基于移动终端的高中物理自主探究实验教学设计与案例研究

林芸　陈翠　邱雯雯

摘 要：利用移动终端开展高中物理自主探究实验，旨在帮助学生将具体的物理知识、抽象概念转化为实际的动手实践并进行本质探究，充分感知物理现象，完成物理规律的构建，切身感受物理学科的魅力.本研究建立在以移动终端为载体的高中物理自主探究实验开发与设计的基础上，为教师们提供实验方案和设计思路，为学生们提供实验资源和实验方法，以期为推动高中物理实验教学方式和教学评价等方面的改革开辟一条新路径.

关键词：移动终端;高中物理;自主探究实验;教学设计;实验案例

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）01-0034-06

作者简介：林芸（1986-），女，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学;

陈翠（1987-），女，硕士，中学二级教师，研究方向：中学物理学科教学;

邱雯雯（1994-），女，本科，中学二级教师，研究方向：中学物理学科教学.

2020年初，新冠肺炎突如其来，扰乱了人们正常生活和学习的步伐.疫情防控期间，全世界首次大规模地采用在线教学模式，这是一场前所未有的教育教学变革.在线教学打破了传统课堂中物理空间和时间的限制，让学习活动可以更加自由地进行.疫情之后，教师和学生一定会以新的视角来看待以往的课堂教学.物理是一门以实验为基础的自然科学，实验是物理发展的源泉，也是认识物理、学习物理的基础，在帮助学生理解物理规律，培养学生动手能力、创新能力方面具有不可替代的教育功能和重要作用.物理实验教学不同于理论课程教学，更强调学生的动手操作[1].将理论学习与动手操作相结合，是优化物理实验教学、提高实验教学有效性的关键.目前，搭载着由传感器、数据采集器和相关数字化系统软件（APP）组成的移动终端（如智能手机、平板电脑），具有体积小、携带方便，以及采集数据高效、精确等优点，能帮助学生更好地从具体经验到抽象概念、规律的构建，以全新的面貌呈现出物理实验教学的新趋势.

1 实验设备

实验教学首先要解决实验设备的获取问题，尤其是物理量的测量问题.由于许多传统物理实验需要在实验室进行，不仅取材不易，还受到空间和时间的限制，学生无法随时随地开展实验.因此，我们需要转变思路，尽可能地利用身边易得的器材来设计并完成实验.本文的实验器材，主要指移动终端和简单实验器材两部分.实验器材可以就地取材，鼓励学生利用智能手机、平板电脑和身边的简单材料对物理问题进行探究，增进学生对理论知识的理解，培养学生善于发现、进行探究现象本质的能力，激发学生对于物理的兴趣.

移动终端，也叫移动通信终端，是指可以在移动中使用的计算机设备，广义上包括手机、笔记本电脑等.但是，大部分情况下是指具有多种应用功能的智能手机以及平板电脑，它们具有强大的信息处理能力，可以查资料、拍照、播放视频（音频）等等[2].更重要的是，随着科技的发展，许多精巧的传感器开始被搭载于移动终端如智能手机或平板电脑之上，这些传感器主要有加速度传感器、重力传感器、气压传感器、声音传感器、光传感器、磁感应强度及角速度传感器等，具有测量高度、加速度、磁场强度，记录光强，接收并分析信号等大量实用功能，一般情况下，下载相应的APP就可以实现物理量的测量.

实验器材：包括实验室普通器材（如铁架台、刻度尺、小车、轨道、量筒、学生电源等）和身边的便携器材（如杯子、卷尺、盒子、硬纸板、乒乓球等，包括网络购置的简易定制器材如亚克力管、强磁铁、外接温度探头等）.

2 教学设计

2.1 教学目标

引导学生开展与教学内容匹配的自主探究实验，激发学生的科学好奇心，培养学生的科学探究精神，提升学生学习兴趣和积极性，增强学生的动手能力、创新能力、数据处理能力和评价分析能力.

2.2 实验方案

实验方案贯穿整个高中物理的几大知识板块（见表1），由测量理论、力学、热学、振动与波、电磁学、课外探究实验、虚拟实验七部分组成.教师们可以根据学校和学生的实际情况，有目的、有组织、有选择地开展自主探究实验教学，提高实验教学的效率和质量.

2.3 实验开发与设计

力学实验：利用智能手机传感器APP“Phyphox”的GPS（全球卫星定位）功能测量地球的半径：通过测量两点的经纬度，得出经线的圆心角，在测量两点间距离后可根据弧度测量法较为精确地计算出地球半径[3] ;利用智能手机“Phyphox”的Elevator（电梯）功能测量垂直电梯的速度：通过内置的气压传感器来测量垂直高度从而间接测出速度.

热学实验：利用智能手机外接OTG温度传感器（双探头）研究材料的传热性质：在两个铝盒表面分别贴上黑色胶纸和白色反光胶纸，用卤钨灯模拟太阳光照，通过OTG温度传感器配套的软件界面获取铝盒内温度变化情况，可以研究不同材料的导热特性（图1）.

光学实验：利用智能手机的光强传感器研究发光强度与光源距离的关系：用两台手机支架和米尺制作简易光具座.其中一台打开手电筒功能，另一台手机打开“Phyphox”的Light（光强）功能，就可以测量不同位置的发光强度（图2）.

电磁学实驗：利用智能手机内置3D磁力探测器（一般安装在手机顶部）测量空间磁感应强度：如用坐标纸和圆柱形强磁铁制作简单教具，研究小磁铁周围的磁感应强度与场源距离的关系（图3）;设计简单电路，研究通电导线周围的磁场分布（图4）.

声学实验：利用智能手机或平板电脑“Phyphox”的Sonar（声呐）功能测量距离：通过回声原理和声速测量两点间距;利用两台安卓系统智能手机来研究声音的多普勒效应（图5）：其中一台安装APP“声音分析仪”作为接收器（观察者），另一台安装APP“频率的声音发生器”作为发射器（声源），然后握在手上挥动手臂使其做圆周运动，当发射器发出一定频率的声音并相对于观察者运动时，接收器的声音分析仪界面就能显示频率的变化情况;利用手机或平板电脑APP“声音分析仪”、酒杯、量筒、量杯等探究酒杯发声频率与杯中液体体积的关系（图6）：通过手指蘸取液体摩擦杯沿发声，用声音分析仪测量发声频率.利用智能手机内置的声音传感器来研究空气驻波，测量声音的速度（图7）：购置定制的透明亚克力玻璃管（长1m、直径10cm）作为空气柱的载体，一台智能手机安装“Sound Generator（频率的声音发生器）”作为信号发生器置于管的一端，另一台用苹果手机安装“示波器”作为信号接收器，贴在木制刻度尺（或长条木板）上，移动尺子（木板）的同时观察“示波器”界面波形的变化，根据振幅的变化（最大值和最小值）即可确定空气驻波波腹和波节的位置，从而测量出声波的波长，最后计算出声音在空气中的传播速度.

4 结论与建议

综上，对基于移动终端开发的高中物理自主探究实验进行研究，并在高中物理教学中利用移动设备进行教学.得到如下结论.

4.1 真实的物理情境，更能够探究生活中的物理

移动终端尤其是智能手机的便携性为教师营造物理情境带来极大的便利，可直接探究生活中的物理现象.比如，利用“Phyphox”APP测量垂直电梯速度的实验.实验者带着装有“Phyphox”APP且配有氣压传感器的手机乘坐电梯，可以明显观察到电梯在加速、减速过程中的加速度，同时也会给出图像，学生们不仅能观察速度的变化，还可以深入理解电梯在运行过程中的超重、失重等现象.在以往的常规教学中，该知识点的教学大多数教师靠讲解来完成，学生对该知识点的理解并不透彻.建议教师以布置作业的形式，让学生带着手机坐电梯，观测加速度、速度的变化.这样，实验不再局限于课堂，真正实现了开放，充分体现物理来源于生活，实现了翻转课堂.

4.2 形象的结果展示，更能够加深原理的理解

移动终端把一些感受性、抽象性的信号以图表、数据的形式展现在终端屏幕，用数据“说话”.而在一些传统实验中，动态的数据变化比较难捕捉，利用移动终端进行测量，可以实现数据的精准测量.比如，驻波法测量声速的实验，传统实验用示波器、声音发射器及实验箱进行实验，观察示波器上波的振幅来说明声波振幅与频率的关系，要求学生将感性的体验上升到理性的思考.而利用移动终端进行声速测量实验依靠“声音分析仪”APP来测量波形图，能够在屏幕上明显呈现出共振波形图逐渐变化的图样，且振幅变化强烈.而且，利用马克笔在自制亚克力管上标记声波出现共振的位置能够让学生很好地理解驻波法测声波的原理，提升教学效果.

4.3 直观的数据呈现，更能够反映现象的基本规律

传统实验教学由于受实验仪器和手段的限制，一些实验数据不易准确测量，实验难以完成，实验效果和教学效果上仍然存在缺陷.利用移动终端进行实验，引入新的测量方法，解决了数据难以测量的问题，数据自动采集、快速高效，在显示实验数据这一方面优势明显.基于移动终端的实验，鼓励学生把重心放在物理规律的学习上，这也与科学探究的目的相吻合，在有限的教学时间内充分进行科学探究并组织探究性学习，能够更加有效地培养学生的思维能力和创新能力.比如，探究光强与光源距离的关系时，两部手机中的一部打开手电筒功能，另外一部则打开“Phyphox”的“光强”功能，在两部手机之间放上米尺，让带有“Phyphox”APP的手机沿直尺运动，可以在手机界面看到非常明显的光强变化，并且图像呈现指数衰变的特点.

在科学飞速发展和数字化技术越来越发达的时代背景下，教师宜合理利用移动终端开展高中物理自主探究实验，引导学生从具体的经验到抽象概念、规律的构建，让教学保持在学生的最近发展区内，帮助学生真正掌握物理概念和规律的含义.同时，将基于移动终端的实验和传统实验整合起来，教学与时俱进，用身边的实验来贴近与学生的距离，使研究的问题更加丰富.

参考文献：

[1]张增明.64学时大学物理实验线上教学方案及其设计思路[J].物理与工程，2020（02）：7-10.

[2]徐慧.基于移动终端设备iPad的高中物理教学——以《能量守恒定律与能源》为例[J].物理教学探讨，2014，32（12）：60-65.

[3]刘智谦.使用手机GPS定位软件巧测地球半径[J].实验教学与仪器，2018，35（01）：71-72.

[4]李新乡，张军朋.物理教学论（第二版）[M].北京：科学出版社，2016.

（收稿日期：2020-08-08）