美国基于“口袋”实验室的实验教学及启示

张景璐 徐海阳 于海波

摘 要：现阶段的物理实验大多是演示实验或在特定实验室进行。学生参与度较低，用于实验的时间十分有限。美国最新的实验教学仪器“口袋”实验室，具有适用面广、使用方便、探索自由、资源共享等特点。它在物理教学中的应用体现了实验教学的新理念。本文希望为致力于实现物理实验教学创新的教师提供一些参考。

关键词：物理教育；物理实验；“口袋”实验室；互联网+

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）9-0036-5

近年来，国内外对物理实验教学十分重视与提倡。我国正处于教育改革的阶段，互联网的使用不可避免地会改变教学方式。为了让学生的视野更开阔、学习更灵活，如何利用新技术探索新的、更有效的物理实验教学方式，通过互联网探索新型教育供给方式是我们应该思考的问题。“口袋”实验室就是在这种背景下产生的新事物，给教育领域带来启示。

1 什么是“口袋”实验室？

“口袋”实验室是由美国Clifotn Roozeboom的团队于2015年3月份开发研制的一种可测量多种物理量的小型、便携式手持实验仪器。称之为“口袋”实验室，是因为它的体积只有2.9厘米*6.7厘米*1.65厘米，方便随身携带，可以随时随地通过内部的传感器进行各种物理量的采集，并将数据传到便携式终端设备进行显示或通过网络传到云端进行数据分析，完成实验过程。[1]它的创始人之一Clifton Roozeboom是斯坦福大学的工程博士，该团队进行此项研究的出发点是希望为教育工作者、学生、探险家等群体带来一个全新的探索科学和世界的方式，使教学与研究变得更加简捷方便。

“口袋”实验室的系统构成如图1所示：它由传感器、无线传输装置、云软件、云端数据库、便携式数据终端五部分组成，其中的传感器包括气压计、加速度计、温度计、角速度计、磁力计，可以测量气压、线速度、线加速度、温度、角速度、角加速度、磁场强度和磁场方向等物理量；无线传输装置用于将传感器采集到的数据通过蓝牙发送给手机、平板电脑等便携式设备；便携式设备中的专用数据处理APP还可以控制手机或电脑进行视频录制，并使之与传感器所测得的数据流相同步，即在电子设备的应用软件上可以同时看到被测量的变化过程以及相应的测量数据；该软件还可以对数据进行简单处理并形成曲线或图像，也可以将数据发送到云端；云端软件可以将数据存储在云端数据库中以便实现数据共享，也可以对数据进行更高级的分析并形成曲线、图像和文件。[2]“口袋”实验室每秒钟可以进行50次数据信息采集，甚至可以同时记录不同传感器所测得的信息，传感器与终端设备之间的传输距离可以达到30.5米。[3]终端设备上只需下载一个和“口袋”实验室对应的APP就可以访问云端。因此，所有人都可以互相学习利用“口袋”实验室所设计的不同实验，也可以在线通过“口袋”实验室云端软件进行数据分析。

“口袋”实验室得到使用者的广泛认可，它具有诸多优点：1.性价比高：“口袋”实验室与一些价格较为昂贵的实验设备具有相同的作用，但是价格却十分低廉。2.适用面广：由于“口袋”实验室内部传感器种类多，可以完成对多种物理量的测量，其测量范围几乎涵盖了高中物理的所有基础物理量，所以，可以适用于不同实验要求。3.使用方便：有终端设备和传感器模块就可以开展实验，不需要复杂的操作，因此，实验者可以将注意力放在如何设计实验获得数据，从而提高实验质量。4.探索自由：“口袋”实验室允许使用者不再受到时间、地点的限制开展实验，其灵活的使用方式也使学生能够充分自主地设计实验，从而最大限度地激发学生探索世界的兴趣。5.资源共享：通过网络共享实验过程和数据，可使教育者和学习者分享实验设计思想和体验，共同学习和进步，从而提高教学水平。

目前，“口袋”实验室在美国初步开始应用，已经被尝试应用于斯坦福大学的物理课程和机械工程课程、美国高中的AP课堂、初中科学课堂教学中，取得了很好的效果并引起了大家的关注。[4]很多教育者和科学爱好者通过网站分享他们自己设计的实验，旨在让更多的人开发出更多实验用于教育工作。一些科学爱好者也开始使用“口袋”实验室进行科学探索。

2 “口袋”实验室在美国物理教学中的应用

“口袋”实验室从应用至今，已经被美国的教育工作者用于众多实验，例如，分析抛体运动；测量具有不同大小引擎的模型火箭的弹射力；校准机械臂的力和加速度；测试电磁铁周围的磁场强度；验证玻意耳定律中体积和压强的关系；可视化滑冰运动员的旋转速度等。下面举例说明“口袋”实验室在美国中学物理教学中的应用方法：

2.1 在自由落体运动实验中的应用

落体运动在生活中处处可见，与日常生活联系密切，探究其本质和原理能让物理的学习回归到真实生活情景中。美国的教育工作者利用“口袋”实验室引导学生进行了自由落体运动的研究。其实验目的和过程设计如下：

实验目的：判断不同物体是否会以不同的加速度自由下落，并用物理知识解释所采集到的实验数据。

实验器材：“口袋”实验室、大软质球（内部能放置“口袋”实验室）、小软质球（内部能放置“口袋”实验室）。

实验过程：在实验之前，教师通过向真空管里充气和抽气让学生观察真空管里的羽毛和硬币在两种情况下的下落情况，已经让学生对空气阻力有了基本认识。在自由落体实验中，首先教师将学生领到户外，然后取出大软质球和小软质球让学生讨论或猜想哪个物体下落得更快？通过引导学生猜想可以激发学生实验探索的好奇心，产生动手实践的动力。然后，教师指导学生将大软质球剖开，把“口袋”实验室尽量塞到球体中心（如图2），再选择高处将大球释放，在大球的下落过程中通过手机终端录制大球下落的视频，并同步记录加速度计所测得的加速度数据，也可以实时观测下落过程中加速度的变化曲线。在相同高度，重复上述步骤。然后，再按照相同的方法将“口袋”实验室塞到小软质球的球体中心，测量小球运动过程中的加速度变化。最后，教师将测得的数据通过APP一键上传到云端数据库。

所有“口袋”实验室的持有者在不同时间、不同地点所采集到的实验数据都可以方便地上传到云端数据库供数据库的用户共享，所有数据库用户也可以通过网络，随时随地将数据下载到本地电脑进行数据分析和处理，实验设计、实验过程、实验心得和实验分析结果也可以上传到云端数据库进行共享。因此，在分析和讨论环节，教师可以不受地点限制，组织学生从云端下载实验数据进行数据分析讨论，也可以共享其他实验者的实验成果。在本实验中，教师可以要求学生用所获得的数据解释直观看到的球的运动情况，并与实验前的猜想相对比，分析现象背后的原因。[5]

在传统课堂中，教师通常只是引导学生凭借感官的认识和猜测得出“物体下落快慢和质量无关”的结论，而难以通过直观的实验科学展示不同质量的物体在下落过程中的速度、加速度的关系。通过将“口袋”实验室运用到课堂上，学生就能科学、直观、方便地通过测量，观测到质量不同的两个球在实际下落过程中速度和加速度的变化。和课前的猜测形成对比，引起学生的认知冲突，然后学生可以结合自己所学的相关知识，分析得到的数据，猜想可能的原因。在传统的自由落体运动规律的实验研究中，通常使用频闪照相法，但是由于这种实验仪器结构较为复杂，价格较为昂贵，且在课堂上不方便操作，所以一般采用播放视频然后直接将小球下落轨迹的图片发给学生，让学生计算加速度的方式。与这种方式相比，使用“口袋”实验室更能直观准确地看到自由下落物体的加速度的变化以及大小，更能够增加实验的说服力，同时实验时间和地点不受限制，可以最大限度地引发学生思考与探究，充分激发学生的思维主动性和学习兴趣。

2.2 在气体定律实验中的应用

翻看关于气体定律这部分的教材，发现鲜有实验，开篇即介绍定义和概念，即使有实验也是放在该节的最后。这样的一种安排其实体现了我国教育者对理论知识的偏爱，但是未免使展现给学生的物理是枯燥的、死板的。美国教育者采用“口袋”实验室研究气体定律的方式如下：

实验目的：确定气体体积和压强的关系；通过自己的探索思考高度计是怎样工作的；通过探究出的关系推出理想气体的比例式。

实验器材：“口袋”实验室、注射器（能装下“口袋”实验室）。

实验过程：在实验之前，教师让学生猜测怎样利用手里的注射器改变气体的压强，以及气体体积的变化会给它的压强带来什么变化。并尝试先将活塞拔出后放入“口袋”实验室（如图3所示），并在没有活塞的情况下读取“口袋”实验室气压计的数据，观察压强变化；然后将活塞装回，来回推动活塞并观察气压计读数所体现的压强变化。然后，再用手指堵住注射器出口，来回推动活塞观察气压计读数变化。

开始实验时，要求学生首先将手指移开，并将活塞拉到最边缘刻度处，然后用手指堵住出口并记录此刻注射器上所标注的体积值（如140 mL）和气压计的读数；保持手指堵住出口，将活塞往下推一单位刻度，并记下体积值和气压计的读数，依次类推，直到感觉不再能推动活塞为止。最后，用手指堵住出口，并保持其中气体体积不变，用加热灯或蜡烛加热注射器，读取温度传感器的数据和压力计的数据，改变温度重复实验。随后，教师让学生将所测得的各种数据进行对比和分析，例如，发现体积和压强、温度和压强之间的变化关系，并试着列出等式来表示这种关系。还让学生解释观察到的现象和获得的数据并将结论推广，例如，让学生思考不同海拔的气体压强不同的原因，鼓励学生将“口袋”实验室设置为同时测量高度和压强，改变注射器内的压强，观察不同压强所对应的海拔高度，还可以找一些著名景点或城市的海拔，观察此海拔下对应的气压，从而扩展学生的视野。[6]

使用“口袋”实验室后，不仅解决了气体实验物理量测量困难、实验仪器复杂的问题，还使得实验教学更符合科学的探究过程，即侧重于从观察到的现象去分析现象背后的原因，归纳现象背后的规律。正如气体定律的实验，并没有直接告诉学生体积、温度、压强之间的关系，而是让学生自己进行猜想、观察现象、分析数据、得出结论。

在生活中，有很多物理情景都可以用“口袋”实验室来直观地描述，比如当我们跑步时可以测得自己的速度、加速度，可以测得自己所处的某个地方的温度等等。而在物理课程实验的设计中，“口袋”实验室也可以解决很多问题，有很多以前不能做的实验都可以借助“口袋”实验室展现给学生。并且结合网络的使用，可以让实验的设计有更多灵活性、参考性和共享性，有效提高实验设计水平，有利于学生真正构建一种基于实验的物理思维方式。“口袋”实验室的出现，使得物理的学习并不只局限在课堂或固定的实验室中，学生可以随身携带“口袋”实验室在任何地方、任何时间进行数据的获取，不必再担心灵感的稍纵即逝，当亲眼看到平时不易注意和难以理解的现象在电子设备上显示出数据变化时，可以使学生充满成就感从而激发物理探究的兴趣。“口袋”实验室会让每个学生都成为问题的发现者和研究者，回归物理学习与研究的自然过程。

综上所述，“口袋”实验室在中学物理教学中的使用符合新时期的教育发展趋势，正如2015年《地平线报告》中预测的一样，是一种用于学习的“自带设备”，突出了“以学生为主体”的教学理念。它的使用更注重的是学生对真实世界中的问题的探索发现以及解决能力，可以很好地帮助学生培养学习兴趣、转变思维方式、正确认识世界，并且有利于学生正确的科学观念和素养的树立。

3 对我国中学物理实验教学的启示

“口袋”实验室作为一种自带设备在物理教学中的使用是一种新教学思想的体现。随着科技的发展和文化的变迁，我们越来越意识到传统教育存在“重知识、轻方法；重讲授、轻活动；重结论、轻过程；重机械训练、轻实质体验；重统一要求、轻个体差异”的问题。[7]与此同时，“高考”这根指挥棒也在发生变化，引发由评价方式改变所带来的教学变革。“口袋”实验室的兴起让我们看到了实验设备的革新，它的应用打破了传统的实验探索方式，也给我们的实验教学带来很多启示：

3.1 探索更开放、融合的教学方式

在传统的实验教学中，实验室开放时间有限，只在固定时间、固定地点才能进行实验，且操作时间较短，使得实验并未融入物理教学之中，而成了物理教学与学习的辅助品，加上实验设备陈旧昂贵，实验操作缺少灵活性；教师的教学模式也较为呆板，依旧以教师为中心、为主体，学生被动地按照既定的操作步骤和实验思路进行实验，更有甚者，“讲实验”和“看实验”代替动手做实验；加之实验教学内容固化，很多实验都是学习过理论之后才进行的验证性实验，无法让学生认识到很多理论是来自于实验，抹杀了学生的探索精神，扭曲了实验教学的本质。教学方式根植于所处的社会文化，受文化形态、教育环境的影响和制约，体现一定的教育价值观。[8]在新时期文化多元化、开放化的背景下，传统的教学理念、方式和资源已经不能满足现今人才培养目标的需要。基于当下育人目标的变化，应在实验教学中由“以课堂和讲授为主”变为“以活动和引导为主”，使学生由“被动接受”变为“主动寻求”。教学方式和学习方式的相互作用使学生逐渐在教学中具备主体性。教学方式的改变并不是生硬地将国外的合作探究式教学移植到我们传统的讲授式教学之中，采用何种方式和手段恰如其分地和我国的教育目标、教育环境相匹配是教育者应不断在实践和理论中摸索的重要内容。

3.2 培养学生对真实世界问题的探索能力

过去的实验教学是从教材出发，从实验条件出发来决定是否做实验，而不是从生活出发。[9]教育出来的学生对物理题目更加敏感，反而对生活中的物理现象毫无感知能力，更无法利用学到的知识解答现实中所看到的物理现象和问题，学生潜意识中已经将书本上的“物理”与物理的源头──“生活”割裂开来。即便学生体验过实验操作的过程，也仅仅是按照固定的思路动手去做，并没有学会解决实验手册之外的问题。实验教育的目的并不仅是提高学生动手操作、按部就班地做实验的能力，更应该关注的是培养学生的思维方式。教育家杜威提出“教育即生活”，认为学生不从活动中，而从听课和课本上所获得的知识都是虚渺的，应从“做”中学。我们不应该要求学生背离他们的发展特点转而按照成人的理念在规定的时间、规定的地点按照规定的方式完成规定的操作任务。[10]学习最终要回归到解决生活中的问题上，所以教师的教学应当让学生领会所学的知识和技能是如何在解决现实生活中的问题时相互连接和作用的，教师必须要提高自身的综合素质，既要会讲授知识，还要懂得引导学生发展实验思维，既要具备动手技能，还要具备科研探究能力。

3.3 激发学生合作探究的兴趣

合作学习越来越为教育者重视，但在实践过程中却貌合而神离。课堂上的小组讨论多为形式化，因讨论的话题和内容并不能激发学生真正想探讨问题的欲望，教师也没有对这种学习方式进行深入的研究和探索，不能很好地把握其在课堂中开展的要素及相应的教学方法。我国古代的《礼记·学记》中就讲到“独学而无友，则孤陋而寡闻”。西方更有研究表明，与传统个体化学习方式相比，合作学习能明显促进学生获得深层次信息和高水平思维能力。[11]“口袋”实验室的使用为学生从传统的学习方式到合作学习的转变提供了兴趣的桥梁、情景的铺垫，这种合作学习不局限于课堂上，而拓展到课堂甚至校园之外，学生可以和教师、同伴甚至家人合作，针对想解决的问题交流意见和方法。要想提高学生的合作意识和合作能力，教师必须为学生提供合作学习的机会，我们通常布置的学习任务只要学生遵循一定的程序和方法便能找到答案，而通常这类问题和真实的生活无关，真正需要合作、需要探究的开放性问题通常与真实生活的不确定性和复杂性相关。[12]正是这样的问题才能启发学生，真正促进学生间的交流互动、共同提高。

3.4 重视对解决实际问题能力的评价

在使用“口袋”实验室进行实验的过程中，能充分培养和体现学生对未知问题的探究能力和解决问题的能力。而在我国以应试为主的传统教学过程中，对学生的评价基本是“以分定人”，忽略了对学生发散性思维、创新能力、合作能力的评价，使“高分低能”现象为世人所诟病。评价往往决定了过程，而教育的过程又决定着最终能培养出什么样的人。相比学生只会“做题”或者只知道课本上的理论知识，让学生能够运用所学习的知识解释生活中的现象，或者解决日常生活中的问题变得更加重要。值得欣喜的是，新一轮中高考制度的改革正逐渐回归学习的本质，强调在全面考核学生基础知识和基本技能的基础上，注重加强对运用知识解决问题的能力考查，确保学生能力得到提升。因此，应该选定哪些维度、采取哪些手段进行能力评价是教育者面临的新问题。

3.5 加强教学资源共享、鼓励合作创新

“口袋”实验室通过共享实验数据和实验成果促进了教师和学生的共同进步。在“互联网+”、信息全球化的背景下，传统教育的封闭性和固守性已经不能适应现代教育的需求，正是“问君哪得清如许，为有源头活水来”，唯有变化才能创新，唯有创新才能进步。而教育更需要“活水”来滋养成长中的学生的思维和能力，教师也更需要通过合作交流来获取新知识、新方法。目前教学模式单一、教学思维固化、教学资源短缺正束缚着我国基础教育的发展。因此，借助互联网构建广泛的教学资源共享平台，为教学提供丰富、优质的资源，鼓励国内外教师间合作沟通、共同创新是未来教育发展的必然趋势。

总之，“口袋”实验室作为一种与时俱进的实验装置，更契合培养新型人才的要求。通过这种方式可以使更多的优质实验资源得到共享，不再让学生将知识与生活割裂开来，同时带给我们更多新的关于教学的思考。

参考文献：

[1]Dan Moren.Tiny Sensor Package Will Let Students Design Their Own Physics Eeperiments——Measure Everything From Acceleration To Magnetic Fields [EB/OL].http：//www.popsci.com/tiny-sensor-package-lets-students-design-their-own-experiments，2015-03-17.

[2]Natasha Lomas.PocketLab Is Simplified Wireless Sensing For Science Class[EB/OL]. http：//techcrunch.com/2015/03/16/pocketlab/，2015-03-16.

[3]Dan Moren.Tiny Sensor Package Will Let Students Design Their Own Physics Eeperiments——Measure Everything From Acceleration To Magnetic Fields [EB/OL].http：//www.popsci.com/tiny-sensor-package-lets-students-design-their-own-experiments，2015-03-17.

[4]Natasha Lomas.PocketLab Is Simplified Wireless Sensing For Science Class[EB/OL]. http：//techcrunch.com/2015/03/16/pocketlab/，2015-03-16.

[5]Robby.Free falling objects of different mass[EB/OL].http：//support.thepocketlab.com/collection/curriculum？page=2，

2016-02-08.

[6]Robby.Barometer：Pressure and Volume with Syringe.[EB/OL].http：//support.thepocketlab.com/blog/experiment-23-barometer-pressure-and-volume-with-a-syringe，2016-02-09.

[7]鲁世明.新课改下高中物理实验教学模式的探讨[J].物理教学探讨，2011，29（5）：23—25.

[8]康淑敏.信息化背景下的教学方式变革研究[J].教育研究，2015（6）：96—102.

[9]朱光华.看美国中学物理实验活动，反思我国物理实验教学[J].物理通报，2006（3）：39—41.

[10]胡平.中学物理实验教育的文化价值简论[J].物理教师，2007，28（11）：36—40.

[11]林众，冯瑞琴，罗良.自主学习合作学习探究学习的实质及其关系[J].北京师范大学学报（社会科学版），2011（6）：30—36.

[12]丁桂凤.合作学习研究的基本走势[J].南京师大学报（社会科学版），2005（4）：110—114.

（栏目编辑 罗琬华）