指向核心素养的高中物理数字化实验案例研究

2023-12-14朱新梅李鑫鹏孙玉玲

科学咨询 2023年22期

朱新梅,李鑫鹏,孙玉玲

（扬州大学物理科学与技术学院，江苏扬州 225009）

2017年新修订的《普通高中物理课程标准》要求发展学生物理学科核心素养，要重点培养学生的“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”，从而使学生在面对各种未知情境时，能够综合运用学科知识和技能解决问题[1]。

数字化实验系统(DIS)是指基于传感器技术的实验平台，一般由传感器、数据采集器及相关数据处理软件等各部分构成的实验系统。由于专业传感器设备造价昂贵，数字化实验始终难以得到大范围推广。近年来，携带多种传感器的智能手机作为数字化实验的新载体，具有方便携带、测量准确、普及率高等优点。将物理实验与智能手机的各种数字化实验应用程序相结合，正逐渐受到全球物理教育工作者的普遍关注，并成为数字化实验研究的热点[2]。

Phyphox是一个基于智能手机的App，它可以调用手机已有的各类传感器采集数据，并将原始数据和结果图表导出，供进一步分析。Phyphox传感器可以探究的实验内容有如下类型：利用压电效应的加速度传感器，可以用于测量单摆、自由落体、弹簧振子的运动加速度；利用压电效应的陀螺仪传感器，可以用于测量角加速度和角速度的关系、验证向心力大小的相关因素；利用声敏元件的声音传感器，可以用于测量声速、多普勒效应、弹性碰撞的能量损失重力加速度等；利用磁阻传感器，可以测量磁场分布，其他还有光传感器等[3-5]。本文借助声音传感器设计“弹性球的非完全弹性碰撞”实验，借助陀螺仪传感器设计“向心加速度与角速度的关系”实验，借助磁阻传感器和陀螺仪传感器测量地磁场的大小和方向。结合每个相关实验案例讨论如何利用数字化实验方案提升高中生物理学科核心素养。

一、数字化实验案例

（一）弹性球的非完全弹性碰撞

弹性小球自由下落撞击地面，发生非完全弹性碰撞，由于在碰撞过程中能量消耗，小球虽然不断被弹离地面，但是小球的能量慢慢变为零，最终不再弹起。如果保持小球在弹跳过程中尽量处于竖直方向，与水平面垂直，那么小球每一次弹起又落下的过程可以等效为一次竖直上抛运动。由于竖直上抛运动具有对称性，从地面升到最高点和从最高点落回地面的时间是一样的，可以把竖直上抛运动的下落过程等效为自由落体运动。

实验结果如图1所示，每次乒乓球碰撞后反弹高度均不一样，并且伴随能量的损失。如果忽略空气阻力，那么乒乓球每次反弹后机械能守恒，根据高中物理必修二机械能守恒定律的相关结论进行数据分析：把乒乓球和地球看成一个系统，在乒乓球下落的过程中，将乒乓球的重力势能转化为乒乓球的动能；乒乓球撞击地面形变恢复过程中，弹性势能转化为动能，但是由于是非完全弹性碰撞，所以碰撞过程伴随机械能的损耗，机械能部分转化为内能。在乒乓球上升过程中，动能转化为重力势能。由能量损失可以得出，小球在反弹过程中，弹性势能并非全部化为动能，其中损失的能量部分转化为内能。但是在理想情况下，可以发现每次碰撞后和碰撞前的能量之比近似相等，这是一个非常有意思的结论，这个比值就是大学物理中将要学到的一般物体对心碰撞的恢复系数。

图1 弹性球非完全性碰撞

由于碰撞过程非常短暂，传统实验方法不容易进行观察和测量，而采用智能手机自带的加速度传感器可以让学生直观地看到碰撞过程能量的变化，加强学生对碰撞过程中运动与相互作用、动量和能量的物理观念深度理解。对碰撞和反弹过程的分析可以巧妙地引导学生进行模型建构，学生经历由生活中的碰撞现象构建质点碰撞模型的抽象概括过程，极大锻炼学生的科学思维。实验前的课程教师需要指导学生复习竖直上抛运动和能量的转化与机械能守恒定律，提出物理问题，形成猜想与假设，设计实验与制定方案，最终基于Phyphox实验数据得出结论，并结合机械能守恒定律作解释，有效培养学生科学探究的能力。本实验在帮助学生认识非完全弹性碰撞科学本质的基础上，加深对生活中各种各样碰撞现象的认识，知道碰撞的相关应用与危害，学生逐渐形成探索自然的内在动力，形成严谨认真的科学态度。

（二）向心加速度与角速度的关系

在传统圆周运动教学中，很难直接测量角速度和向心加速度，但是利用智能手机内置的陀螺仪传感器和加速度传感器，Phyphox可以测量x，y，z轴的角速度和向心加速度，并且可以探究角速度和角加速度之间的数量关系是否满足a=ω2r。

将手机放在可以旋转的支架上面并将手机固定，打开“向心加速度功能”，转动固定手机的支架部分，将向心角速度的实验测量数据导出至excel，然后绘制向心加速度与角速度平方的关系曲线如图2所示，曲线拟合之后我们不难得出向心加速度与角速度的平方是呈线性关系的，由此即可验证a=ω2r的关系式。

图2 向心加速度与角速度平方关系

该实验通过圆周运动过程中向心加速度和速度的实验数据，采用数形结合的方法，分析归纳总结得到圆周运动过程中向心加速度和角速度的平方满足正比例关系，并且比例系数就是圆周运动的半径，可以帮助学生在理论推导圆周运动的加速度运动学公式方面提供感性直观认识，加深学生对圆周运动作为一种特殊曲线运动的理解，帮助学生形成更深层次的运动观。根据手机绕轴的转动构建圆周运动模型，由导出数据的处理结果推导向心加速度和角速度的关系，可以提高学生模型建构、分析综合和推理论证等科学思维能力。实验前指导学生认识圆周运动的特点和描述圆周运动的物理量，提出向心加速度与角速度满足什么关系的物理问题，引导学生形成猜想与假设，然后设计相关实验方案，最终基于数据分析和结果得出结论并作解释，学生对过程和结果进行交流反思，可以很好地训练学生科学探究的能力。该实验可以帮助学生对圆周运动过程中加速度产生的运动学和动力学描述，联系生活中圆周运动规律的应用，如行驶的车在较光滑地面拐弯时，车速太快容易打滑，因为速度快则向心加速度就快，导致所需要的向心力就比较大，如果地面的摩擦力不足以提供运动所需的向心力，则车轮就会做离心运动，发生打滑，酿成交通事故。借助该数字化实验可以促使学生更好理解关注生活现象背后的物理本质，培养学生“见物思理、格物致知”的科学态度。

（三）地磁场的测量

高中物理教学需要创设情境吸引学生的注意力，如在磁场的教学中可以设置这样的问题情境：“飞机在我国上空匀速飞行，机翼保持水平，由于地磁场的作用，如何判断金属机翼上电势差的高低?”这个问题要求学生必须了解地磁场的特点。虽然学生通过指南针和“信鸽通信”等相关内容已经对地磁场有初步认识，但是Phyphox利用磁阻传感器的磁力计模块可以直观地测量地磁场沿手机平面和垂直手机平面的磁场分布。如图3所示，磁力计可以测得磁场在x、y、z三个方向的磁场大小，垂直手机平面方向为z轴，沿手机短边和长边方向分别为x轴和y轴。当手机倾角选取合适位置的时候，磁力计显示x和z轴的磁感强度近似为零，表示此时地磁场沿手机长边方向，借助陀螺仪传感器的斜面功能可以显示在北半球地磁场方向与水平面之间的夹角约为-48.01°，由此测量结果可以直观看出北半球地磁场是斜向下的，借助该实验结果不仅可以帮助学生进一步理解地磁场的分布，强化学生对地磁场强弱和方向的直观认识，加深学生对地磁场与地理空间关系的认识，发展学生的空间想象能力。而且该数字化实验可以很好地培养学生证据意识和科学探究能力，提升学生的科学思维，很好地践行“实验为基础，思维为中心”的教学理念，引导学生通过实验去搜集更准确、更丰富、更高效的信息[6]。另外还可以将手机在水平面内旋转，测量地磁场水平分量的大小和方向，如图4所示，学生通过亲自测量可以总结，某一位置的地磁场水平分量的大小和方向是恒定的，不会随着手机在水平面内旋转角度的变化而变化，学生通过学习将地磁场水平分量沿手机短边和长边两个正交方向分解的方法，进一步强化物理学中矢量分解与合成的方法，学生学以致用，发展学生思维的灵活性和深刻性。

图3 测量磁场大小

图4 测量磁场水平分量

二、素养反思

通过上述三个数字化实验案例的设计可以看出，首先数字化实验可以有效创设物理情境，如案例一借助Phyphox（非）弹性碰撞的测量界面可以让学生直接定量测量弹性球与桌面碰撞过程中的能量变化情况，有助于学生深度理解碰撞的物理规律，促进学生运动与相互作用观念和能量观念的发展。其次借助智能手机可以快捷高效地搭建实验平台，学生参与实验探究过程，结合自主实验与观察演示实验，培养学生在现实生活中有意识地提出物理问题、主动探索科学问题和寻找证据进行解释并给出结论，从而提升学生的科学探究能力和发展学生的科学思维，如案例二借助手机旋转的可视化图像和相关导出数据进一步分析，可以帮助学生将手机绕轴转动实际问题转化成手机质心绕固定点的圆周运动的物理模型，有效提升学生的物理模型建构能力、对问题的分析综合和推理论证能力，有助于培养学生的科学思维。案例三通过学生测量地磁场的大小和方向分布特点，不仅可以培养学生的证据意识，也可以激发学生对磁力计如何利用磁场和磁阻材料的相互作用测量磁场分布的好奇心，促进学生深度思考。最后数字化实验可以很好地践行“做中学”的教育理念，有助于培养学生的科学态度与责任，如案例二通过定量演示手机绕轴的转速改变对加速度和向心力的影响，学生深刻理解交通工具快速拐弯容易打滑的物理本质，培养学生严谨认真的科学态度。