基于智能手機優化高中物理實驗提升學生物理觀念的研究*

袁家文

(南京市雨花臺中學岱山校區 江蘇 南京 210012)

季衛新

(南京市雨花臺區教師發展中心 江蘇 南京 210012)

1 研究背景

《中國教育現代化2035》明確提出加快信息化時代教育變革,建設智能化校園,改革現有的課程形式,在教學手段現代化方面進行創新.在2022版物理課程標準中,也明確要求要在教學中發揮多媒體教學優勢,促進教育信息化、現代化的實現.近年來隨著科技的進步,手機已經從傳統的通訊工具升級為集多種傳感器為一體的智能化終端,由于智能手機具有功能眾多、傳感器種類繁多且靈敏、可視化強、普及率高、便于攜帶使用等特點,可以使物理課堂的演示實驗得以較好的優化和創新.

隨著科技的發展,智能手機的芯片迎來5nm時代,不僅具有了強大的計算能力,還有各類強大的AI能力、種類繁多且功能強大的傳感器,結合各類投屏、共享軟件功能的完善,智能手機成為了物理演示實驗的重要手段.利用智能手機進行演示實驗,可以解決物理實驗資源不均衡的問題[1].而且,相比于傳統的DIS傳感器更容易讓學生體驗到物理來源于生活,可以讓學生在課下主動用智能手機設計并進行一些常見的物理實驗,發現身邊的物理規律,可以有效地提升學生的物理觀念,從而提升物理課堂教學效果.

2 智能手機硬件和相關軟件介紹

一部智能手機,最核心的硬件如CPU(手機中央處理器)、NPU(嵌入式神經網絡處理器)、攝像頭、內存、運存等,硬件功能越強大手機性能越強.本文介紹基于智能手機的演示實驗中能用到的手機硬件、傳感器和需要的軟件.

2.1 攝像頭

目前智能手機的攝像頭主要有長焦、超廣角、潛望式長焦等.手機搭載的攝像頭越多,則可以使用的拍攝模式就越多.在物理實驗中常用到的就是60fps拍攝和慢動作拍攝.

手機慢動作拍攝常用的是480幀慢動作和960幀慢動作.480幀慢動作拍攝是每秒拍攝480張照片再以每秒30張照片播放,即將物體運動慢放16倍;960幀慢動作則是將運動慢放32倍.可以實時將肉眼無法直接觀測的快速運動直觀地展現出詳細的運動過程.

2.2 傳感器

為了應對日益豐富的使用需求,智能手機可以通過自身配置的種類豐富的傳感器擴充手機功能,傳感器可以識別環境參數、手機位置、運動參數等轉化為數據信息傳輸給CPU、NPU進行處理,轉化為直觀的數據、圖表.

2.3 常用軟件

(1)Phyphox(物理工坊)APP

Phyphox中文名是物理工坊,是由德國亞琛工業大學第二物理研究所2016年開發的一款免費的可支持安卓及IOS系統的基于智能手機內置傳感器的物理實驗軟件[2],涉及的傳感器及相關物理實驗如表1所示,將手機內的傳感器進行分類,具有數據準確、操作簡單的特點.該軟件還可以根據實際的演示實驗需求,自行創建實驗方案.

表1 PhyphoxAPP 常用傳感器及適用的高中物理實驗[3]

(2)希沃白板APP和PC端

為了將手機上獲取的實驗數據快捷清晰地傳達給學生,提升學生課堂參與度,需要將智能手機的照片、視頻快速傳到電腦上,或者將手機屏幕共享到電腦上.希沃白板APP和PC端可以很好地滿足演示實驗的需求[4].

只需要在電腦上下載希沃白板PC版和手機上下載希沃白板APP,就可以利用“拍照上傳”“手機投屏”等功能,實時將手機拍攝的照片、視頻投屏到電腦上.相比其他投屏軟件,希沃白板具有操作方便、功能強大、清晰流暢、穩定性強等優勢[5].

(3)剪映APP

剪映是抖音出品的一款視頻編輯應用,有著功能齊全、操作便捷的特點,可以將拍攝的視頻進行慢放、剪輯等操作.打開剪映APP,點擊“開始創作”,導入所需要修改的視頻文件,即可對導入的文件進行慢放、剪切、放大、倒放、定格等操作.從而可以在實驗時,更方便地讀取數據,定量得出物理規律.

3 基于智能手機的演示實驗提升物理課堂教學實例設計探討

基于智能手機的演示實驗在課堂教學中有著巨大的優勢,在教學實例設計和實行過程中,應提升學生對設計方案進行分析總結的科學探究能力,引導學生由生活中隨處可見的現象發現物理知識,再將所學的物理知識遷移到日常生活中,真正做到“從生活走向物理”的教學理念[6].

根據以上標準,筆者在此設計幾組不易在課堂展示、但對學生課堂學習又極其重要的演示實驗,用以提升學生物理觀念,從而提升物理課堂教學效果.

3.1 利用手機慢動作拍攝演示加速度突變現象

【實驗原理】

利用手機慢動作拍攝功能,記錄剪斷細繩后鉤碼的運動位置變化,演示鉤碼瞬時運動情況.

【實驗器材】

彈簧,鉤碼,刻度尺,鐵架臺,細繩,智能手機.

【實驗步驟】

(1)將彈簧、鉤碼、細繩、刻度尺按圖1固定在鐵架臺上,用三腳架固定智能手機,并用希沃白板APP將手機畫面投屏到電腦上.(2).打開手機慢動作拍攝功能,選擇960幀,點擊開始錄制.(3).剪斷細繩,用手機記錄鉤碼下落時的運動情況.

圖1 手機慢動作拍攝剪斷細線瞬間

【實驗結論】

通過慢動作拍攝的視頻,可以直觀地發現在剪斷細線的瞬間,下方鉤碼保持靜止,上方鉤碼向下加速.即可得到剪斷細線的瞬間,彈簧彈力保持不變.

【設計背景】

牛頓第二定律瞬時性問題的實驗因為變化太快難以用肉眼觀測,學生理解困難.而利用智能手機的慢動作拍攝功能后,能夠直觀地展示物體運動的瞬時特點,可以讓學生直觀地觀測到運動現象,化抽象為具象從而可以快速準確地得出結論.

3.2 利用智能手機描繪彈簧振子位移-時間圖像

【實驗原理】

用手機60fps拍攝功能記錄彈簧振子的運動情況,用剪映APP進行慢放,讀取滑塊在運動過程中位置與時刻數據,在Excel表格中繪制圖像進行擬合.

【實驗器材】

智能手機,滑塊,彈簧,氣墊導軌,氣泵.

【實驗步驟】

(1)將滑塊放置在氣墊導軌上,連接氣泵接通電源,對氣墊導軌進行調平.

(2)如圖2所示,用彈簧將滑塊固定在氣墊導軌上.

圖2 探究彈簧振子運動實驗裝置

(3)將手機用三腳架固定在離傳送帶一定位置處,打開攝像模式,選擇60fps拍攝,并用希沃APP將手機畫面投屏到電腦上.

(4)將滑塊拉到一定位置,由靜止釋放.

(5)將拍攝到的視頻導入到剪映APP中,選擇變速功能,將視頻慢放10倍并導出視頻.

(6)播放放慢后的視頻,暫停讀取時刻和位置數據.

【數據處理】

選擇合適的時刻為計時起點,讀取位置和時刻并記錄在Excel中,用平滑圖像進行擬合.實驗數據和圖像如表2和圖3所示.

圖3 Excel中記錄數據并作圖

表2 實驗數據

【實驗結論】

簡諧振動的x-t圖像是正弦函數圖像.

【設計背景】

在研究簡諧振動運動過程中的位移-時間圖像時,實驗室的傳統實驗器材大多只能定性地描述運動的特點,學生在構建運動模型時存在較大困難.通過使用手機高幀率拍攝后,再利用剪映軟件慢放.將讀取的數據錄入Excel中,即可擬合出簡諧振動過程中的位移-時間圖像.本實驗將定性實驗轉化為定量實驗,不僅可以提高學生物理探究能力,還可以激發學生學習興趣,提高課堂效能.

3.3 利用智能手機加速度傳感器探究超重失重現象

【實驗原理】

人在體重秤上下蹲起立,利用Phyphox軟件記錄運動過程中的加速變化曲線圖.

【實驗器材】

裝有Phyphox的智能手機,體重秤.

【實驗步驟】

(1)人站立在體重秤上,保持智能手機豎直向上,運行Phyphox軟件,點擊加速度傳感器(含g),點開y方向加速度計.(2)保持手機平穩,點擊軟件右上角的三角形按鈕開始記錄.(3)快速下蹲,過一段時間迅速站起,同時觀察體重秤示數變化.(4)點擊軟件右上角的暫停完成數據記錄.

【數據處理】

手機記錄的圖像如圖4所示,觀察可知,下蹲過程中體重秤的示數先比自身重力大,后比自身重力小,站起的過程中體重秤的示數先比自身重力大,后比自身重力小.由Phyphox軟件記錄的加速度圖像可得,下蹲過程中加速度方向先豎直向下后豎直向上,站起過程中加速度方向先豎直向上后豎直向下.

圖4 Phyphox記錄下蹲和站起時加速度變化曲線

【實驗結論】

物體有豎直向下的加速度時,失重現象;物體有豎直向上的加速度時,超重現象.

【設計背景】

利用Phyphox軟件記錄的加速度圖像,清晰直觀地展現了下蹲和站起時的加速度變化.通過智能手機進行演示實驗,將身體動覺親身體驗和定量數據測算、邏輯歸納推理相結合,讓學生掌握超重和失重概念建立的過程,促進學生運動觀念和相互作用觀念的建立.

3.4 利用智能手機磁力計測量地磁場

【實驗原理】

利用Phyphox軟件測量地磁場方向和大小.

【實驗器材】

裝有Phyphox智能手機.

【實驗步驟】

(1)運行Phyphox軟件,使用希沃白板APP將手機畫面投屏到電腦上.(2)選擇磁力計,將手機水平放置在水平桌面上,保持手機平穩,點擊右上角三角形按鈕進行測量.(3)緩慢在水平面內旋轉手機,使x方向磁場為零,記錄此時手機指向以及y軸磁感應強度和z軸磁感應強度.

【數據處理】

圖5為手機記錄的相關數據.實驗過程可知:

圖5 Phyphox記錄地磁場磁感應強度

(1)移動過程中,z軸磁場大小幾乎不變且為負值.所以,地磁場豎直方向大小約為35μT,方豎直向下.(2)x軸磁場約為零時,y軸磁場約為25μT,方向由南向北.

【實驗結論】

南京市的地磁場大小約為43μT,方向由南向北斜向下.

【設計背景】

地磁場非常微弱難于測量而且干擾較大,而Phyphox利用算法可以相對精確地測量磁場的大小和方向,化抽象為具象、化定性為定量.不僅可以快速且有效地展示地磁場的方向,還可以讓學生真正地去測量地磁場的大小和方向,提升學生的科學思維與物理觀念.

3.5 利用聲音傳感器測量非彈性碰撞的能量損失

【實驗原理】

利用Phyphox軟件讀取聲音傳感器數據,從而計算出小球兩次撞擊地面的時間間隔.

【實驗器材】

裝有Phyphox的智能手機,彈性小球.

【實驗步驟】

(1)運行Phyphox軟件,使用希沃白板APP將手機畫面投屏到電腦上.

(2)選擇(非)彈性碰撞,將手機放在水平桌面上,保持手機平穩,點擊右上角三角形按鈕進行測量.

(3)將一個彈性小球在一定高度由靜止下落.

(4)小球下落后會和地面發生多次碰撞,軟件會由聲音傳感器記錄小球落地時刻,并通過兩次碰撞的時間間隔計算出小球每次下落高度.

【數據處理】

通過高度變化,計算出小球在和地面碰撞時的能量損失.數據記錄如圖6所示.

圖6 Phyphox非彈性碰撞記錄數據

【實驗結論】

小球第二次碰撞后動能約為碰撞前71.9%.小球第三次碰撞后動能約為碰撞前71.9%.小球第四次碰撞后動能約為碰撞前70.08%.小球第五次碰撞后動能約為碰撞前74.12%.

【設計背景】

通過測量的數據,讓學生估算出每次碰撞過程中能量損失比例,可以讓學生更直觀地認識到彈性碰撞與非彈性碰撞的區別,激勵學生探究生活中的物理規律.

4 結束語

在科技和信息技術高速發展的當今,在物理學科新課標對于教學信息化、現代化的學科背景下,基于智能手機的演示實驗在物理課堂教學中更加契合時代對教育發展的要求,更加符合新課標對學生素養能力培養的要求.

首先,智能手機具有普及性高、便捷性強的特點,基于智能手機的演示實驗,可以輔助或替代實驗儀器,對很多實驗資源短缺的學校有著很重要的意義.其次,智能手機數據準確、傳感器眾多、集成度高、穩定性高、通用性強,避免了在實驗過程中需要帶各類傳感器、安裝眾多軟件的問題,也降低了實驗成本,以及教師不得不再學習許多相關知識的問題.最后,通過基于智能手機的演示實驗提升物理課堂教學實例可發現,智能手機在實驗中,可以讓學生有更多的參與度、更高的學習興趣,對培養學生“生活處處是物理”的物理觀念具有巨大的效果.

當然,由于基于智能手機的演示實驗與傳統演示實驗有較大區別,需要教師重新設計課堂教學,使課堂教學更加有利于學生相關素養的提升.