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        基于核心素養(yǎng)的高中物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究

        2022-03-31 02:35:14孫玉玲朱新梅
        廣西物理 2022年3期
        關(guān)鍵詞:電梯加速度物理

        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(dòng)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(tái),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(guó)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(guó)內(nèi)早,外國(guó)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(guó)內(nèi)技術(shù)的快速發(fā)展,我國(guó)也逐步完善升級(jí)了DIS 的軟件和硬件設(shè)備,我國(guó)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(guó)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(jià)昂貴,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)始終難以得到大范圍推廣。近年來(lái),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(cè)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(gè)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(lái)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(gè)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(lái)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(lái)進(jìn)行下蹲和起立過(guò)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(dòng)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(lái)觀察下蹲和起立中力隨時(shí)間的變化,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的可視化,相對(duì)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(shí)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(huì)發(fā)現(xiàn)它可以同時(shí)測(cè)量如圖1 所示的x、y、z三個(gè)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(guò)一小段時(shí)間再起立,且下蹲與起立過(guò)程不宜太快,重復(fù)此過(guò)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(guò)程中的超重與失重的分析如表1 所示。

        表1 下蹲和起立過(guò)程加速度-時(shí)間圖像分析

        圖1 手機(jī)x-y-z 方向

        圖2 下蹲和起立過(guò)程加速度-時(shí)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(duì)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(guò)程中,先失重后超重;電梯在上升過(guò)程中先超重后失重,具體結(jié)果見(jiàn)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(guò)程中加速度-時(shí)間圖像

        表2 電梯運(yùn)行過(guò)程中加速度-時(shí)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(duì)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(shì)。在“超重與失重”實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生可以通過(guò)上述數(shù)字化實(shí)驗(yàn)親自參與整個(gè)超重與失重實(shí)驗(yàn)的過(guò)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(guò)親身體驗(yàn)來(lái)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(guò)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(dòng)觀與相互作用觀。

        不管是利用身體的下蹲和起立過(guò)程,還是電梯上升下降過(guò)程,上述數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)都從物理學(xué)視角對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用進(jìn)行了直觀的展示。超重與失重中可以對(duì)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(jiàn)的事物(電梯)和運(yùn)動(dòng)過(guò)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(wèn)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(dòng)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(shí)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(shí)借助智能手機(jī)的Phyphox 來(lái)觀察和測(cè)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(duì)科學(xué)的向往,激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的興趣。

        2 結(jié)語(yǔ)

        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(lái)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(guò)程,培養(yǎng)學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)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(wèn)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(jiàn)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。

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