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)：

[1]中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018.

[2]王新娟，趙立會，張國慶. 學(xué)生自主探究能力培養(yǎng)研究[A]. 《新課改背景下課堂教學(xué)方法與手段的有效性研究》科研成果集[C].北京：北京中教智創(chuàng)信息技術(shù)研究院， 2018（14）： 691-697.

[3] 劉茂軍， 張 勇. 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)與傳感器整合研究述評[J] 物理教師， 2015， 36（11）：68-71.

[4] 曾 心，劉健智. 智能手機(jī)在中學(xué)物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J]實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2019（9）：39.

[5]惠宇潔. 智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探討——以 Phyphox 軟件為例[J]. 物理教學(xué)探討， 2018， 36（7）： 70-72.