孫玉玲，朱新梅

(揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引言

2017 版普通高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)提出物理學(xué)科教學(xué)目的在于培養(yǎng)學(xué)生形成的正確的物理觀念、具備良好的科學(xué)思維品質(zhì)、主動進(jìn)行科學(xué)探究的關(guān)鍵能力和正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，從而成為“全面發(fā)展的人”[1]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(DIS)是指基于傳感器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺，一般由傳感器、數(shù)據(jù)采集器及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件等各部分構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。外國研究建造的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的起步要比國內(nèi)早，外國的一些比較成熟的軟件系統(tǒng)有：PASCO 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、Pico Technology 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、Cobra 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等等。隨著國內(nèi)技術(shù)的快速發(fā)展，我國也逐步完善升級了DIS 的軟件和硬件設(shè)備，我國生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也開始逐漸增多，如艾迪生公司的EDISlab；北京友高公司的YOCO；南京金華科軟公司的JHKDIS，及目前在全國范圍使用廣泛的山東遠(yuǎn)大公司研發(fā)的朗威數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2]。

由于專業(yè)傳感器設(shè)備造價昂貴，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)始終難以得到大范圍推廣。近年來，攜帶有多種傳感器的智能手機(jī)作數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的新載體，具有方便攜帶、測量準(zhǔn)確、普及率高等優(yōu)點(diǎn)。將物理實(shí)驗(yàn)與智能手機(jī)的各種數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用程序相結(jié)合，正逐漸受到全球物理教育工作者的普遍關(guān)注，并成為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)[3-5]。Phyphox 是一個基于智能手機(jī)的APP,它可以調(diào)用手機(jī)中已有的各類傳感器來采集數(shù)據(jù),并將原始數(shù)據(jù)與和結(jié)果圖表導(dǎo)出，供進(jìn)一步的分析。本文借助Phyphox 設(shè)計(jì)了高中物理中關(guān)于“超重與失重”的兩個數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步討論了如何利用該數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案來提升高中生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例

1.1 下蹲與起立中的超重與失重

傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)是用體重秤來進(jìn)行下蹲和起立過程中的超重與失重現(xiàn)象的觀察，但是由于由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材的局限性，只有實(shí)驗(yàn)操作的同學(xué)或者老師才可以直觀看到體重秤上的數(shù)據(jù)變化，這樣的實(shí)驗(yàn)不利于全體同學(xué)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不能帶動所有學(xué)生參與科學(xué)探究。2019 年人教版高中物理必修一教材采用人站在力的傳感器上來觀察下蹲和起立中力隨時間的變化，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程的可視化，相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更容易方便所有同學(xué)參與觀察和科學(xué)探究，但是這樣的實(shí)驗(yàn)只能在配備了傳感器的實(shí)驗(yàn)條件下才能進(jìn)行，不利于廣泛開展與推廣。而借助于只能手機(jī)的Phyphox 軟件，可以隨時隨地開展實(shí)驗(yàn)，大大降低物理實(shí)驗(yàn)門檻，有效提高學(xué)生參與科學(xué)探究的興趣，提升學(xué)生的科學(xué)思維。

打開手機(jī)中的“加速度（不含重力加速度）”，會發(fā)現(xiàn)它可以同時測量如圖1 所示的x、y、z三個方向的加速度，并可以用圖像顯示加速度大小變化。我們只需要研究豎直方向（z方向）的加速度大小，讓學(xué)生拿著手機(jī)，將手機(jī)屏幕朝上，保持水平和穩(wěn)定，先下蹲，過一小段時間再起立，且下蹲與起立過程不宜太快，重復(fù)此過程，便可得到如圖2 所示的曲線。學(xué)生利用自己所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行下蹲和起立過程中的超重與失重的分析如表1 所示。

表1 下蹲和起立過程加速度-時間圖像分析

圖1 手機(jī)x-y-z 方向

圖2 下蹲和起立過程加速度-時間圖像

1.2 電梯中的超重與失重

讓一名學(xué)生手持手機(jī)進(jìn)入電梯中，打開phyphox 中的“電梯”功能，手機(jī)需要盡可能保持水平，與電梯盡可能保持相對靜止。導(dǎo)出數(shù)據(jù)我們就可以得到如圖3 所示的圖像，分析圖像可知電梯在下降過程中，先失重后超重；電梯在上升過程中先超重后失重，具體結(jié)果見表三所示。由圖像中的峰值我們可以得到乘坐電梯的加速度大小約為0.4m/s2。

圖3 電梯運(yùn)行過程中加速度-時間圖像

表2 電梯運(yùn)行過程中加速度-時間圖像分析

1.3 素養(yǎng)反思

采用phyphox 數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)對于幫助學(xué)生理解和掌握物理觀念、提升科學(xué)思維能力、引導(dǎo)自主科學(xué)探究和培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感都有很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不具備的優(yōu)勢。在“超重與失重”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過上述數(shù)字化實(shí)驗(yàn)親自參與整個超重與失重實(shí)驗(yàn)的過程，從做實(shí)驗(yàn)到得出數(shù)據(jù)，再用可視化的方法分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以幫助學(xué)生通過親身體驗(yàn)來更好地理解超重與失重的特點(diǎn)。下蹲和起立與電梯運(yùn)行過程的超重失重圖像的一致性分析，可以幫助學(xué)生由觀察現(xiàn)象到深入物理本質(zhì)，幫助學(xué)生形成深刻的運(yùn)動觀與相互作用觀。

不管是利用身體的下蹲和起立過程，還是電梯上升下降過程，上述數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)都從物理學(xué)視角對牛頓運(yùn)動定律的應(yīng)用進(jìn)行了直觀的展示。超重與失重中可以對牛頓第二定律的力與加速度的相互關(guān)系進(jìn)行很好的闡釋，由生活中最常見的事物（電梯）和運(yùn)動過程（下蹲和起立）構(gòu)建物理模型，極大鍛煉了學(xué)生的物理科學(xué)思維。

實(shí)驗(yàn)前老師指導(dǎo)學(xué)生觀察超重與失重現(xiàn)象，提出相關(guān)物理問題，讓學(xué)生進(jìn)行猜想與假設(shè)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制定實(shí)驗(yàn)方案，最終基于導(dǎo)出的Phyphox 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪制的圖像得出結(jié)論，并結(jié)合牛頓運(yùn)動定律作出解釋，讓學(xué)生在相互交流討論中相互學(xué)習(xí)，這樣可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

該數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在幫助學(xué)生認(rèn)識超重與失重的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步延伸相關(guān)課外實(shí)驗(yàn)，比如讓學(xué)生在玩蹦床或摩天輪時借助智能手機(jī)的Phyphox 來觀察和測量超重與失重現(xiàn)象，也可以介紹天宮課堂中失重情況的相關(guān)實(shí)驗(yàn)：如太空拋物、太空浮力消失等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生對科學(xué)的向往，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)探究的興趣。

2 結(jié)語

在智能手機(jī)普及的現(xiàn)代生活中，教師在高中物理教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生借助智能手機(jī)來開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親身參與實(shí)驗(yàn)探究過程，培養(yǎng)學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中對于物理現(xiàn)象的觀察能力，而且結(jié)合自主實(shí)驗(yàn)與觀察演示實(shí)驗(yàn)，可以提升學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維，增強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力，促使學(xué)生更好理解生活現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生“見物思理、格物致知”的科學(xué)態(tài)度，有助于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)觀。