巧用手機開展探究?提高學生數字素養

2022年11月，教育部頒布了《教師數字素養》標準，要求教師具有適當利用數字技術獲取、加工、創作、使用、管理和評價數字信息和資源，發現、分析和解決教育教學問題，優化、創新和變革教育教學活動的意識、能力和責任。對師生群體而言，智能手機是普及率最高、使用最頻繁的移動智能終端。筆者指導學生利用智能手機實驗程序Phyphox中的光度計進行測量，繪制高鐵列車的速度—時間圖像，實驗探究結果與高鐵列車實際運行狀況十分吻合。

一、智能手機可助力運動學探究實驗

智能手機內置多種傳感器，為師生開展數字化物理實驗探究活動提供了極大便利^[1]。但是不少師生囿于思維定式，常常將手機實驗探究活動束縛在狹小的范圍內。例如光度計神通廣大，但不少師生認為光度計只能用于探究光學現象^[2]。其實，光度計是感知它所處位置光強變化的利器，只要某種物理運動或者物理現象引發了光傳感器所處位置的光強變化，人們就能利用光度計對這種運動或現象進行探究^[3-5]。筆者以利用智能手機光度計探究高鐵列車運行規律為例，探討光度計在運動學領域中的應用。師生可利用智能手機實驗程序Phyphox中的光度計，感知高鐵兩側接觸網立柱在陽光下形成的影子掃過車窗引發的車內光強變化，繪制車廂內光強隨時間變化的關系圖像，測量光強變化曲線中相鄰的兩個向下的尖峰之間的時間差，得到列車駛過兩個相鄰立柱間距所用時間，結合高鐵接觸網立柱間距數據，即可計算高鐵列車運行速度。

二、利用智能手機光度計繪制高鐵列車速度—時間圖像

目前，師生利用智能手機探究高鐵列車這類運動距離長、運動速度快的物體的運動規律，其中使用智能手機實驗程序Phyphox中的GPS定位傳感器進行測算這一技術比較成熟。人們借助GPS定位傳感器可以繪制高鐵列車這類運動物體的位移—時間圖像和速度—時間圖像，從而確定高鐵列車這類運動物體的位置和速度^[6-7]。但是從教學的角度來看GPS定位傳感器的應用也有不足——直接繪制出位移—時間圖像和速度—時間圖像，無法呈現“實驗原理、數據采集、數據繪圖、數據分析”等具體科學探究流程，學生參與度低，操作體驗少，不利于培養學生正確的運動觀，亦不利于增強學生科學探究的意識。

基于以上考慮，筆者另辟蹊徑。2023年7月17日，筆者和學生乘坐由焦作發往北京西的G1585次列車外出研學，在焦作至鄭州東行車區間開展利用智能手機光度計繪制高鐵列車速度—時間圖像的實驗探究活動，以增強學生使用智能手機開展科學探究活動的意識，提高智能移動終端和網絡應用能力、信息搜索和篩選能力、數據分析和利用能力、信息管理和處理能力，提高其數字素養。

（一）利用光度計測定接觸網支柱間距

筆者和學生坐在高鐵列車上靠車窗的座位上。高鐵兩側的接觸網支柱（如圖1）相對于車廂迅速向后方運動。那時太陽剛剛升起，陽光透過車窗玻璃斜射入車廂內，向陽一側的接觸網支柱的影子從車窗上不斷掃過，車廂內有一種忽明忽暗的感覺。

筆者指導學生將智能手機平放在列車窗臺上，打開智能手機實驗程序Phyphox，運行“光度計”實驗樣例，光度計自動繪制光強隨時間變化的關系圖像（如圖2）。觀察圖2發現，光強變化曲線中分布著許多向下的尖峰。接觸網支柱的影子周期性地從車窗上掃過，照進車廂內的光強隨之發生周期性強弱變化。光強變化曲線中的每個向下的尖峰所對應的時刻正是柱影掃過車窗的時刻。

學生將光強變化曲線展至全屏，點擊“平移和縮放”按鈕，將圖像平移和縮放到合適位置；接著點擊“獲取數據”按鈕，拖動手指從第一個尖峰移動到第六個尖峰，測得高鐵列車連續駛過五個支柱間隔所用的時間為4.533 s（如圖3），計算得出高鐵列車駛過一個支柱間隔平均耗時0.9066 s。

筆者隨即用智能手機拍攝記錄車廂內電子屏上滾動顯示的列車瞬時速度值，其值為191 km/h（如圖4）。

學生根據高鐵列車在兩個接觸網支柱之間運行的時間和運行的速度，算出高鐵接觸網支柱間距為48.10 m。

資料顯示，高鐵接觸網支柱間距為50 m。據此可以計算出此次測量的相對誤差僅為3.8%。光度計繪制車窗內的光強變化曲線的實驗操作在前，拍攝車廂內電子屏上顯示的瞬時速度值在后，兩者有時差，以及高鐵速度可能變化等，這些因素也會影響測量精度。總體來講，此次利用光度計測量高鐵接觸網支柱間距還是比較可靠的。

（二）利用光度計探究高鐵列車運動規律

在驗證利用光度計測量高鐵接觸網支柱間距比較可靠后，筆者和學生立刻利用光度計繪制了光強隨時間變化的關系圖像（如圖5）。這次實驗時間較長，采集的數據較多。師生嘗試繪制高鐵列車速度—時間圖像，并利用速度—時間圖像探究高鐵列車運行規律。

學生將光強隨時間變化的關系圖像擴展至全屏，點擊“平移和縮放”按鈕，將圖像平移和縮放到合適位置；接著點擊“獲取數據”按鈕，拖動手指從第一個尖峰移動到第二個尖峰，測得高鐵列車駛過第一個相鄰的支柱間隔距離所用的時間為1.467 s（如圖6）。用相同的方法，測得高鐵列車駛過每個支柱間隔距離所用的時間。

師生打開筆記本電腦，以接觸網立柱間距50 m為長度單位，將利用光強曲線測得的每次通過50 m距離對應的時間間隔錄入電子表格（見表1）。

學生利用表1中的位移和時間數據，算出每段時間的中間時刻，再算出每段時間內的平均速度。由于高鐵通過接觸網支柱間距的時間較短，可以將平均速度看作時間中點的瞬時速度。學生以時間中點速度為縱軸、以中間時刻為橫軸繪制散點圖，得到高鐵列車速度—時間圖像（如圖7）。

觀察高鐵列車速度—時間圖像可以發現，高鐵列車整體呈現減速趨勢，但是存在一定的波動。根據乘坐高鐵列車的親身體驗，筆者認為高鐵列車速度—時間關系圖像出現波動并不意味著列車速度有劇烈變化，曲線波動是由于光度計的采樣頻率比較低、高鐵列車通過相鄰支柱所需時間的測量誤差較大導致的。

為此，筆者和學生對圖7中的實驗數據進行擬合，得到方程式y=-0.1552x+32.241。將線性擬合方程式與勻變速直線運動的速度—時間公式進行比對后發現，在開展實驗探究的這段時間內，高鐵列車做初速度為32.24 m/s（約116.07 km/h）的勻減速運動，高鐵列車的加速度為-0.155 m/s²。

三、借助智能手機探究真實問題全面提升了素養

師生在乘坐高鐵出行時，可以根據高鐵列車運行的時間和方向，預訂車票，盡量選擇朝陽靠窗的座位。如果乘車時發現接觸網立柱的影子掃過車窗，且沒有高樓、樹木等障礙物，就可以利用智能手機開展此項科學探究活動。

筆者組織開展此項實驗探究活動，涵蓋位移、時間、時刻、平均速度、瞬時速度、加速度、速度—時間圖像等眾多運動學知識點，引導學生學會利用平均速度代替時間中點瞬時速度的實驗技巧，掌握了利用電子表格線性擬合從大量離散的、波動的、復雜的數據點中尋找事物變化規律的科學方法，使其親身體驗基于智能手機的數字化、生活化、特色化科學探究的無窮魅力。

在筆者的指導下，學生利用智能手機光度計自主探究高鐵列車運行規律，親身經歷了“實驗選題、方案設計、文獻檢索、數據讀取、數據記錄、數據繪圖、數據分析、結果運用”等基本科學探究過程，培養了學生發現問題、提出問題、探究問題和解決問題的能力。這與教育部教育考試院倡導的“注重考查學生對基本實驗原理的理解、基本實驗儀器的使用、基本測量方法的掌握和實驗數據的處理，引導學生真正動手做實驗^[8]”的高考物理命題導向不謀而合。在利用智能手機探究高鐵列車運行規律的過程中，筆者潛移默化地讓學生意識到中國高鐵名片背后的國家強盛與民族復興，提高了民族自信心和國家認同感，培養了“嚴謹認真，一絲不茍”的科學態度，履行了“學習強國，強國有我”的社會責任。

注：本文系2023年度河南省教育資源保障研究一般課題“基于智能手機的高中物理探究性實驗設計、開發與應用研究”（立項編號：2023JZB064）的階段性成果。

[1] 饒迪，程敏熙，李錫均.智能手機傳感器在中學物理實驗中的應用綜述[J].物理通報，2019（4）：123-128.

[2] 王瑞哲，韋先濤，王中平.利用手機光傳感器驗證照度定律[J].物理實驗，2021（12）：50-54.

[3] 閆云波，吳翔，李富城，等.基于Phyphox對紙張相對制成時間的光學研究[J].大學物理，2023（6）：61-65.

[4] 溫寧紅，倪剛，李海玲，等.利用智能手機測定藥劑中維生素B₁₂含量的研究[J].化學教育（中英文），2019（9）：75-77.

[5] 閆婷婷.智能手機光傳感器在化學實驗中的應用研究[D].延安：延安大學，2020.

[6] 王慶濤.利用手機物理工坊App測量地球半徑[J].實驗教學與儀器，2023（3）：96-97.

[7] 張懷華.體驗·創新：用好App優化物理實驗探究教學[J].中小學數字化教學，2022（12）：82-87.

[8] 教育部教育考試院.落實立德樹人根本任務 服務拔尖創新人才培養：2023年高考理科綜合全國卷試題評析[J].中國考試，2023（7）：27-31.