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        基于物理課程與phyphox軟件的整合培養(yǎng)學(xué)生自主探究能力

        2021-07-19 01:41:30林蔚然鄭衛(wèi)峰
        中學(xué)理科園地 2021年1期
        關(guān)鍵詞:自主探究能力物理教學(xué)

        林蔚然 鄭衛(wèi)峰

        摘? ?要:學(xué)生自主探究能力具有發(fā)展性,需在自主探究過程中形成與發(fā)展。手機(jī)傳感器較傳統(tǒng)儀器更高效且易得、能觀測到一些傳統(tǒng)儀器無法觀測的物理現(xiàn)象。本文以“聲”為例,介紹通過phyphox軟件,實(shí)現(xiàn)課程與手機(jī)傳感器的整合,幫助學(xué)生利用手機(jī)傳感器在課前對新知識形成感性認(rèn)知、在課堂自主設(shè)計(jì)并開展實(shí)驗(yàn)探究、在課后解決知識疑惑或開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供簡便易行的方法,促進(jìn)學(xué)生形成主動探索的學(xué)習(xí)習(xí)慣,培養(yǎng)探究能力。

        關(guān)鍵詞:自主探究能力;智能手機(jī)傳感器;Phyphox;物理教學(xué)

        1? 課程導(dǎo)向的轉(zhuǎn)變:從學(xué)習(xí)知識到培養(yǎng)能力,強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主探究能力

        隨著社會人才需求升級以及教育理念發(fā)展,以知識為導(dǎo)向的課程正在逐漸轉(zhuǎn)向以培養(yǎng)學(xué)生能力為導(dǎo)向的課程。2019年的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中就曾明確提出“高中物理教學(xué)在課程實(shí)施上注重自主學(xué)習(xí),讓學(xué)生積極參與、樂于探究、勇于實(shí)驗(yàn)、勤于思考”,物理作為以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,自主學(xué)習(xí)的前提需要培養(yǎng)自主探究能力[ 1 ]。自主探究能力即是發(fā)現(xiàn)問題并圍繞問題利用自己的知識去解決問題的能力,其有三個(gè)特性:(1)習(xí)得性:自主探究能力是在不斷的推理、實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證等自主探究的過程中逐步形成的。(2)綜合性:自主探究能力是自學(xué)能力、問題解決能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?chuàng)造能力等綜合的能力。(3)發(fā)展性:自主探究能力隨著知識、經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富以及個(gè)體思維能力的發(fā)展而不斷提高[ 2 ]。因此,通過物理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力重要途徑之一,在實(shí)驗(yàn)過程中讓學(xué)生不斷探索未知,進(jìn)行質(zhì)疑,假設(shè),推理等高層次思維,形成主動探究的習(xí)慣,培養(yǎng)自主探究的能力。

        2? 智能手機(jī)傳感器為自主探究實(shí)驗(yàn)提供更多可能

        2.1? 當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限

        當(dāng)前大部分的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍停留在“老師按考綱教實(shí)驗(yàn),學(xué)生按講解操作”的模式,未能真正讓學(xué)生經(jīng)歷完整的自主科學(xué)探究過程,究其原因主要受傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)課堂的限制 。目前中學(xué)實(shí)驗(yàn)室的傳統(tǒng)儀器無法直接觀測到如磁、波、聲等物理現(xiàn)象;而物理量如速度、加速度等,雖能通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測得,但操作繁瑣且無法觀測實(shí)時(shí)的動態(tài)變化。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂由于場地、儀器、課時(shí)長度、進(jìn)度安排等原因,沒有時(shí)間給學(xué)生課上自主實(shí)驗(yàn),課下探究又面臨缺乏儀器或數(shù)據(jù)處理困難等問題。

        2.2? 智能手機(jī)傳感器軟件Phyphox的介紹

        傳感器相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材具高效、直觀可視、可實(shí)時(shí)動態(tài)測量等優(yōu)點(diǎn)[ 3 ],近年來科研實(shí)驗(yàn)室、高校普遍都配有專業(yè)傳感器設(shè)備與PASCO、DIS等傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。但在中學(xué)課堂滲透傳感器思想,讓學(xué)生能夠利用專業(yè)傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仍難以實(shí)現(xiàn)。相比之下手機(jī)傳感器易獲得,體積小,數(shù)據(jù)采集軟件較DIS或PASCO系統(tǒng)操作要簡單許多。

        為此作者綜合對比了“My Sensors”“Phyphox”“Sensor Sense”“Smart Tool kit”等多個(gè)手機(jī)傳感器軟件,在此介紹綜合效果較好的“Phyphox”軟件,讓教師利用手機(jī)傳感器代替實(shí)驗(yàn)室專業(yè)傳感器,不僅便利物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué),更為學(xué)生課后自主探究實(shí)驗(yàn)提供簡便易行的方法。

        Phyphox官網(wǎng)提供正版下載,在手機(jī)硬件配置傳感器的情況下,提供如壓力傳感器、重力傳感器、磁場傳感器、光傳感器、示波器等共29種功能??赏ㄟ^手機(jī)控制,可定時(shí)運(yùn)行或無線連接電腦操控,以手機(jī)作為儀器進(jìn)行所需數(shù)據(jù)采集與圖表繪制,并通過“export date”下載詳盡的數(shù)據(jù)表格。此外,軟件的一大特色是其支持自主選擇多種傳感器組建實(shí)驗(yàn)在同一過程同步采集數(shù)據(jù),以研究更復(fù)雜的模型。

        3? 基于手機(jī)傳感器實(shí)驗(yàn)的學(xué)生自主探究式學(xué)習(xí)——以“聲”為例

        本文以聲的學(xué)習(xí)為例,展示在教學(xué)中滲透傳感器實(shí)驗(yàn)思想,使學(xué)生運(yùn)用手機(jī)傳感器實(shí)現(xiàn)自主探究式學(xué)習(xí),并在課前、課堂、課后中促進(jìn)學(xué)生形成主動探究新事物的心向。

        3.1? 課前的自主探索:通過聲音傳感器收獲對聲現(xiàn)象的感性認(rèn)知

        新知識的學(xué)習(xí)應(yīng)該是一個(gè)探索新事物的過程,教學(xué)過程中應(yīng)避免教師單方面地輸出。為此,課前讓學(xué)生在預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上利用phyphox中的示波器、分貝儀、頻率探測等功能對日常生活中的各種聲以及聲現(xiàn)象進(jìn)行簡單的探索觀測,從而對聲現(xiàn)象和振動產(chǎn)生初步感性認(rèn)知,如:

        (1)課前實(shí)驗(yàn)一:通過制造各種不同的聲音利用phyphox的audio scope功能觀測振動波形圖,感受什么是振動,理解振動頻率,振幅的概念,并且觀察各種不同聲音在示波器上產(chǎn)生的波形圖。

        (2)課前實(shí)驗(yàn)二:通過phyphox中的audio autocorelate功能觀測說話、朗讀、敲桌子等不同大小聲音,讓學(xué)生了解分貝這一聲音的量度單位。

        (3)課前實(shí)驗(yàn)三:在房間內(nèi)用音響播放歌曲,手機(jī)打開分貝儀功能放在門外,關(guān)上門后分貝儀示數(shù)會明顯變小,說明聲在傳播的過程會受到某些不同程度的阻礙。

        通過這一類的探索,不僅能讓學(xué)生初步熟悉新知識、新事物,培養(yǎng)其課堂興趣,更讓學(xué)生在無形中培養(yǎng)遇到新事物主動探索的習(xí)慣。

        3.2? 課堂的自主探究:從現(xiàn)象挖掘問題,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并完成自主實(shí)驗(yàn)

        3.2.1? 交流探討,挖掘聲相關(guān)問題

        課前探索后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)交流,挖掘聲現(xiàn)象背后的問題:生活中不同聲音的區(qū)別從聽覺上可以用大?。懚龋⒏叩停ㄒ粽{(diào))、音質(zhì)(音色)區(qū)分,課前探索時(shí)觀察到不同聲音在振動波形圖上的區(qū)別在于疏密程度、高低以及波形,那么為什么不同的聲音的振動波形不同?同一物體振動如何發(fā)出不同的聲音?振動是如何影響聲音特性的?

        3.2.2? 學(xué)生設(shè)計(jì)并完善實(shí)驗(yàn):探究影響“聲”的因素,實(shí)現(xiàn)自主探究

        圍繞課前探索中發(fā)現(xiàn)的問題引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),修改方案。

        學(xué)生方案一:學(xué)生提出通過手機(jī)播放樂曲,用手機(jī)傳感器中示波器功能觀察高低音與調(diào)大調(diào)小聲音后的波形,實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)波形雜亂且不斷變化,無法得出可靠結(jié)論。

        教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)失敗原因并修改設(shè)計(jì):樂曲使用了多種樂器,曲調(diào)不斷變化且節(jié)奏復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)想要探究不同聲音大小、高低、音色與波形的關(guān)系,屬于多影響因素,需要控制變量,保持其他條件不變,只改變單一變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

        學(xué)生方案二:用人聲作為實(shí)驗(yàn)聲音素材,讓一學(xué)習(xí)過聲樂的學(xué)生分別唱出“Do、Re、Mi、Fa、So、La”,并觀察波形圖,嘗試后發(fā)現(xiàn)波形可以短暫維持并觀察到不同音間較明顯區(qū)別,但人聲作為實(shí)驗(yàn)材料不能長時(shí)間穩(wěn)定且重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)總會發(fā)生變化。

        為保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性,同學(xué)建議改用鋼琴等發(fā)聲穩(wěn)定的鍵盤類樂器作為聲源便于數(shù)據(jù)采集,但由于處在課堂中,學(xué)生轉(zhuǎn)而提出用手機(jī)軟件“樂器模擬器”代替鋼琴提供聲音材料,不僅解決樂器無法臨時(shí)獲取的問題,且利用“樂器模擬器”的保持功能延長聲音材料的持續(xù)時(shí)間以便觀測。

        學(xué)生方案三:手機(jī)下載軟件“樂器模擬器”,該軟件可通過觸摸發(fā)出不同音階琴音,界面如圖1。

        (1)課堂實(shí)驗(yàn)一:只改變音調(diào),通過模擬器模擬鋼琴不同音調(diào)的聲音,觀察對應(yīng)波形圖。如圖2、圖3、圖4、圖5、分別是鋼琴音C4、C5、C6、C7波形圖,可以發(fā)現(xiàn)主要區(qū)別在于是波形的密集程度。據(jù)此討論得出結(jié)論:頻率越大,音調(diào)就越高。

        (2)課堂實(shí)驗(yàn)二:只改變響度,調(diào)節(jié)裝有模擬器的手機(jī)音量大小,反復(fù)測量同一個(gè)單音,觀察對應(yīng)振動波形圖。如圖6、圖7、圖8是鋼琴音C4分別在100%、50%和25%音量時(shí)的波形圖。對比發(fā)現(xiàn),主要區(qū)別在于縱坐標(biāo),即振幅的大小。據(jù)此得出結(jié)論:振幅決定聲音的響度,振幅越大,響度越高。

        結(jié)論驗(yàn)證:為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論是否正確,學(xué)生還播放《青藏高原》利用示波器進(jìn)行動態(tài)觀測,發(fā)現(xiàn)播放過程中盡管波形一直快速變化,總體來看確實(shí)在高音時(shí)波形密集,且調(diào)大調(diào)小音量時(shí)示波器上的振幅也相應(yīng)變大變小,與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符。

        通過這樣的課堂,學(xué)生能夠充分發(fā)揮在學(xué)習(xí)中的主體地位,讓學(xué)生在真實(shí)的情境下,在假設(shè),質(zhì)疑,推理,驗(yàn)證等高層次思考過程中探索規(guī)律,避免了學(xué)生“只接受、不輸出、無交互”的單向課堂。

        3.3? 課后中的自主探究:思維提升,深入探究“聲”的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

        課后自主探究目的主要是為養(yǎng)成其自主探究的學(xué)習(xí)習(xí)慣,教師鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生針對學(xué)習(xí)中產(chǎn)生的困惑進(jìn)行探索,或?qū)φn堂沒來得及實(shí)驗(yàn)的結(jié)論進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)如:

        (1)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)一:利用“發(fā)聲器”與“頻率計(jì)”驗(yàn)證多普勒效應(yīng)[ 4 ]:一手機(jī)用“發(fā)聲器”功能設(shè)置發(fā)出200~10000內(nèi)任一頻率聲音,另一手機(jī)用頻率計(jì)測量其頻率變化與波形圖,通過觀測將兩手機(jī)靠近與分離過程波形與頻率變化,驗(yàn)證多普勒效應(yīng)。

        (2)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)二:利用“分貝儀”比較隔音材料的隔音效果:將一鬧鈴分別用不同隔音材料包裹,在距聲源相同距離的地方用“分貝儀”功能測量響度,即可比較其隔音效果。

        此外,還可以利用頻率計(jì)測量自己的音域、測量人耳的聽力范圍,利用Phyphox中的“Acoustic Stopwatch”(聲學(xué)秒表)測量聲音的傳播速度[ 5 ]等等。

        4? 結(jié)束語

        從“課前探索新事物——課堂探究問題發(fā)現(xiàn)規(guī)律——課后探研創(chuàng)新”,學(xué)生不僅學(xué)會基礎(chǔ)知識和技能,更重要的是通過這樣的方式潛移默化,讓學(xué)生在分析、推理、質(zhì)疑、總結(jié)等過程中不斷深化思維,讓自主探究成為學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣,讓實(shí)驗(yàn)成為了學(xué)生主動探究新事物、解決問題的方法。

        此外,在實(shí)際教學(xué)中需要注意,傳感器作為輔助性的實(shí)驗(yàn)儀器,較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器操作便捷且省去了儀器讀數(shù)以及繁復(fù)的數(shù)據(jù)處理過程,但其并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器。本文旨在便捷教學(xué)與為學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究提供新的實(shí)驗(yàn)方法,培養(yǎng)解決問題的能力。在實(shí)際教學(xué)中,教師不能完全忽略傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的使用和其中蘊(yùn)含的物理思想。

        參考文獻(xiàn):

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