指向核心素養(yǎng)的高中物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例研究

朱新梅,李鑫鵬,孫玉玲

（揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009）

2017年新修訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》要求發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，要重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”，從而使學(xué)生在面對(duì)各種未知情境時(shí)，能夠綜合運(yùn)用學(xué)科知識(shí)和技能解決問題[1]。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(DIS)是指基于傳感器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一般由傳感器、數(shù)據(jù)采集器及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件等各部分構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。由于專業(yè)傳感器設(shè)備造價(jià)昂貴，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)始終難以得到大范圍推廣。近年來，攜帶多種傳感器的智能手機(jī)作為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的新載體，具有方便攜帶、測(cè)量準(zhǔn)確、普及率高等優(yōu)點(diǎn)。將物理實(shí)驗(yàn)與智能手機(jī)的各種數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用程序相結(jié)合，正逐漸受到全球物理教育工作者的普遍關(guān)注，并成為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)[2]。

Phyphox是一個(gè)基于智能手機(jī)的App，它可以調(diào)用手機(jī)已有的各類傳感器采集數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)和結(jié)果圖表導(dǎo)出，供進(jìn)一步分析。Phyphox傳感器可以探究的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有如下類型：利用壓電效應(yīng)的加速度傳感器，可以用于測(cè)量單擺、自由落體、彈簧振子的運(yùn)動(dòng)加速度；利用壓電效應(yīng)的陀螺儀傳感器，可以用于測(cè)量角加速度和角速度的關(guān)系、驗(yàn)證向心力大小的相關(guān)因素；利用聲敏元件的聲音傳感器，可以用于測(cè)量聲速、多普勒效應(yīng)、彈性碰撞的能量損失重力加速度等；利用磁阻傳感器，可以測(cè)量磁場(chǎng)分布，其他還有光傳感器等[3-5]。本文借助聲音傳感器設(shè)計(jì)“彈性球的非完全彈性碰撞”實(shí)驗(yàn)，借助陀螺儀傳感器設(shè)計(jì)“向心加速度與角速度的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，借助磁阻傳感器和陀螺儀傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)的大小和方向。結(jié)合每個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)案例討論如何利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案提升高中生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例

（一）彈性球的非完全彈性碰撞

彈性小球自由下落撞擊地面，發(fā)生非完全彈性碰撞，由于在碰撞過程中能量消耗，小球雖然不斷被彈離地面，但是小球的能量慢慢變?yōu)榱?，最終不再?gòu)椘?。如果保持小球在彈跳過程中盡量處于豎直方向，與水平面垂直，那么小球每一次彈起又落下的過程可以等效為一次豎直上拋運(yùn)動(dòng)。由于豎直上拋運(yùn)動(dòng)具有對(duì)稱性，從地面升到最高點(diǎn)和從最高點(diǎn)落回地面的時(shí)間是一樣的，可以把豎直上拋運(yùn)動(dòng)的下落過程等效為自由落體運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，每次乒乓球碰撞后反彈高度均不一樣，并且伴隨能量的損失。如果忽略空氣阻力，那么乒乓球每次反彈后機(jī)械能守恒，根據(jù)高中物理必修二機(jī)械能守恒定律的相關(guān)結(jié)論進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：把乒乓球和地球看成一個(gè)系統(tǒng)，在乒乓球下落的過程中，將乒乓球的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為乒乓球的動(dòng)能；乒乓球撞擊地面形變恢復(fù)過程中，彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，但是由于是非完全彈性碰撞，所以碰撞過程伴隨機(jī)械能的損耗，機(jī)械能部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。在乒乓球上升過程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能。由能量損失可以得出，小球在反彈過程中，彈性勢(shì)能并非全部化為動(dòng)能，其中損失的能量部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。但是在理想情況下，可以發(fā)現(xiàn)每次碰撞后和碰撞前的能量之比近似相等，這是一個(gè)非常有意思的結(jié)論，這個(gè)比值就是大學(xué)物理中將要學(xué)到的一般物體對(duì)心碰撞的恢復(fù)系數(shù)。

圖1 彈性球非完全性碰撞

由于碰撞過程非常短暫，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法不容易進(jìn)行觀察和測(cè)量，而采用智能手機(jī)自帶的加速度傳感器可以讓學(xué)生直觀地看到碰撞過程能量的變化，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)碰撞過程中運(yùn)動(dòng)與相互作用、動(dòng)量和能量的物理觀念深度理解。對(duì)碰撞和反彈過程的分析可以巧妙地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型建構(gòu)，學(xué)生經(jīng)歷由生活中的碰撞現(xiàn)象構(gòu)建質(zhì)點(diǎn)碰撞模型的抽象概括過程，極大鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維。實(shí)驗(yàn)前的課程教師需要指導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)豎直上拋運(yùn)動(dòng)和能量的轉(zhuǎn)化與機(jī)械能守恒定律，提出物理問題，形成猜想與假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案，最終基于Phyphox實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，并結(jié)合機(jī)械能守恒定律作解釋，有效培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力。本實(shí)驗(yàn)在幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)非完全彈性碰撞科學(xué)本質(zhì)的基礎(chǔ)上，加深對(duì)生活中各種各樣碰撞現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，知道碰撞的相關(guān)應(yīng)用與危害，學(xué)生逐漸形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，形成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

（二）向心加速度與角速度的關(guān)系

在傳統(tǒng)圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)中，很難直接測(cè)量角速度和向心加速度，但是利用智能手機(jī)內(nèi)置的陀螺儀傳感器和加速度傳感器，Phyphox可以測(cè)量x，y，z軸的角速度和向心加速度，并且可以探究角速度和角加速度之間的數(shù)量關(guān)系是否滿足a=ω2r。

將手機(jī)放在可以旋轉(zhuǎn)的支架上面并將手機(jī)固定，打開“向心加速度功能”，轉(zhuǎn)動(dòng)固定手機(jī)的支架部分，將向心角速度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出至excel，然后繪制向心加速度與角速度平方的關(guān)系曲線如圖2所示，曲線擬合之后我們不難得出向心加速度與角速度的平方是呈線性關(guān)系的，由此即可驗(yàn)證a=ω2r的關(guān)系式。

圖2 向心加速度與角速度平方關(guān)系

該實(shí)驗(yàn)通過圓周運(yùn)動(dòng)過程中向心加速度和速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)形結(jié)合的方法，分析歸納總結(jié)得到圓周運(yùn)動(dòng)過程中向心加速度和角速度的平方滿足正比例關(guān)系，并且比例系數(shù)就是圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，可以幫助學(xué)生在理論推導(dǎo)圓周運(yùn)動(dòng)的加速度運(yùn)動(dòng)學(xué)公式方面提供感性直觀認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)作為一種特殊曲線運(yùn)動(dòng)的理解，幫助學(xué)生形成更深層次的運(yùn)動(dòng)觀。根據(jù)手機(jī)繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)建圓周運(yùn)動(dòng)模型，由導(dǎo)出數(shù)據(jù)的處理結(jié)果推導(dǎo)向心加速度和角速度的關(guān)系，可以提高學(xué)生模型建構(gòu)、分析綜合和推理論證等科學(xué)思維能力。實(shí)驗(yàn)前指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和描述圓周運(yùn)動(dòng)的物理量，提出向心加速度與角速度滿足什么關(guān)系的物理問題，引導(dǎo)學(xué)生形成猜想與假設(shè)，然后設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案，最終基于數(shù)據(jù)分析和結(jié)果得出結(jié)論并作解釋，學(xué)生對(duì)過程和結(jié)果進(jìn)行交流反思，可以很好地訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)探究的能力。該實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)過程中加速度產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)描述，聯(lián)系生活中圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用，如行駛的車在較光滑地面拐彎時(shí)，車速太快容易打滑，因?yàn)樗俣瓤靹t向心加速度就快，導(dǎo)致所需要的向心力就比較大，如果地面的摩擦力不足以提供運(yùn)動(dòng)所需的向心力，則車輪就會(huì)做離心運(yùn)動(dòng)，發(fā)生打滑，釀成交通事故。借助該數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以促使學(xué)生更好理解關(guān)注生活現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生“見物思理、格物致知”的科學(xué)態(tài)度。

（三）地磁場(chǎng)的測(cè)量

高中物理教學(xué)需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境吸引學(xué)生的注意力，如在磁場(chǎng)的教學(xué)中可以設(shè)置這樣的問題情境：“飛機(jī)在我國(guó)上空勻速飛行，機(jī)翼保持水平，由于地磁場(chǎng)的作用，如何判斷金屬機(jī)翼上電勢(shì)差的高低?”這個(gè)問題要求學(xué)生必須了解地磁場(chǎng)的特點(diǎn)。雖然學(xué)生通過指南針和“信鴿通信”等相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)對(duì)地磁場(chǎng)有初步認(rèn)識(shí)，但是Phyphox利用磁阻傳感器的磁力計(jì)模塊可以直觀地測(cè)量地磁場(chǎng)沿手機(jī)平面和垂直手機(jī)平面的磁場(chǎng)分布。如圖3所示，磁力計(jì)可以測(cè)得磁場(chǎng)在x、y、z三個(gè)方向的磁場(chǎng)大小，垂直手機(jī)平面方向?yàn)閦軸，沿手機(jī)短邊和長(zhǎng)邊方向分別為x軸和y軸。當(dāng)手機(jī)傾角選取合適位置的時(shí)候，磁力計(jì)顯示x和z軸的磁感強(qiáng)度近似為零，表示此時(shí)地磁場(chǎng)沿手機(jī)長(zhǎng)邊方向，借助陀螺儀傳感器的斜面功能可以顯示在北半球地磁場(chǎng)方向與水平面之間的夾角約為-48.01°，由此測(cè)量結(jié)果可以直觀看出北半球地磁場(chǎng)是斜向下的，借助該實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅可以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解地磁場(chǎng)的分布，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)地磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的直觀認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)地磁場(chǎng)與地理空間關(guān)系的認(rèn)識(shí)，發(fā)展學(xué)生的空間想象能力。而且該數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以很好地培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識(shí)和科學(xué)探究能力，提升學(xué)生的科學(xué)思維，很好地踐行“實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，思維為中心”的教學(xué)理念，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)去搜集更準(zhǔn)確、更豐富、更高效的信息[6]。另外還可以將手機(jī)在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，測(cè)量地磁場(chǎng)水平分量的大小和方向，如圖4所示，學(xué)生通過親自測(cè)量可以總結(jié)，某一位置的地磁場(chǎng)水平分量的大小和方向是恒定的，不會(huì)隨著手機(jī)在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化，學(xué)生通過學(xué)習(xí)將地磁場(chǎng)水平分量沿手機(jī)短邊和長(zhǎng)邊兩個(gè)正交方向分解的方法，進(jìn)一步強(qiáng)化物理學(xué)中矢量分解與合成的方法，學(xué)生學(xué)以致用，發(fā)展學(xué)生思維的靈活性和深刻性。

圖3 測(cè)量磁場(chǎng)大小

圖4 測(cè)量磁場(chǎng)水平分量

二、素養(yǎng)反思

通過上述三個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)可以看出，首先數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以有效創(chuàng)設(shè)物理情境，如案例一借助Phyphox（非）彈性碰撞的測(cè)量界面可以讓學(xué)生直接定量測(cè)量彈性球與桌面碰撞過程中的能量變化情況，有助于學(xué)生深度理解碰撞的物理規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念和能量觀念的發(fā)展。其次借助智能手機(jī)可以快捷高效地搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)探究過程，結(jié)合自主實(shí)驗(yàn)與觀察演示實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中有意識(shí)地提出物理問題、主動(dòng)探索科學(xué)問題和尋找證據(jù)進(jìn)行解釋并給出結(jié)論，從而提升學(xué)生的科學(xué)探究能力和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，如案例二借助手機(jī)旋轉(zhuǎn)的可視化圖像和相關(guān)導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，可以幫助學(xué)生將手機(jī)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成手機(jī)質(zhì)心繞固定點(diǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)的物理模型，有效提升學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力、對(duì)問題的分析綜合和推理論證能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。案例三通過學(xué)生測(cè)量地磁場(chǎng)的大小和方向分布特點(diǎn)，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，也可以激發(fā)學(xué)生對(duì)磁力計(jì)如何利用磁場(chǎng)和磁阻材料的相互作用測(cè)量磁場(chǎng)分布的好奇心，促進(jìn)學(xué)生深度思考。最后數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以很好地踐行“做中學(xué)”的教育理念，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，如案例二通過定量演示手機(jī)繞軸的轉(zhuǎn)速改變對(duì)加速度和向心力的影響，學(xué)生深刻理解交通工具快速拐彎容易打滑的物理本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

三、結(jié)束語

在智能手機(jī)普及的現(xiàn)代生活中，教師可以在高中物理教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生借助智能手機(jī)來開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，這不僅可以踐行新課標(biāo)中“積極探索信息技術(shù)與物理教學(xué)的深度融合”的建議，而且對(duì)于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)觀都大有裨益。