智能手机在中学物理翻转课堂中的应用研究

黄家茵 洪哲新 皮飞鹏

摘 要：针对当前部分中学特别是农村中学实验资源匮乏、教学方式单一的情况，将智能手机传感器引入到中学物理翻转课堂教学中，结合两个利用智能手机传感器求加速度的实验案例，构建了基于智能手机的中学物理翻转课堂教学流程，希望在培养学生科学探究能力的同时，丰富翻转课堂的教学模式.

关键词：智能手机;物理教学;翻转课堂

文章编号：1008-4134（2020）11-0057中图分类号：G633.7文献标识码：B

作者简介：黄家茵（1996-），女，广东人，硕士研究生，研究方向：中学物理教育教学;

冯哲新（1991-），男，广东人，硕士研究生，研究方向：中学物理教育教学.

通讯作者：皮飞鹏（1965-），男，湖南人，博士，副教授，硕导，研究方向：中学物理课程与教学论.

1 引言

翻转课堂是近年来广受关注的一种教学模式，它体现了以学生为中心、将学习主动权交给学生的理念.在这种教学模式中，学生需要借助信息化的教学资源在课前开展自主学习，课堂时间主要不是教师用来讲授基础知识，而是通过师生交流进行共同讨论和探究，加上教师有针对性的讲解，达到学习的深化，这既提高了课堂的效率，更满足了学生个性化学习的需求.物理作为一门以观察和实验为基础的学科，实验既是学习的重要内容，也是提高学生学习兴趣的有效手段，让学生看懂演示实验，鼓励学生自行设计并亲自动手做实验是学好物理的关键，更是学生物理核心素养培养的关键.因此，翻转课堂应用到中学物理教学中，需要加入学生开展实验探究这个环节.

然而，由于实验设备资金投入不足、管理体制不健全及专业人才稀缺等问题，部分中学特别是大部分农村中学的实验条件还未达到物理实验课程的要求，学生缺乏开展物理实验探究特别是自主实验探究的条件，即使能够开展一些实验，陈旧简陋的器材也难以达到理想的实验效果，更无法激发学生对物理的学习兴趣.

互联网时代智能手机的普及给学生开展自主实验探究带来了巨大的便利.利用智能手机的传感器作为测量工具，实验结果的准确度将会得到大大的提升.同时，学生通过准确的数据获得及时的实验反馈，不断改进实验设计，有利于学生实验探究能力和科学思维的培养.

2 基于智能手机的中学物理翻转课堂可行性分析

近年来，越来越多的教育工作者进行了利用智能手机传感器进行中学物理实验教学的探索.研究表明，智能手机作为我们身边最容易获得的计时器、高度测量器、摄像机等，是师生完成中学物理实验教学非常有用的高效集成工具[1]，利用智能手机开展物理实验探究是切实可行的.同时，利用智能手机的加速度传感器、光传感器等作为测量工具，不仅简化实验操作步骤，更是大大提高了实验结果的准确度[2，3].学生人手一部智能手机，就相当于拥有了一套便携的数字化实验系统，可以随时随地进行物理实验探究，给学生提供了更大的自主学习空间[4].手机多种传感器的辅助，更是大大提高了物理学习的趣味性，对于一些抽象概念的理解也更加直观，有利于激发学生探究物理的兴趣和热情[5].

目前，大多数农村地区虽然缺乏先进的实验仪器，但是智能手机的普及程度还很高，为学生开展基于智能手机的实验探究提供了条件.根据农村初中的调查研究显示[6]，只有11.1%的学生从来不会使用手机，绝大部分学生还是会在校外使用手机，并且一周使用手机超过三次的学生达到了61.1%.针对有少部分学生没有智能手机的情况，可以开展小组合作探究，有利于培养学生交流合作的能力.通过实验探究的过程，也更能引导学生正确合理地使用智能手机.同时，智能手机的操作系统比电脑系统简单，教师不需要进行专门的培训，更适用于师资力量相对薄弱的农村地区学校的物理实验教学.

3 构建智能手机的中学物理翻转课堂模式

3.1 基于智能手机的物理实验设计

目前，智能手机的安卓系统和苹果系统都有不少可以开启手机传感器的软件，如Physics Toolbox 、Sensor Kinetics、Phyphox等等.但是，这些软件大多都是英文操作系统，不太适合中学生使用.本文以Google提供的一款中文版手机传感器实验软件“科学日志”为例，探究基于智能手机的翻转课堂教学模式.

“科学日志”这款软件通过启动智能手机的传感器测量环境中光、声音以及加速度的大小.同时，还可以通过蓝牙连接外部传感器，十分适合进行实验数据记录和保存，软件界面如图1、图2所示.

本文利用智能手机的光传感器和声音传感器，结合具体的实验设计，通过两个实验案例，分别测得物体运动的加速度.

3.1.1 案例1：利用光传感器测量加速度

实验中，让纸带夹着物体在重力作用下做匀加速直线运动.实验前，用打孔器在纸带的相等间隔距离打孔.打开软件的光传感器功能，并用激光笔对准摄像头旁边的光电传感器，让纸带从两者之间落下.物体开始落下的瞬间启动软件，利用手机记录的光强变化曲线，光强突然增加的时间点即为通过纸带小孔的瞬间.分析相关数据，计算获得重力加速度的数值.实验装置如图3所示.

3.1.2 案例2：利用声音传感器测量加速度

结合声音传感器用滴水法测重力加速度.实验中，打开软件的声音传感器，调节水龙头开关，使得上一个水滴达到底端的瞬间，下一滴水开始落下.周围环境保持安静，手机的麦克风对着水滴落下的底端.为了实验容易控制， 可以通过聆听液滴撞击目标的声音来控制下一滴液体的下落时间.根据手机记录的声音强弱变化曲线，声音突然增大的时间点即为水滴到达底端的瞬间.测量下落高度，分析实验数据，计算获得加速度的数值.实验装置如图4所示.

由以上两个实验案例可知，利用智能手机传感器开展的实验，探究步骤都相对简单，实验结果也比较精确.除此之外，智能手机上还有压力传感器、磁感应传感器等十几种传感器，只要配合软件合理利用这些功能，便能夠利用智能手机开展物理实验探究.在实验的类型方面，含盖了力学、电磁学、声学等领域.特别地，手机传感器的功能还可以通过实验的巧妙设计得到拓展.例如，利用光电传感器可以测量物体运动的速度和加速度，利用声音传感器可以验证机械能守恒定律等等.

总的来说，要实现利用智能手机传感器开展物理实验探究的目标，要求学生对传感器的功能有深入的了解，要将传感器与物理量结合起来.同时，虽然手机传感器的功能是固定的，但实验的设计却有无限的可能.学生需要经历不断探索、不断创新的过程，才能实现科学探究能力的提升和科学思维的培养.

3.2 教学过程设计

笔者根据翻转课堂的特点，初步设计了基于智能手机的中学物理翻转课堂教学流程，如图5所示.

课前，教师要提前指导学生安装好实验所需的手机软件，对于软件能实现的功能也要进行详细的讲解，以便学生对软件有初步的了解.同时，教师要根据具体的实验原理，设计并制作教学视频，在课前发送给学生.视频要考虑到学生自学能力的差异性，尽量通俗易懂，鼓励学有余力的学生利用互联网资源进行更深入的学习.学生通过观看教学视频掌握实验的基本原理，遇到不懂的地方可以反复观看，遇到感兴趣的问题也可以利用网络资源深入探究.对于解决不了的难题可以列出问题清单，课上与老师一起讨论.在掌握实验基本原理的基础上，结合手机传感器的功能设计实验方案，并根据初步的实验结果对实验设计进行修改.

课上，教师根据学生的问题清单开展师生交流，有针对性地讲解大部分学生不懂的问题.开展小组讨论，学生依旧不懂的问题可以请教同学，小组讨论最佳实验方案.最后，教师要对小组实验方案进行点评，给出较好的实验方案作为案例进行讲解并开展演示实验，要让学生明确实验设計的思路以及实验过程中要注意的问题.

3.3 实验过程中要注意的问题

3.3.1 教学设计方面

在整个翻转课堂的教学模式中，学生作为学习的主体，教师主要起引导的作用.教师在选择实验内容和手机软件时，要根据学生的实际情况，选择学生能够掌握的实验和软件.在教学视频设计的过程中，要站在学生理解的角度，尽量短小精悍，长度控制在学生注意力能比较集中的时间范围内.为了培养学生的实验探究能力，在实验设计中要留给学生足够的思考空间.对于学生设计的实验方案，教师要进行合理的点评，鼓励和引导学生开展物理实验探究.课堂上的小组交流环节，尽量安排学习基础较好的和学习基础较差的学生在同一个小组，鼓励优生帮助差生，提高小组交流学习的效率.最后，教师要对实验的要点进行说明，对本次实验进行总结归纳，并让学生做好笔记以便复习.

3.3.2 实验探究方面

首先，教师要根据教学的要求和学生的实际情况，选择恰当的实验探究内容.在教学视频的设计和制作中，为了应对学生自主学习能力较弱的情况，视频要简单易懂.视频的内容不仅要让学生理解实验相关的物理原理，更要注意启发学生利用智能手机传感器开展物理实验探究.其次，针对一部分学生学习基础较差的情况，可以适当地采取小组合作的模式.而对于学习基础较好的学生，教师应当引导他们在完成基本的实验要求后，利用智能手机的其它传感器开展物理实验探究.最后，教师要提醒学生注意实验过程中的安全问题.一方面要注意学生的自身安全，同时，也要注意避免一些会损坏手机的实验操作，以免造成不必要的损失.

4 结束语

总的来说，在传统翻转课堂的基础上，引导学生在课前利用智能手机开展物理实验探究是切实可行的.在科学技术迅猛发展的时代，物理实验也要与时俱进地向数字信息化方向发展.智能手机的加入，成功地弥补了农村中学物理实验器材落后的不足，有利于物理实验教学效果的提升.同时，学生利用智能手机的传感器开展实验探究，不仅获得了精确的实验结果，更是培养了严谨的科学态度.而翻转课堂的教学模式让学生有了充足的时间开展实验探究，让物理更加贴近生活，有利于学生实验探究能力和科学思维的培养.

参考文献：

[1]张丹彤.让智能手机成为中学物理实验教学的好帮手[J].物理教师， 2014，35（11）：39-40.

[2]杨蕾，胡银泉.智能手机中加速度计的原理及教学应用[J].物理通报， 2017（01）：80-81+84.

[3]刘利澜，李德安，周少娜.巧用智能手机拓展单摆实验[J].物理实验， 2019，39（05）：59-62.

[4]惠宇洁.智能手机在物理实验教学中的应用探讨——以Phyphox软件为例[J].物理教学探讨，2018，36（07）：70-72.

[5]梁振华.智能手机辅助物理课堂教学的实践与探索[J].物理教学，2019，41（11）：26-30.

[6]王海军.农村初中校外寄宿生手机使用状况研究[J].新课程研究，2019（24）：124-125.

（收稿日期：2020-02-23）