智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)演示中的融合應(yīng)用

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)精神等方面具有重要作用。目前，高中物理實(shí)驗(yàn)主要包括學(xué)生實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)。在演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，相當(dāng)一部分實(shí)驗(yàn)受教學(xué)場地、實(shí)驗(yàn)器材、時(shí)空等方面的限制，造成實(shí)驗(yàn)的可視性、可操作性不足，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演示或?qū)嶒?yàn)結(jié)論的獲取比較困難。這在很大程度上阻礙了學(xué)生認(rèn)知的發(fā)展和核心素養(yǎng)的提升。

筆者探索后發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用智能手機(jī)配置的傳感器、攝像頭及其網(wǎng)絡(luò)（鏈接），可以在很大程度上優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案、突破時(shí)空限制，以更加豐富的資源和更加便捷的操作，彌補(bǔ)部分傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，促進(jìn)物理教學(xué)方式的變革，拓寬物理學(xué)習(xí)途徑。智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)演示中的運(yùn)用，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

一、利用手機(jī)傳感器，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案

測量類物理實(shí)驗(yàn)往往涉及多種實(shí)驗(yàn)器材，其安裝、操作、數(shù)據(jù)分析給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來的一定的干擾。智能手機(jī)有豐富的內(nèi)置傳感器，它是物理實(shí)驗(yàn)器材的“簡化大師”——不僅實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，而且有助于精簡實(shí)驗(yàn)器材，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。

例如，對(duì)于“超重和失重的加速度”問題，常借助臺(tái)秤或力傳感器裝置等實(shí)驗(yàn)，研究物體上升或下降過程中受力的變化，并運(yùn)用牛頓第二定律分析研究物體的加速度。按上述方案實(shí)驗(yàn)，臺(tái)秤的示數(shù)變化往往不容易觀察，力傳感器雖然受力變化直觀、易觀察，但是需要的實(shí)驗(yàn)器材較多。教師應(yīng)用手機(jī)傳感器功能可以解決上述方案中的問題，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。

筆者用智能手機(jī)安裝phyphox這款A(yù)pp，利用其中的Acceleration with 功能，在精簡實(shí)驗(yàn)器材的基礎(chǔ)上，直觀顯示物體超重和失重中加速度的變化。

筆者用彈性繩豎直懸掛手機(jī)（如圖1），將手機(jī)提至一定高度，打開傳感器，將手機(jī)由靜止釋放。在手機(jī)“下落—上升—下落……”過程中，加速度隨時(shí)間變化直接顯示在手機(jī)屏幕上：開始階段手機(jī)靜止，重力加速度顯示值約為10 m/s²;自由下落過程中，物體完全失重，加速度顯示值為0;彈性繩開始作用后加速度逐漸恢復(fù)至10 m/s²隨后增大，最大值超過50 m/s²。隨著手機(jī)的上、下運(yùn)動(dòng)，加速度發(fā)生變化，隨著振幅的減小，加速度最大值也相應(yīng)減小。借助傳感器，這些信息都被清晰呈現(xiàn)（如圖2）。實(shí)驗(yàn)者應(yīng)用該App相應(yīng)的傳感器還可以測定圓周運(yùn)動(dòng)的角速度、地磁場強(qiáng)度等多種數(shù)據(jù)。

再如，關(guān)于“物體間的動(dòng)摩擦因數(shù)的測量”實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是測量彈簧測力計(jì)、物體沿斜面勻速下滑等方案中不同物理量，計(jì)算推導(dǎo)。這些方案中物理量的測量比較煩瑣，還容易產(chǎn)生較大誤差。利用智能手機(jī)內(nèi)置的指南針（如圖3）工具中附載的角度傳感器，可方便地測得物體沿斜面勻速下滑時(shí)的角度。

如圖4所示，手機(jī)沿木板勻速下滑過程中，角度傳感器直接顯示木板傾斜角度為24°。手機(jī)的塑料外殼與木板間動(dòng)摩擦因數(shù)=tan 24°≈ 0.45。實(shí)驗(yàn)者還可以利用該方法，將手機(jī)與不同材質(zhì)的物體固定，使其沿不同材質(zhì)的斜面勻速下滑，快速、便捷地獲取不同材質(zhì)間動(dòng)摩擦因數(shù)值。

二、利用攝像功能，突破條件限制

在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)置實(shí)驗(yàn)情境是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和求知欲，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突的有效手段和重要途徑。但是，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象存在片面性、瞬時(shí)性或不可見性，影響或制約實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象高質(zhì)量呈現(xiàn)。

例如，在探究物理量或物理現(xiàn)象的瞬間變化問題時(shí)，由于瞬間變化中相關(guān)現(xiàn)象的變化太快，教學(xué)中教師很難直觀地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程。這是傳統(tǒng)物理教學(xué)的難點(diǎn)。筆者采用智能手機(jī)攝像功能中的慢鏡頭模式，突破時(shí)間條件限制，有效解決上述問題。

筆者用慢鏡頭模式拍攝了彈性環(huán)快速下降過程，為學(xué)生呈現(xiàn)環(huán)的上端和下端懸掛的重物在不同時(shí)刻的位置狀態(tài)（如圖5）。學(xué)生觀察到，彈性環(huán)上端不斷下降的過程中，下端懸掛的重物位置并未發(fā)生變化（相對(duì)背景墻上的黑點(diǎn)位置沒有改變）。變化過程再快，但用了慢鏡頭就能變動(dòng)為靜，化瞬間為永恒。

再如，在“光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”中，由于實(shí)驗(yàn)觀察所用的目鏡較小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與呈現(xiàn)受空間條件制約。利用手機(jī)攝像頭可以有效地解決空間受限問題。筆者在手機(jī)攝像頭上配置單反鏡頭，將手機(jī)屏幕當(dāng)成特制的觀察目鏡。此刻，光的雙縫干涉條紋在手機(jī)屏幕上變得清晰可見。學(xué)生很容易觀察（如圖6）。

三、利用網(wǎng)絡(luò)功能，豐富實(shí)驗(yàn)情境

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師經(jīng)常會(huì)因?yàn)闆]有實(shí)驗(yàn)場景或難于實(shí)時(shí)操作，無法向?qū)W生呈現(xiàn)情境或提供讓學(xué)生感受的素材。一些稍縱即逝的實(shí)驗(yàn)場景是寶貴而又難得的教學(xué)資源。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展和普及，教師應(yīng)用智能手機(jī)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，可以創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)場景，也為實(shí)驗(yàn)素材的收集和發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了更多的可能性。

實(shí)驗(yàn)者將手機(jī)聯(lián)網(wǎng)，不僅可以用來搜索、獲取、保存或轉(zhuǎn)移相關(guān)資源，而且可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)手機(jī)畫面到相應(yīng)的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在課堂上，教師可以將海量的信息快速呈現(xiàn)給學(xué)生。例如，筆者利用手機(jī)及網(wǎng)絡(luò)將雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的情景畫面，連接至一體化教學(xué)機(jī)，讓學(xué)生觀察放大的場景（如圖7）。對(duì)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作或數(shù)據(jù)處理過程，教師同樣可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)到屏幕上，供學(xué)生分析、研討。

此外，實(shí)驗(yàn)者利用手機(jī)屏幕錄制功能可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息的實(shí)時(shí)獲取和保存，儲(chǔ)存稀缺情境素材。例如，對(duì)于“質(zhì)點(diǎn)”這樣的理想化模型，只能做模擬實(shí)驗(yàn)，教師需要輔助大量的素材來加深學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，以幫助學(xué)生建構(gòu)模型。然而，以“質(zhì)點(diǎn)”形式為學(xué)生呈現(xiàn)相關(guān)場景是教學(xué)上的難題，因?yàn)橄嚓P(guān)資源少之又少。筆者利用屏幕錄制功能，錄制了快遞員投送包裹過程中車子以“質(zhì)點(diǎn)”形式呈現(xiàn)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)信息（如圖8），將其作為重要的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情境資源。

綜上所述，應(yīng)用智能手機(jī)演示物理實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)數(shù)字化教學(xué)的重要方式之一。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中科學(xué)應(yīng)用信息技術(shù)，不僅有助于彌補(bǔ)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，也有助于拓寬物理學(xué)習(xí)的途徑，促進(jìn)物理教學(xué)方式的變革，進(jìn)一步推動(dòng)信息技術(shù)服務(wù)于學(xué)生學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（作者系浙江省桐鄉(xiāng)市鳳鳴高級(jí)中學(xué)教師）