基于物理课程与phyphox软件的整合培养学生自主探究能力

林蔚然 郑卫峰

摘   要：学生自主探究能力具有发展性，需在自主探究过程中形成与发展。手机传感器较传统仪器更高效且易得、能观测到一些传统仪器无法观测的物理现象。本文以“声”为例，介绍通过phyphox软件，实现课程与手机传感器的整合，帮助学生利用手机传感器在课前对新知识形成感性认知、在课堂自主设计并开展实验探究、在课后解决知识疑惑或开展创新实验提供简便易行的方法，促进学生形成主动探索的学习习惯，培养探究能力。

关键词：自主探究能力;智能手机传感器;Phyphox;物理教学

1  课程导向的转变：从学习知识到培养能力，强调学生自主探究能力

随着社会人才需求升级以及教育理念发展，以知识为导向的课程正在逐渐转向以培养学生能力为导向的课程。2019年的《普通高中物理课程标准》中就曾明确提出“高中物理教学在课程实施上注重自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考”，物理作为以实验为基础的学科，自主学习的前提需要培养自主探究能力[ 1 ]。自主探究能力即是发现问题并围绕问题利用自己的知识去解决问题的能力，其有三个特性：（1）习得性：自主探究能力是在不断的推理、实验、验证等自主探究的过程中逐步形成的。（2）综合性：自主探究能力是自学能力、问题解决能力、实验能力、创造能力等综合的能力。（3）发展性：自主探究能力随着知识、经验的不断丰富以及个体思维能力的发展而不断提高[ 2 ]。因此，通過物理实验是培养学生的自主探究能力重要途径之一，在实验过程中让学生不断探索未知，进行质疑，假设，推理等高层次思维，形成主动探究的习惯，培养自主探究的能力。

2  智能手机传感器为自主探究实验提供更多可能

2.1  当前实验教学的局限

当前大部分的中学物理实验教学仍停留在“老师按考纲教实验，学生按讲解操作”的模式，未能真正让学生经历完整的自主科学探究过程，究其原因主要受传统的实验器材和实验课堂的限制 。目前中学实验室的传统仪器无法直接观测到如磁、波、声等物理现象;而物理量如速度、加速度等，虽能通过打点计时器测得，但操作繁琐且无法观测实时的动态变化。而传统实验课堂由于场地、仪器、课时长度、进度安排等原因，没有时间给学生课上自主实验，课下探究又面临缺乏仪器或数据处理困难等问题。

2.2  智能手机传感器软件Phyphox的介绍

传感器相比传统实验器材具高效、直观可视、可实时动态测量等优点[ 3 ]，近年来科研实验室、高校普遍都配有专业传感器设备与PASCO、DIS等传感器实验系统。但在中学课堂渗透传感器思想，让学生能够利用专业传感器进行实验仍难以实现。相比之下手机传感器易获得，体积小，数据采集软件较DIS或PASCO系统操作要简单许多。

为此作者综合对比了“My Sensors”“Phyphox”“Sensor Sense”“Smart Tool kit”等多个手机传感器软件，在此介绍综合效果较好的“Phyphox”软件，让教师利用手机传感器代替实验室专业传感器，不仅便利物理课堂实验教学，更为学生课后自主探究实验提供简便易行的方法。

Phyphox官网提供正版下载，在手机硬件配置传感器的情况下，提供如压力传感器、重力传感器、磁场传感器、光传感器、示波器等共29种功能。可通过手机控制，可定时运行或无线连接电脑操控，以手机作为仪器进行所需数据采集与图表绘制，并通过“export date”下载详尽的数据表格。此外，软件的一大特色是其支持自主选择多种传感器组建实验在同一过程同步采集数据，以研究更复杂的模型。

3  基于手机传感器实验的学生自主探究式学习——以“声”为例

本文以声的学习为例，展示在教学中渗透传感器实验思想，使学生运用手机传感器实现自主探究式学习，并在课前、课堂、课后中促进学生形成主动探究新事物的心向。

3.1  课前的自主探索：通过声音传感器收获对声现象的感性认知

新知识的学习应该是一个探索新事物的过程，教学过程中应避免教师单方面地输出。为此，课前让学生在预习的基础上利用phyphox中的示波器、分贝仪、频率探测等功能对日常生活中的各种声以及声现象进行简单的探索观测，从而对声现象和振动产生初步感性认知，如：

（1）课前实验一：通过制造各种不同的声音利用phyphox的audio scope功能观测振动波形图，感受什么是振动，理解振动频率，振幅的概念，并且观察各种不同声音在示波器上产生的波形图。

（2）课前实验二：通过phyphox中的audio autocorelate功能观测说话、朗读、敲桌子等不同大小声音，让学生了解分贝这一声音的量度单位。

（3）课前实验三：在房间内用音响播放歌曲，手机打开分贝仪功能放在门外，关上门后分贝仪示数会明显变小，说明声在传播的过程会受到某些不同程度的阻碍。

通过这一类的探索，不仅能让学生初步熟悉新知识、新事物，培养其课堂兴趣，更让学生在无形中培养遇到新事物主动探索的习惯。

3.2  课堂的自主探究：从现象挖掘问题，设计实验方案并完成自主实验

3.2.1  交流探讨，挖掘声相关问题

课前探索后引导学生进行经验交流，挖掘声现象背后的问题：生活中不同声音的区别从听觉上可以用大小（响度）、高低（音调）、音质（音色）区分，课前探索时观察到不同声音在振动波形图上的区别在于疏密程度、高低以及波形，那么为什么不同的声音的振动波形不同？同一物体振动如何发出不同的声音？振动是如何影响声音特性的？

3.2.2  学生设计并完善实验：探究影响“声”的因素，实现自主探究

围绕课前探索中发现的问题引导学生自己设计实验，修改方案。

学生方案一：学生提出通过手机播放乐曲，用手机传感器中示波器功能观察高低音与调大调小声音后的波形，实验后发现波形杂乱且不断变化，无法得出可靠结论。

教师引导学生总结失败原因并修改设计：乐曲使用了多种乐器，曲调不断变化且节奏复杂，实验想要探究不同声音大小、高低、音色与波形的关系，属于多影响因素，需要控制变量，保持其他条件不变，只改变单一变量进行实验。

学生方案二：用人声作为实验声音素材，让一学习过声乐的学生分别唱出“Do、Re、Mi、Fa、So、La”，并观察波形图，尝试后发现波形可以短暂维持并观察到不同音间较明显区别，但人声作为实验材料不能长时间稳定且重复实验时总会发生变化。

为保证实验的可重复性，同学建议改用钢琴等发声稳定的键盘类乐器作为声源便于数据采集，但由于处在课堂中，学生转而提出用手机软件“乐器模拟器”代替钢琴提供声音材料，不仅解决乐器无法临时获取的问题，且利用“乐器模拟器”的保持功能延长声音材料的持续时间以便观测。

学生方案三：手机下载软件“乐器模拟器”，该软件可通过触摸发出不同音阶琴音，界面如图1。

（1）课堂實验一：只改变音调，通过模拟器模拟钢琴不同音调的声音，观察对应波形图。如图2、图3、图4、图5、分别是钢琴音C4、C5、C6、C7波形图，可以发现主要区别在于是波形的密集程度。据此讨论得出结论：频率越大，音调就越高。

（2）课堂实验二：只改变响度，调节装有模拟器的手机音量大小，反复测量同一个单音，观察对应振动波形图。如图6、图7、图8是钢琴音C4分别在100%、50%和25%音量时的波形图。对比发现，主要区别在于纵坐标，即振幅的大小。据此得出结论：振幅决定声音的响度，振幅越大，响度越高。

结论验证：为了进一步验证上述两个实验结论是否正确，学生还播放《青藏高原》利用示波器进行动态观测，发现播放过程中尽管波形一直快速变化，总体来看确实在高音时波形密集，且调大调小音量时示波器上的振幅也相应变大变小，与实验结论相符。

通过这样的课堂，学生能够充分发挥在学习中的主体地位，让学生在真实的情境下，在假设，质疑，推理，验证等高层次思考过程中探索规律，避免了学生“只接受、不输出、无交互”的单向课堂。

3.3  课后中的自主探究：思维提升，深入探究“声”的创新实验

课后自主探究目的主要是为养成其自主探究的学习习惯，教师鼓励学有余力的学生针对学习中产生的困惑进行探索，或对课堂没来得及实验的结论进行补充验证与创新实验如：

（1）创新实验一：利用“发声器”与“频率计”验证多普勒效应[ 4 ]：一手机用“发声器”功能设置发出200～10000内任一频率声音，另一手机用频率计测量其频率变化与波形图，通过观测将两手机靠近与分离过程波形与频率变化，验证多普勒效应。

（2）创新实验二：利用“分贝仪”比较隔音材料的隔音效果：将一闹铃分别用不同隔音材料包裹，在距声源相同距离的地方用“分贝仪”功能测量响度，即可比较其隔音效果。

此外，还可以利用频率计测量自己的音域、测量人耳的听力范围，利用Phyphox中的“Acoustic Stopwatch”（声学秒表）测量声音的传播速度[ 5 ]等等。

4  结束语

从“课前探索新事物——课堂探究问题发现规律——课后探研创新”，学生不仅学会基础知识和技能，更重要的是通过这样的方式潜移默化，让学生在分析、推理、质疑、总结等过程中不断深化思维，让自主探究成为学生的学习习惯，让实验成为了学生主动探究新事物、解决问题的方法。

此外，在实际教学中需要注意，传感器作为辅助性的实验仪器，较传统实验仪器操作便捷且省去了仪器读数以及繁复的数据处理过程，但其并不能完全代替传统实验仪器。本文旨在便捷教学与为学生自主实验探究提供新的实验方法，培养解决问题的能力。在实际教学中，教师不能完全忽略传统实验仪器的使用和其中蕴含的物理思想。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018.

[2]王新娟，赵立会，张国庆. 学生自主探究能力培养研究[A]. 《新课改背景下课堂教学方法与手段的有效性研究》科研成果集[C].北京：北京中教智创信息技术研究院， 2018（14）： 691-697.

[3] 刘茂军， 张 勇. 中学物理实验与传感器整合研究述评[J] 物理教师， 2015， 36（11）：68-71.

[4] 曾 心，刘健智. 智能手机在中学物理课堂教学中的应用[J]实验教学与仪器， 2019（9）：39.

[5]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（7）： 70-72.