線下協同教學 搭建新型“物理實驗室”

吳 瑕 林冰冰 林振聲

（1.福州格致中學鼓山校區，福建 福州 350014；2.福建教育學院，福建 福州 350025；3.福州教育研究院，福建 福州 350001）

一、問題的提出

隨著現代信息技術的發展，智能手機逐漸得到普及，而在智能手機中搭載的多種傳感器卻還未得到一線教師足夠的關注，在中學物理教學中也未得到足夠的開發使用。

線上教學期間，學生無法進入學校實驗室進行學科探究活動，這無疑成為以實驗為基礎的物理學科教學中不可逃避的難題。為了使實驗教學能順利開展，優化線上物理實驗教學，師生可以在利用智能手機中內置的各種傳感器的基礎上，充分借助家中常見的生活化器具、電腦端軟件、虛擬實驗室等，搭建屬于學生自己的家庭實驗室，讓大多數學生主動參與到探究過程中，力求達到與在實驗室親歷做實驗的相同探究效果，避免線上教學教一言堂談的弊端，提高物理實驗教學的有效性和體驗性，促進學生自主學習的能力。

文章以德國亞琛工業大學發行的一款手機軟件“Phyphox”為例（中文名為“手機物理工坊”），分享筆者在線上教學期間，通過引導學生利用其中搭載的傳感器，自主開展對中學物理教學中“向心加速度”“角速度”“單擺周期”“重力加速度”等基本物理量的測量方案設計與數據處理等，從而實現物理學科線上實驗教學中對學生科學探究素養的培育。

二、搭建新型“物理實驗室”，探索信息技術支持下的實驗教學設計

根據高中物理課程中的重點知識和相關實驗要求，在線上教學期間，師生借助智能手機內置傳感器設計了若干線上物理實驗教學和學生自主科學探究活動，課程緊扣各個項目實驗原理和實驗方法，每個實驗單元課程分為“線上緒論課”“實驗原理講解”“學生線下自主實驗探究”“實驗成果展示與交流”四個階段。文章選取其中三個實驗課程為例，闡述如何利用智能手機進行物理實驗教學設計。

（一）深化數形結合思想，體驗物理關系量間的數學美——探究向心加速度和角速度的關系

在傳統的課堂實驗教學中，探究向心加速度和角速度的關系通常使用向心力演示儀進行半定量演示實驗，大部分學生無法直接參與實驗。利用智能手機應用軟件Phyphox，教師可帶領學生直接參與到這項有趣的實驗探究中去，讓學生成為探究活動的真正主體。Phyphox 除了使用手機傳感器進行直接的物理量數據采集以外，還將不同傳感器進行整合，能實現相關物理量的同步測量，通過使用Phyphox 的“向心加速度”，能實現探究向心加速度與角速度兩個物理量的關系，并且可從采集到的數據進行圖象顯示，實現物理量關系的可視化。

1.實驗探究內容：（1）探究a 與ω 的關系：使用Phyphox 的“向心加速度”，自行設計實驗裝置，讓手機做圓周運動，保持轉動半徑不變，得出向心加速度和角速度二者關系曲線，初步猜想a 與ω2成正比。（2）通過平方作圖呈現的圖像，用更多工具中的“線性擬合”，呈現出過原點的直線，可以說明a 與ω2成正比。

圖1 利用生活中常見的圓周運動（自行車輪、風扇扇葉）實驗

2.學生實驗過程與結果：學生充分利用家中可以做圓周的運動的器材（如自行車輪、風扇、洗衣機滾筒、轉椅等）自主設計實驗，進行測量（圖1）。部分學生在實驗過程中發現所采集到的數據點出現嚴重離散（圖2），經教師引導分析，其原因是轉動過程中手機不穩定而導致的圓周運動半徑發生改變。通過調整改進實驗裝置，固定好手機，讓實驗器材穩定轉動，轉速由慢到快逐漸變化，在手機上記錄下數據點（圖3）。用“線性擬合”，將數據處理成一條直線（圖4），在誤差允許范圍內，圖像是一條過原點的直線，即a 與ω2成正比。擬合曲線的方程截距比較小，可以忽略不計；線性擬合方程的斜率是一個長度單位。學生思考斜率的物理意義，猜想可能是手機做圓周運動的半徑。學生繼續實驗，測量出轉動裝置的轉軸到手機中心的距離，發現與斜率接近，考慮到手機陀螺儀的位置可能不在測量點上，有幾厘米的偏差，再進一步實驗，即可斷定斜率就是手機陀螺儀的轉動半徑。最后得出實驗結論：向心加速度的表達式為a=rω2。

圖2 測量點出現離散 圖3 改進后的數據點 圖4 線性擬合

圓周運動向心力教學中的難點是探究向心加速度與角速度的關系，傳統實驗儀器只能實現半定量測量，而學校的DIS 系統設備數量有限，也無法讓每個學生都參與實驗。而手機內置的加速度計解決了這一難題，學生可以利用智能手機，以家中不同的生活化器材進行實驗探究，并從定性粗略測量中猜想兩個物理量之間的關系，再通過細化實驗方案做到精確定量探究，完整體驗到物理實驗探究過程中數－理結合的重要性以及物理關系量間精準描述的科學性。手機讓實驗日常化，實驗結果可視化，學生在實驗中感悟數形結合的思想，發現物理數學之美。

（二）親歷問題發現，感悟嚴謹求真的科學態度——利用單擺測重力加速度

利用單擺測重力加速度實驗是高中學生必做實驗之一，學生通過實驗探究發現單擺周期的決定因素，學習用不同方法測重力加速度。學生以手機和繩子自行組合成實驗用的單擺，利用手機程序Phyphox中的“加速度”進行測量，測定不同擺長下的單擺周期，教師指導學生使用Excel 進行數據處理。

1.實驗探究內容：（1）學生利用家中器材自行設計實驗裝置（圖5），固定懸點，固定好裝置；打開并運行Phyphox“加速度（不含g）”或“陀螺儀”，讓手機小角度擺動（近似簡諧運動）。手機記錄下a-t 某一方向的圖像，根據峰值與峰值間的時間間隔，得出單擺運動周期T（圖6）。（2）測出單擺的擺長l，由單擺的周期公式T=，可得g=4π2/T2，即可計算出重力加速度。改變擺長，重復上述實驗。（3）由數據得T2-l 圖像，擬合得到線性直線，分析T 與l 的關系；根據直線的斜率k，由g=4π2/1 計算出重力加速度，查詢福州重力加速度的值，進行誤差分析［1］。（4）交流討論實驗結果，分享活動心得。

圖5 學生設計的單擺裝置

圖6 手機測量的數據

2.學生實驗結果：以一位學生實驗數據為例（圖7），用計算法算出的重力加速度平均值為9.717m/s2；擬合直線的截距0.0173，幾乎可以忽略不計，可以認為是一條過原點的直線，證明在誤差允許范圍內，單擺的周期的平方與擺長時成正比。擬合直線的斜率為0.0403，通過計算可得g=9.7961m/s2。通過查詢可知，福州地區的重力加速度大約為9.7916m/s2。由實驗可以看出，用該實驗測量得出的重力加速的值非常接近當地重力加速度。學生在交流實驗結果時發現用不同手機（質量不同）能得出相同的結論，間接驗證了單擺周期與質量無關。

在該實驗探究過程中，教師通過學生提交實驗視頻和數據結果，線上指導學生分析誤差原因，學生對實驗裝置和操作進行改善，以求實驗的精確度和真實性。學生經歷了發現問題、設計方案、收集數據、處理數據、交流討論等科學探究過程，理解科學探究的目的和意義，培養嚴謹求真的科學態度。

圖7 學生實驗數據和T2-l 圖像

（三）打破認知誤區，體驗物理如何走向生活——用Phyphox 探究升降電梯運行規律

在超重和失重課堂教學中，通常通過觀察升降梯中的秤的讀數變化進行分析，得出超重和失重的力學原理，再使用DIS 拉力傳感器對豎直上下運動的物體進行數據采集，在計算機中呈現拉力隨時間變化圖像，以此來判定運動的物體是處于超重還是失重狀態。在線上教學期間，教師同樣可以利用智能手機的加速度傳感器并結合Phyphox，引導學生自行對電梯的上行和下行的加速度進行精細測量，并通過分析測量數據，了解電梯的實際運行規律，再進一步對照我國乘客電梯技術參數表，就可以將測量結果用以檢測自己住所電梯的運行是否正常。

1.實驗探究內容：（1）選擇一部電梯，在電梯中將手機緊貼電梯的墻壁上，調整手機方位使手機的長邊在豎直方向上（圖8）。運行Phyphox 的加速度（不含g），選擇樓層啟動電梯，手機記錄電梯加速度變化曲線，保存實驗數據（圖9）［2］。（2）觀察手機中加速度時間圖像，分析電梯在上行或者下行過程中的運動情況和加速度變化情況。（3）家中沒有電梯的學生，進行下蹲和站起實驗，分析這兩個過程的運動情況。（4）對比不同電梯的加速度時間圖像（圖10），交流討論實驗結果，分享活動心得。

圖8 在電梯中實驗

圖9 加速度－時間圖像1

圖10 加速度－時間圖像2

2.學生實驗結果：學生由電梯加速度—時間圖像（y 軸為線性加速度）可以判斷：當電梯從一樓到五樓（或其他樓層）的過程中，電梯先做加速度增大再減小到零的加速運動；加速過程結束后以最大速度勻速上升運動；即將達到預定樓層前，電梯做加速度先增大再減小到零的減速運動，最后到達預定樓層的瞬間，速度減小為零，停止運動。學生對比不同地點的電梯發現加速度時間圖像有所不同，說明不同電梯在運行過程中的動力不同，影響乘坐電梯的舒適程度。對照我國乘客電梯技術參數表，學生就能從中了解到與電梯相關的運行參數標準，可以用以檢測電梯的運行是否正常。

通過該實驗探究對圖像信息的分析，學生體會到數形結合思想在物理實驗中的重要應用。通過精細化的實驗數據分析，打破學生的認知誤區，讓學生意識到，科學探究是獲取科學知識的重要途徑。學生還能利用相同方式分析家庭汽車、公交車、地鐵等交通工具的運行特點和性能，真正體驗到物理是如何走向生活中。

三、新型“物理實驗室”，多維度引領物理實驗教學變革

（一）信息技術優化物理實驗，促進教學方式多元化

物理實驗教學需要通過創設情境、實驗探究、交流討論等來實現實驗教學目標的達成。在傳統的中學物理實驗教學中，學生通常是在教師設定好的特定實驗條件和實驗步驟下進行，這對學生進行真正的科學探究訓練存在一定的限制。將信息技術與物理實驗教學進行深度融合，將智能手機應用程序運用于物理實驗教學中，不僅可以使測量數據更加精準，方便快捷地收集大量實驗數據，更可以進一步直接展示以圖形圖像等，從而優化實驗效果，增強探究的有效性。而師生可以把實驗室從學校“搬”到學生的手機里、電腦上、家庭中，線上和線下相結合，共同豐富中學物理實驗教學方式方法。

（二）智能手機輔助科學探究，加強線上教學有效性

學生利用手機進行實驗，能打破時空的局限，就地取材，隨時隨地進行實驗，將老師和家長嚴防死守的智能玩具巧妙地轉化為一個便攜式的科學探究實驗室，成為線上實驗教學的有效輔助手段。學生在這種“便攜式的實驗室”中，培養動手能力、科學嚴謹的態度和科學思維能力，使得學習更具靈活性、自主性、個性化，有效提升學生的科學素養。

（三）新型實驗室轉變學習模式，有效提升學科素養

以手機、平板等智能產品搭建的新型“物理實驗室”推動著學生的學習模式發生轉變。手機APP 的應用降低了學生做實驗門檻，讓物理實驗走進學生的日常生活［3］，使實驗更加“親民”。學生根據自身生活中實地情況和問題，在實驗過程中設計符合自身實際情況的合理實驗方案，學會采集和分析數據的方法，并且能根據自身學習情況進行拓展研究，引導學生進一步將實驗結果運用到實際生活問題解決和探究上，真正體驗到物理是如何走向生活。