(江蘇省常州外國語學(xué)校，江蘇 常州 213031)

1 引言

2016年9月教育部發(fā)布的“中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”研究報(bào)告里明確了培養(yǎng)學(xué)生的六大核心素養(yǎng)，其中特別指出學(xué)生需“具有數(shù)字化生存能力”，主動(dòng)適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”等社會(huì)信息化發(fā)展趨勢(shì)。

智能手機(jī)中內(nèi)置了很多功能強(qiáng)大的傳感器，如磁傳感器、加速度傳感器、聲壓傳感器、陀螺儀傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器等。將智能手機(jī)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可使教學(xué)更加便捷，效果更加直觀。國外的一些手機(jī)APP已經(jīng)可以支持手機(jī)傳感器的數(shù)據(jù)調(diào)用，如蘋果的Sensor Kinetics、安卓的Sensor Sense。德國的Patrik Vogt和Jochen Kuhn是研究手機(jī)傳感器輔助物理教學(xué)的先驅(qū)，他們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)：使用智能手機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。筆者在初中物理現(xiàn)象篇的教學(xué)中，嘗試運(yùn)用智能手機(jī)的傳感器，取得較好的教學(xué)效果。

2 聲現(xiàn)象

蘇科版物理教材將聲現(xiàn)象作為初中物理的第一章內(nèi)容，它是學(xué)生進(jìn)入物理世界的第一步。初中聲學(xué)的教學(xué)中要求學(xué)生知道并會(huì)比較響度、音調(diào)、音色。傳統(tǒng)教學(xué)中主要是以課本、事例和板書簡單的波形圖來幫助學(xué)生理解。但是教師的講授對(duì)于學(xué)生來說是間接經(jīng)驗(yàn)，可信度不夠高。所以在聲學(xué)的課堂教學(xué)中引入實(shí)時(shí)可視的教學(xué)工具，對(duì)知識(shí)理解有重要的輔助作用。

智能手機(jī)上有豐富的聲學(xué)元件，如音頻輸出設(shè)備—揚(yáng)聲器、音頻輸入設(shè)備—麥克風(fēng)、聲壓傳感器等。教學(xué)中可以通過在安卓手機(jī)上安裝音頻發(fā)生器APP(Frequency Sound Generator)使其發(fā)出不同音色的聲音，通過調(diào)節(jié)頻率旋鈕可以使頻率在20Hz—20000Hz之間變化，通過調(diào)節(jié)手機(jī)音量可以改變聲音響度的大小。聲音特性的分析可以借助在安卓手機(jī)上安裝的示波器APP(Oscilloscope)軟件實(shí)時(shí)收錄環(huán)境中聲音的波形，并可暫停截屏保存，具體應(yīng)用如下。

2.1 利用手機(jī)中“示波器”比較樂音三要素

圖1

教材中介紹音色時(shí)，提到了我們可以借助波形圖來比較音色的不同。實(shí)際上波形圖也可以幫助我們清晰地分辨響度、音調(diào)和音色。我們通過比較相同坐標(biāo)系下的波形振幅大小，可以比較兩個(gè)聲音響度的大小(如圖1)；比較聲波的周期(疏密程度)，可以比較聲音的音調(diào)高低；比較波形的形狀包絡(luò)，可以判斷兩個(gè)聲音的音色是否一致(如圖2)。在課堂上，借助手機(jī)“示波器”和手機(jī)同屏軟件—“希沃授課助手”，可以讓學(xué)生自主總結(jié)出這些規(guī)律。

圖2

2.2 利用手機(jī)中“示波器”比較樂音與噪聲區(qū)別

講到噪聲時(shí)，我們會(huì)首先回顧噪聲與樂音的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，其中在物理學(xué)上的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)就是基于二者波形圖的差異。在課堂上用手機(jī)“示波器”收錄小刀劃木板的聲音，與音叉聲音做對(duì)比，學(xué)生可以明顯看到區(qū)別。音叉等樂器的聲音是有規(guī)律、有一定周期的，小刀刻劃的聲音是沒有規(guī)律的(如圖3)。

圖3

2.3 利用手機(jī)中聲壓和氣壓傳感器探究聲音傳播條件

在講到噪聲時(shí)會(huì)提到聲強(qiáng)級(jí)的概念及單位，用聲強(qiáng)級(jí)的大小來描述聲音的響度大小。在教材第一章的實(shí)驗(yàn)中，有兩處需要判斷聲強(qiáng)級(jí)大小，而人耳對(duì)于聲強(qiáng)級(jí)的變化并不十分敏銳，如果能用智能手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聲強(qiáng)級(jí)大小并投影在屏幕上，將大大提高實(shí)驗(yàn)的可操作性，達(dá)到理想的效果。筆者選用的是安卓官方的傳感器軟件—Sensor Sense，打開軟件后，選擇“聲壓”選項(xiàng)，就可以看到聲強(qiáng)級(jí)數(shù)值和一段時(shí)間內(nèi)的聲強(qiáng)曲線。

在學(xué)習(xí)聲音的傳播條件時(shí)，我們都會(huì)做一個(gè)真空罩傳聲實(shí)驗(yàn)，把正在發(fā)聲的鬧鐘吊在鐘罩中，不斷抽氣，讓同學(xué)們聽聲音響度是否逐漸減小。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，由于鐘罩的密封性有限，在抽氣機(jī)停止后同學(xué)們并不能明顯聽出前后聲音響度的變化。借助兩個(gè)智能手機(jī)可以改進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果。將一個(gè)智能手機(jī)和鬧鐘一起放在真空罩中(如圖4)，打開手機(jī)Sensor Sense軟件中的氣壓傳感器，抽氣后就可以看到手機(jī)顯示的氣壓在逐漸減小。同時(shí)，利用在教室后部的另一個(gè)手機(jī)中的聲壓傳感器，記錄抽氣前后的兩個(gè)聲強(qiáng)級(jí)數(shù)值(如圖5)。

圖4

圖5

借助氣壓傳感器，我們可以看到在抽氣時(shí)氣壓在減小，也就是傳聲介質(zhì)(空氣)在變少，聲壓傳感器的數(shù)值可以更加準(zhǔn)確地告訴我們空氣的減少導(dǎo)致了響度的減弱，進(jìn)而可以得出結(jié)論：聲音的傳播需要介質(zhì)。

3 熱現(xiàn)象篇

有部分智能手機(jī)會(huì)內(nèi)置溫度傳感器，不過這個(gè)微型傳感器是焊接在主板上，只能用來檢測(cè)手機(jī)主板上CPU或電池的工作溫度。為了滿足物理實(shí)驗(yàn)中液體或固體內(nèi)部溫度的測(cè)量要求，美國Dallas公司推出了DS18B20數(shù)字傳感器，其精度高，體積小，成本低，被大量應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域。國內(nèi)公司開發(fā)出了封裝好的產(chǎn)品(type C接口)和配套的安卓手機(jī)APP，這套組合可以測(cè)量-55℃～125℃范圍的溫度，精度達(dá)到0.1℃。我們將安卓手機(jī)外接DS18B20傳感器應(yīng)用于物態(tài)變化的課堂教學(xué)中，提高了課堂效率，大大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可視性。

3.1 利用溫度傳感器驗(yàn)證液體蒸發(fā)吸熱致冷

教材關(guān)于蒸發(fā)現(xiàn)象的研究中，提到了將溫度計(jì)玻璃泡蘸取酒精后，觀察溫度計(jì)的示數(shù)變化。如果利用手機(jī)與溫度傳感器的組合，我們可以更直觀地展示蒸發(fā)作用導(dǎo)致的溫度變化規(guī)律。利用手機(jī)、溫度傳感器、酒精、電風(fēng)扇等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將溫度傳感器與手機(jī)相連，打開溫度檢測(cè)軟件，將數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為5s。

圖6

圖7

實(shí)驗(yàn)分兩次進(jìn)行，第一次探究在室溫、無風(fēng)的環(huán)境下，酒精蒸發(fā)對(duì)于溫度傳感器探頭的影響(如圖6)。第二次探究在室溫、有明顯氣流(電風(fēng)扇工作)的情況下，酒精蒸發(fā)對(duì)于溫度傳感器探頭的影響(如圖7)。從兩個(gè)圖像可以看出：最初在傳感器探頭未沾有酒精時(shí)，溫度示數(shù)穩(wěn)定不變。沾有酒精后，探頭的溫度迅速下降，1分鐘左右降到最低點(diǎn)，再緩慢回升至室溫。對(duì)比有風(fēng)和無風(fēng)狀態(tài)，我們可以看到明顯的區(qū)別：探頭附近有空氣流動(dòng)時(shí)，蒸發(fā)導(dǎo)致的降溫速度更快，而且降低的溫度更大(有風(fēng)時(shí)最高降溫達(dá)到5.5℃，無風(fēng)時(shí)最高降溫3.5℃)，溫度回升的速度也相對(duì)更快(有風(fēng)時(shí)6分鐘已由最低點(diǎn)回到初始室溫，無風(fēng)時(shí)要8分鐘以上)。

通過上述實(shí)驗(yàn)探究，我們可以得出：蒸發(fā)有吸熱致冷作用，可以降低物體表面溫度。液體表面空氣流速越大，蒸發(fā)的速度越快，效果也越顯著。

3.2 利用溫度傳感器記錄水沸騰過程中的溫度變化

在水的沸騰實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生會(huì)遇到測(cè)溫不準(zhǔn)確和計(jì)時(shí)誤差等問題，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。有些實(shí)驗(yàn)組從90℃到沸騰可能只需要2分鐘的時(shí)間，采集的數(shù)據(jù)過少，畫出的沸騰曲線不理想。

實(shí)驗(yàn)中將溫度傳感器探頭與熱水充分接觸，打開溫度檢測(cè)軟件，設(shè)置好采集數(shù)據(jù)間隔為10s，采集熱水吸熱升溫至沸騰的溫度變化(如圖8)，可以看到水吸熱升溫直到98攝氏度左右，之后溫度保持不變，且杯中氣泡在上升過程中由小變大。

圖8

通過實(shí)驗(yàn)圖像，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)結(jié)論：水沸騰后持續(xù)吸熱，溫度保持不變，這個(gè)不變的溫度就是液體此時(shí)的沸點(diǎn)。我們使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，可以在相同的時(shí)間內(nèi)采集到更多數(shù)據(jù)，從而獲得更準(zhǔn)確的溫度曲線。

3.3 利用溫度傳感器記錄并比較晶體與非晶體熔化特點(diǎn)

教材上冰和燭蠟的熔化實(shí)驗(yàn)采用水浴加熱，用兩只溫度計(jì)分別插入冰和燭蠟之中，每隔30秒記錄一次溫度，畫出熔化曲線，存在實(shí)驗(yàn)可視性較差、節(jié)奏較慢等缺點(diǎn)。

我們?cè)诮虒W(xué)中改良了實(shí)驗(yàn)方法，將溫度傳感器的兩個(gè)探頭固定在細(xì)木棒上，分別插入海波和燭蠟之中，設(shè)置好數(shù)據(jù)采集間隔為10秒，打開“希沃授課助手”，將溫度監(jiān)控畫面同屏至屏幕上。

圖9

圖10

實(shí)驗(yàn)可以在10分鐘內(nèi)完成，自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)圖線(如圖9、10)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以總結(jié)得出：兩種物質(zhì)的熔化特點(diǎn)不同，海波在熔化過程中吸熱但溫度保持不變，燭蠟在熔化過程中吸熱且溫度不斷上升。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)解放了教師的雙手，在進(jìn)行海波與燭蠟加熱的同時(shí)，還可以帶領(lǐng)學(xué)生一起總結(jié)實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)、加熱方法等，大大提高了課堂效率。

4 結(jié)語

在教學(xué)中，我們嘗試了上述新技術(shù)，獲得了理想的效果。我們要主動(dòng)融入信息化時(shí)代，選用更直觀、高效的教學(xué)手段，與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新，增強(qiáng)學(xué)生的數(shù)字化生存能力，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。