Phyphox在物理實驗教學中的優化應用研究

趙紅艷

隨著信息技術與物理實驗教學的深度融合，許多物理教師開始利用豐富的信息技術手段開展實驗教學。然而，一些教師僅遵循信息技術工具的原有方案，沒有深度思考并合理設計，學生看似能順利進行實驗探究，輕松得出實驗結論，實則很難深入認識信息技術工具的內部原理，課堂呈現出熱鬧有余而深度不足的局面，教學效果不佳。正如梅塞勒所言，技術為人類行動創造出新的可能，但技術的目的不在于技術本身，而在佇立于技術背后的人^[1]。因此，教師對待信息技術工具需辯證看待、理性分析并合理應用。“必做實驗”是提升學生物理學科核心素養的重要途徑，教師應精心設計，讓學生親歷實驗探究過程，促進學生思維深層建構。為有效開展學生必做實驗教學，培養學生的實驗探究能力與科學思維，本文以《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》規定的必做實驗“用單擺測量重力加速度”為例^[2]，探討利用Phyphox開展學生必做實驗的設計、實踐與反思。

一、設計思路

為高效指導學生開展必做實驗，教師預先進行了學情探查，發現周期測量是學生在“用單擺測量重力加速度”實驗中遇到的主要困難。在常規實驗中，學生一般采用先測量單擺做多次全振動的時間，然后用總時間除以全振動次數來測得周期^[3]。但實際操作中全振動的時間與次數是由學生人工觀測，導致計時起點與終點的確定都具有較大隨機性，學生難以做到從平衡位置開始計時，容易出現超前計時或滯后計時^[4]。一些教師引入Phyphox信息技術工具嘗試解決這一問題，工具中的“擺”模塊可智能計時，測得周期數據，避免了人工計時的隨機性，但許多學生并未深度理解原理，也未意識到此實驗方案存在一定誤區。

針對上述問題，本研究按照“常規實驗—Phyphox融合實驗—Phyphox優化實驗”三重遞進的邏輯，重新對“用單擺測量重力加速度”必做實驗進行教學設計。課堂沿著“開展常規實驗，人工測量周期→融合Phyphox探索實驗，智能測量周期→利用Phyphox優化實驗，創新測量方式→運用Excel處理數據，拓展數據分析方法→注重方法、總結提升，培養學生科學思維”五個環節展開（如圖1）。

二、教學過程

（一）開展常規實驗，人工測量周期

課堂伊始，教師讓學生了解教科書中的常規實驗方案，明晰“用單擺測量重力加速度”的實驗原理、操作步驟，并為學生提供常規實驗器材，由學生分組開展必做實驗。教師在學生實驗過程中巡視指導，收集學生的共性問題與困惑，許多學生提出的問題之一便是難以把握計時起點與終點。設計該環節的目的除了讓學生通過實驗深入認識“單擺”模型， 培養動手操作的實踐能力，更重要的是讓學生在實踐中體會周期測量的不確定性，激發他們改進創新的動力。

（二）融合Phyphox探索實驗，智能測量周期

針對學生在第一環節提出的共性問題，教師提供了智能手機終端Phyphox工具，并讓學生嘗試利用該工具進行自主探索。Phyphox工具自帶的“擺”模塊可將手機等效為單擺，用細線系住手機并小幅擺動，軟件界面便能顯示出擺動的周期，再將測量后的擺長輸入軟件，便可得出重力加速度的大小。大部分學生選擇按照Phyphox工具中的原有方案進行實驗，也有部分學生對此方案持懷疑態度。為培養學生實踐出真知的科學態度，教師讓學生實踐后展開討論。

學生按照原有方案操作后發現測量值與真實值相差較大，教師順勢引導學生深入思考其原因并討論。部分學生根據上節的學習內容提出，單擺是一種理想化模型，能被視作單擺模型的條件之一便是擺球尺寸相對于擺線可以忽略不計，若將手機等效為單擺，等效擺球尺寸相對于擺線而言難以忽略。也有學生指出在操作中手機容易出現旋轉、不在同一鉛垂面上擺動等情況，若將手機等效為擺球，其系統誤差不可忽略。

學生比較容易理解手機無法視作單擺這一原因，但由于對Phyphox工作原理不夠了解，他們難以分析出其他原因。此時教師繼續追問：擺長測量是否合理呢？學生在教師的引導下發現，在利用Phyphox測量重力加速度時需輸入擺長數據，原始方案中以支點到手機質心的距離為擺長，多數學生測量時以支點到手機中心的距離為擺長，而手機并非質量分布均勻的物體，質心與手機中心一般不在同一位置，因此擺長測量也存在較大誤差。

在該環節，教師為學生提供自主探索空間，讓他們結合信息技術工具進行實驗設計與探究，并在實踐中分析原有實驗方案的誤區。教師通過全面深入分析內部原理，引導學生批判性地應用信息技術工具，從而提升他們的模型建構能力、培養他們的批判思維與質疑創新素養。

（三）利用Phyphox優化實驗，創新測量方式

經過前一環節的分析和討論，學生發現原有實驗方案并不滿足“單擺”模型條件。為促進學生形成優化意識、發揮創新思維，教師鼓勵學生思考優化方案。教師從“功能轉化”的角度啟發學生思考。“功能轉化”即靈活地將工具原有功能用于新情境。在教師引導下，學生發現只要能測量隨單擺周期擺動而變化的時間即可測得周期，Phyphox工具中的此類物理量包括磁性小球的磁力、小球與傳感器的距離。

接下來，學生根據此發現嘗試設計了兩種優化方案。第一種方案是將磁性小球作為單擺，并將手機置于擺球下方。隨著擺球周期性往復運動，磁力計接收到的磁場也會周期性變化。磁力計可顯示磁場隨時間周期性變化的情況并輸出圖像及數據，所得圖像橫坐標間隔一個峰值的時間便是單擺周期（如圖2）。第二種方案為將小球作為單擺，并將手機置于擺球側方。隨著單擺的往復運動，近距秒表便能顯示距離隨時間的變化情況（如圖3），從而測得單擺周期。

教師利用Phyphox工具可以引導學生優化單擺周期測量方式，也可引導學生創新擺長測量方式。單擺的周期會隨著擺長變化而變化，且單擺周期平方與擺長之間存在線性關系。若得到單擺周期平方隨擺長的變化關系，便可以利用圖像法分析數據。根據這個創新性的測量方案，學生無須測量擺球半徑，可僅測量單擺擺長的變化量，從而減小測量誤差。這個過程可以加深學生對單擺周期公式的理解，有助于學生在后續學習中靈活分析并運用周期公式。同時，對常規方案的改進優化也有助于培養學生的優化意識與創新思維。

（四）運用Excel處理數據，拓展數據分析方法

為拓展學生的數據處理方法，讓學生靈活運用信息技術工具分析數據，教師向學生引入Excel軟件處理實驗數據方法。學生利用優化后的方案再次開展實驗檢驗，并將所測數據導入Excel表格，利用散點圖將實驗數據進行線性擬合，得到如圖4、圖5所示的擺長變化量與周期平方間的關系圖。對測得的實驗數據進行線性擬合，學生發現兩種實驗方案測量結果均在誤差允許范圍內，比較而言，使用近距秒表比使用磁力計所產生的實驗誤差更小。

學生在該環節拓展了信息技術對實驗操作支持性的認識，實踐能力與信息化數據處理能力得到進一步提高。

（五）注重方法、總結提升，培養學生科學思維

學生完成實驗探究后，教師還需注重其在思維與方法層面的提升。于是教師在本課中引導學生進行了方法總結。首先，優化方案對Phyphox的功能進行了靈活轉換，磁力計原始功能為測量磁場隨時間的變化情況，用磁性擺球擺動引起磁場變化從而轉化為測量單擺周期；近距秒表的原始功能為基于近距離傳感器測量時間，用單擺周期性靠近近距離傳感器從而轉化為測量單擺周期。其次，在實驗數據處理上拓展實驗數據的處理方法，引入Excel軟件，結合圖像法處理數據，培養學生信息化數據處理能力。方法層面的總結提升有助于學生在后續實驗中有意識地審思、分析并創新優化實驗方案。

三、總結反思

用之有方，過猶不及。信息技術工具猶如一把雙刃劍，其效果如何關鍵在于怎樣應用。為有效發揮信息技術工具的促教、促學功能，下面提出幾點建議。

（一）樹立正確的應用觀念，讓教學回歸“育人原點”

教師應樹立正確的技術應用觀念，明確實驗教學中技術應用的最終目標是培養學生的實驗探究能力、科學思維，技術手段應當成為促使學生主動思考、積極參與的催化劑，而不是取代學生思考和實踐的工具。因此，教師須摒棄技術至上的觀念，遵循“適合才用”原則，針對學情與實驗內容綜合考慮技術應用的必要性和效果，并做出合理選擇。同時，教師也須摒棄技術萬能的觀念，遵循“有效才用”原則，在實驗教學選擇信息技術工具時辯證全面地評估其優勢與局限，確保技術應用的合理性和有效性。

（二）拓展創新的應用方式，讓“人”“技”走向協同共生

教師應拓展創新的技術應用方式，讓信息技術成為支持學生理解概念規律、發展科學思維與實踐能力的有效工具。首先，教師應深入研究、熟悉掌握已有信息技術工具的內在原理，這是拓展創新信息技術應用方式的前提。其次，教師需在教學實踐中勇于嘗試，積極反思存在的問題，突破技術單一應用思維，創造性地拓展應用方式，提升教學活力和效果，實現“師”“技”協同。最后，教師還需為學生提供多元的信息技術學習資源，讓學生在信息技術的支持下更好地理解概念、規律，并能夠主動參與、深度探究，培養學生的科學探究能力，走向“生”“技”協同。

（三）加強必要的應用指導，讓學生深層建構思維

教師在利用信息技術開展實驗教學時，應尊重學生主體地位，給予學生充分自主的探索空間，同時在必要環節發揮教師的主導作用，促進學生思維的深層建構。實驗前，教師可引導學生利用信息技術進行自主探究，激發學生的學習興趣和動力。實驗中，教師在必要環節仍需發揮主導作用并加強指導，因學生在利用信息技術工具進行實驗探究時，可能會在淺層探索中止步，或者在深層思考中遇到障礙，教師可提供適當的提示、示范和解釋，幫助學生克服困難，拓展思維的深度和廣度。實驗后，教師還應注重引導學生總結反思，歸納總結實驗結果和所得規律，促進學生系統化、結構化地建構新知。

參考文獻

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[3] 人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發中心．普通高中教科書 物理 選擇性必修 第一冊[M]．北京：人民教育出版社，2019：49．

[4] 楊雙偉，周革潤，張小川，等.探究單擺測周期計時最佳位置[J].物理教師，2011（1）：34-35.

（作者系西北師范大學物理課程與教學論碩士研究生）

責任編輯：祝元志