利用ＥＳＰ３２和Ｐｈｙｐｈｏｘ重構“超重和失重”教學

摘" "要：在“超重和失重”的教學中，出現了研究對象的模糊、迷思概念的影響、測速工具的制約和已學規律的暗示等問題。將信息技術應用于“超重和失重”教學，可以提升教師的教和學生的學的效能。通過ＥＳＰ３２采集力和Ｐｈｙｐｈｏｘ測量智能手機速度，深研“蹲下與站起”時智能手機的ｖ－ｔ與F－ｔ圖像、ａ－ｔ與F－ｔ圖像，并重構“超重和失重”教學流程。構建信息技術支撐的新型教與學流程與評價指標體系，從“以評優教、以評促學、以評創和”方向對信息技術應用進行規范引導。

關鍵詞：超重和失重；Ｐｈｙｐｈｏｘ；重構教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2025）3-0080-5

隨著我國邁入教育信息化“３．０時代”，以數字化為代表的教育信息技術得到廣泛應用，而且已經呈現燎原之勢［１］，從高中物理必修一第四章第６節的“超重和失重”教學設計便能可見一斑。探究超重、失重條件與規律的技術有智能手機［２］、ＤＩＳ實驗裝置［３－４］以及自主設計“數字化”體重計［５］或電梯模型［６］等，這些技術的應用不同程度提升了教師的教和學生的學的效能。

１重構緣起

１．１研究對象的模糊

在以學生為研究對象描述“蹲下與站起”運動時，由于身體各部分運動的差異，難以準確描述學生運動過程中的速度和加速度。當以身體重心為研究對象時，蹲下與站起過程中的身體姿勢變化也會導致重心的變化，使得重心運動的速度和加速度難以準確測量。因此，利用體重計或力學傳感器研究“蹲下與站起”過程中的體重變化時，研究對象是明確的；而在研究速度和加速度時，研究對象卻顯得模糊，需要改進活動設計，以確保研究過程中的對象清晰明確。

１．２迷思概念的影響

迷思概念是指學生在學習相關科學知識的不同階段（前、中、后）所形成的不完整或錯誤的認識，這些認識與科學概念存在差異［７］。學生在“蹲下與站起”的過程中，由于體驗的影響，容易產生速度與失重現象之間的直接相關性迷思。傳統的解答方法認為，蹲下過程的初始和末尾速度均為零，而運動過程中存在速度。因此，可以推理出蹲下過程是先向下加速，后向下減速；同樣，站起過程也可以推理為先向上加速，后向上減速。結合體重計的讀數，向下運動時的示數先減小后增大，向上運動時的示數則先增大后減小。因此，可以推論出速度與失重之間沒有直接相關性。然而，這種推理僅是定性分析，缺乏定量論證的支持。

１．３測速工具的制約

研究文獻指出，任虎虎老師讓學生站在體重計上進行“蹲下與站起”活動，并通過智能手機投屏軟件展示體重計指針的變化［３］。韋葉平老師則采用智能手機逐幀播放的方式呈現示數變化［２］。學生通過觀察總結發現，緩慢下蹲和起立時示數保持不變，而正常下蹲時示數先減小后增大，正常起立時示數則先增大后減小。由此推理出，失重現象與速度之間沒有直接相關性。然而，該過程缺乏定量研究的主要原因在于測速工具的限制。在高中階段，速度的測量主要依賴打點計時器和光電門，這兩種工具難以實時測量“蹲下與站起”過程中的速度變化，因此需要開發新的測速工具。

１．４已學規律的暗示

學生在學習“超重和失重”規律之前，已對牛頓第二定律有較深入的理解，尤其是力與加速度之間的關系。在組織學生探究超重、失重現象的產生條件時，學生容易受到先前學習內容的影響，聯想到加速度相關的概念。一些教師在教學設計中也受到這種規律的暗示，導致在教學過程中對超重、失重現象與速度關系的半定量或定量研究較少。教師常常從速度迅速過渡到加速度的探究，這可能使學生在面對復雜問題時傾向于采取簡單或忽視的處理方式。這不僅不利于提升學生的創新能力，也不利于培養他們面對困難時的科學態度。

２突破方法

２．１ＥＳＰ３２采集力和Ｐｈｙｐｈｏｘ測量速度

實驗中，智能手機放置在自制測力計上，由學生手持測力計進行“蹲下與站起”運動。這樣，測量的是智能手機及手掌運動過程的速度，同時確保研究對象在全過程中清晰明確。自制測力計利用ＥＳＰ３２與力傳感器連接，并將采集的數據通過藍牙發送給Ｐｈｙｐｈｏｘ，從而獲得手機視重的實時變化圖像。由于智能手機中沒有速度傳感器，Ｐｈｙｐｈｏｘ無法直接獲取速度信息。為了直觀展示“蹲下與站起”過程中的速度變化，Ｐｈｙｐｈｏｘ調用智能手機中的加速度傳感器以獲取運動過程中的實時加速度數據。通過Ｐｈｙｐｈｏｘ官網提供的在線軟件編輯器，對加速度進行積分運算，從而得到速度與時間關系的圖像。測量裝置的搭建流程如圖１所示，加速度積分運算程序的編輯如圖２所示，Ｆ－ｔ與ｖ－ｔ的同屏呈現如圖３所示。在圖３中，速度取正值表示方向向上，取負值表示方向向下。學生通過ｖ－ｔ圖像能夠實現對“蹲下與站起”運動過程中速度變化的定量描述。

２．２深研ｖ－ｔ與Ｆ－ｔ圖像

通過組織學生觀察“蹲下與站起”過程的ｖ－ｔ圖像，可以得出以下結論：在蹲下過程中，速度先增大后減小；當蹲下不動時，速度為零；在站起過程中，速度同樣先增大后減小，而站起不動時速度仍為零。進一步觀察“蹲下與站起”過程的Ｆ－ｔ圖像，可以發現：在蹲下過程中，先經歷失重狀態，后進入超重狀態；當蹲下不動時，視重等于重力；在站起過程中，先經歷超重狀態，后進入失重狀態；當站起不動時，視重同樣等于重力。從表１中可以看出，速度的大小與方向無法與超重、失重現象建立直接相關性。這一發現有助于解決學生基于體驗形成的關于速度與超重、失重現象直接相關的迷思概念。

２．３深研ａ－ｔ與Ｆ－ｔ圖像

在發現速度的大小和方向無法與超重、失重現象建立直接相關性后，教師引導學生從速度—時間圖線斜率的角度探究與超重、失重現象的關系，隨后自然而然地轉向研究加速度。具體而言，學生利用Ｐｈｙｐｈｏｘ軟件調用加速度傳感器，對“蹲下與站起”過程中加速度隨時間的變化進行實時繪圖。圖像中，正值表示加速度方向向上，負值表示加速度方向向下。同屏呈現的Ｆ－ｔ和ａ－ｔ圖像如圖４所示，學生可進行直觀對比和分析。為了便于比較，可以利用雙y軸坐標系將兩圖疊加在一起，如圖５所示。由此可以得出，超重、失重現象與加速度的大小變化無直接相關性，但與加速度的方向存在直接相關，如表２所示。

３重構教學

３．１任務驅動

基于上述研究，對“超重和失重”教學流程進行重構，具體聚焦三項任務展開，流程如圖６所示。

任務一：如何測出你的體重。

通過實際任務，學生將理解體重計的測重原理，并區分視重與重力。同時，讓他們在體重計上進行“蹲下與站起”的體驗，以感受“超重和失重”現象，分析指針示數變化的力學原因。

任務二：探究“超重和失重”規律。

（１）實驗時，智能手機（質量為０．１７２ ｋｇ）放置在自制測力計上，由學生手持自制測力計進行“蹲下與站起”運動（圖７）。學生分析ｖ－ｔ與Ｆ－ｔ圖像，探討速度變化、速度的方向和超重、失重情況，完成表１并進行全班交流；討論速度的大小和方向與超重、失重現象之間是否存在直接相關性，最終得出無直接相關性。教師隨后引導學生從速度—時間圖線斜率的角度探究與超重、失重現象的關系。

（２）組織學生根據ａ－ｔ和Ｆ－ｔ圖像分析加速度的大小變化和方向以及超重、失重情況，完成表２并進行全班交流，討論加速度方向與超重、失重現象之間是否存在直接相關性。

（３）在定量探究視重與加速度的關系時，導出實驗測得的Ｆ與ａ數據，利用Ｏｒｉｇｉｎ軟件同時繪制Ｆ－ａ關系的實驗點擬合的實驗線和基于牛頓第二定律推得的Ｆ＝ｍａ＋ｍｇ的理論線，并同屏呈現（圖８）。實驗數據擬合后為直線，其斜率為０．１７６ ９９，理論直線斜率為０．１７２（等于手機質量），相對誤差約為２．９％，實驗直線截距為１．６５１ ５６，理論直線截距為１．６７５ ２８（當地重力加速度ｇ取９．７４后乘以手機質量），相對誤差約為１．４％。數據分析表明，實驗線與理論線在誤差范圍內重合，因此推理得出Ｆ與ａ之間的實驗規律與理論規律一致。

任務三：解釋航空航天和生活實際中的“超重和失重”現象。通過以航空航天為背景，設計與超重、失重相關的實際問題，例如，航天員在飛船發射、運行和著陸過程中的個人感受。組織學生運用超重、失重規律對這些問題進行解釋，深化他們對規律的理解，并提升遷移規律的能力。

３．２拓展研究

在定量研究物體的超重或失重時，先測量實驗手機的質量ｍ，再導出Ｆ－ｔ圖像的數據，并利用Ｏｒｉｇｉｎ繪圖軟件繪制（Ｆ－ｍｇ）－ｔ圖像。同理，借助ａ－ｔ圖像數據繪制（ｍａ）－ｔ圖像。將這兩個圖像同屏呈現（圖９），在圖中，正值表示超重數值，負值表示失重數值。組織學生觀察這些圖像，并討論如何表達超重或失重的程度。通過交流和評估，學生可以得出結論：在誤差允許的范圍內，兩圖像重合。由此推導出物體超重或失重的數值為ｍａ，即物體質量和加速度的乘積。

４評價設計

隨著信息技術與物理教學融合研究的深入，科學評估其效能有助于進一步優化教師的教學和學生的學習，并營造和諧的教學生態。具體評估時，可以從以下幾個方面設計觀察點：信息技術與教學融合的深度，科學探究過程的優化程度，推理論證的科學性，以及師生之間的和諧程度。在評估過程中，可以從以下維度進行多維度評估：優化教學設計，破解迷思概念，推動深度學習，提出物理問題，建構物理模型，獲取與處理信息，關鍵數據的呈現，推動質疑與批判，新觀點的提出，推理論證的規范性、嚴密性和邏輯性，對話的輪次，協商與互助，互動的范圍等，如表３所示。

５反思與展望

重構后的教學中，師生充分體驗到了信息技術帶來的便捷與高效。然而，如果缺乏科學評估和規范引導，可能會不知不覺地對技術產生依賴，進而逐步喪失批判性使用的能力。這可能導致技術的濫用、誤用或淺表使用，進而弱化師生之間以及學生之間的情感交流，削弱高階思維的培養效果。本文嘗試了從“以評優教、以評促學、以評創和”的方向對技術應用進行規范引導，但這樣的思考與研究仍處于起步階段，亟需更多同仁參與，進行持續深入的研究。

參考文獻：

［１］何金偉．對信息技術環境下初中物理教學的研究［Ｊ］．科學咨詢（教育科研），２０２２（２）：１５４－１５６．

［２］韋葉平．核心素養視域下深度學習課堂的重構——以“超重和失重”為例［Ｊ］．物理教師，２０２３，４４（６）：１１－１４．

［３］任虎虎． 指向物理觀念的逆向設計與實施策略——以新教材必修１“超重和失重”教學為例［Ｊ］．物理教師， ２０２１，４２（７）：２３－２６．

［４］張雪，張靜． 基于物理觀念建構的５Ｅ教學模式研究——以新教材“超重與失重”為例［Ｊ］．物理教師，２０２０，４１（６）：７－１０．

［５］陳顯盈，尤愛惠，謝作如．探究“蹲下站起”過程" 演示“超重失重”實驗——“數字化”體重計的創新設計與發明［Ｊ］．物理教師，２０２０，４１（８）：５５－５６，５９．

［６］賀福，韓田華．基于“素養立意，深度學習”的教學探索——以“超重和失重”為例［Ｊ］．物理教學探討，２０２４，４２（１２）：６－１０，１４．

［７］許桂清．學生迷思概念與科學概念比對圖模型的建構與應用［Ｊ］．課程·教材·教法，２０１６，３６（６）：９７－１０２．

（欄目編輯賈偉堯）

收稿日期：2024-03-12

基金項目：江蘇省教育科學“十四五”規劃重點課題“學科育人視閾下基于高中物理大概念的‘教學評’模式研究”（B/2022/03/84）。

作者簡介：朱健（1977-），男，正高級教師，主要從事中學物理教學、課程與教學論研究。