張綺夢(mèng) 李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

Phyphox是一款免費(fèi)的智能手機(jī)應(yīng)用程序(Android和IOS系統(tǒng)均可使用)，由德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的物理教師團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)．按原始傳感器、力學(xué)、聲學(xué)、工具、日常生活、計(jì)時(shí)器六大模塊開(kāi)設(shè)相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量工具，還可以自定義實(shí)驗(yàn)．該軟件使手機(jī)變成了數(shù)據(jù)采集器，支持遠(yuǎn)程訪問(wèn)，實(shí)時(shí)生成圖像或數(shù)據(jù)，便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分享[1]．在疫情背景下，人們對(duì)Phyphox軟件應(yīng)用于物理教學(xué)的研究興趣進(jìn)一步提高．

本文在中國(guó)知網(wǎng)以及在The physics teacher，European Journal of Physics，Physics Education國(guó)外期刊上以“Phyphox”為主題詞檢索相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了梳理和探討．

1 國(guó)內(nèi)Phyphox軟件應(yīng)用于物理教學(xué)的研究?jī)?nèi)容

國(guó)內(nèi)對(duì)Phyphox軟件應(yīng)用于物理教學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要分為3類(lèi)，一是融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探索整合策略，二是改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)的可視度和準(zhǔn)確度，三是開(kāi)展拓展實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)趣味與實(shí)用性．總體上看，國(guó)內(nèi)對(duì)Phyphox應(yīng)用于改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)關(guān)注度最高；新冠疫情背景下，Phyphox應(yīng)用于物理教學(xué)的關(guān)注度顯著提高；后疫情時(shí)代，利用Phyphox開(kāi)展拓展實(shí)驗(yàn)受到更多關(guān)注．

1.1 Phyphox融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

研究Phyphox與線下物理實(shí)驗(yàn)的融合主要聚焦于探究式教學(xué)．文獻(xiàn)[2]首次討論把Phyphox軟件應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以促進(jìn)自主探究學(xué)習(xí)．文獻(xiàn)[3]在前人的基礎(chǔ)上對(duì)Phyphox軟件中各個(gè)模塊的功能做了較為全面的介紹，并指出該軟件是開(kāi)展課外探究實(shí)驗(yàn)、探究型學(xué)習(xí)的有效手段．疫情背景下 ，Phyphox與線上遠(yuǎn)程教育、DIY居家實(shí)驗(yàn)聯(lián)系日益密切．根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，2020年3月下半月，Phyphox的下載量增長(zhǎng)了30%[4]．文獻(xiàn)[5]以高中物理“拍現(xiàn)象”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，用GeoGebra和Phyphox軟件輔助遠(yuǎn)程教育，認(rèn)為借助軟件經(jīng)歷探究過(guò)程并收集數(shù)據(jù)圖像可以加深學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)原理和方法的理解，提高線上教學(xué)的效果．文獻(xiàn)[6]基于手機(jī)Phyphox軟件設(shè)計(jì)共鳴管測(cè)聲速，能居家完成實(shí)驗(yàn)并獲取較精確的數(shù)據(jù)，且學(xué)生反饋很好．然而，國(guó)內(nèi)大部分研究者只做質(zhì)性研究，缺少更多的教育性實(shí)證研究，未能充分地證實(shí)Phyphox融入物理教學(xué)的有效性．

1.2 Phyphox改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

Phyphox可以用于開(kāi)展聲學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)等許多實(shí)驗(yàn)，為教具的創(chuàng)新與實(shí)驗(yàn)的改良提供新穎的途徑和方法．國(guó)內(nèi)許多研究者從應(yīng)用信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，應(yīng)用Phyphox改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的思路大體分為3類(lèi)：由繁到簡(jiǎn)、由粗到精、由小到大．

“由繁到簡(jiǎn)”是基于智能手機(jī)的普及，以及Phyphox軟件的免費(fèi)性，設(shè)計(jì)低成本實(shí)驗(yàn)，達(dá)到不在實(shí)驗(yàn)室也能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的目的．例如文獻(xiàn)[7]利用Phyphox設(shè)計(jì)了創(chuàng)新的低成本測(cè)量亥姆霍次線圈磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)方法，補(bǔ)充了測(cè)量磁場(chǎng)的新方法．

“由粗到精”是基于智能手機(jī)的傳感器靈敏度普遍較高，將Phyphox改進(jìn)傳統(tǒng)定性實(shí)驗(yàn)變?yōu)榘攵炕蚨繉?shí)驗(yàn)．例如文獻(xiàn)[8～10]利用Phyphox調(diào)用陀螺儀、磁力計(jì)、光傳感器等，替代傳統(tǒng)的秒表測(cè)量周期的方法，減少偶然誤差，提高實(shí)驗(yàn)精度．

“由小到大”是指實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象微小，借助Phyphox實(shí)時(shí)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)生成的特點(diǎn)顯化放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提高實(shí)驗(yàn)過(guò)程的可視度．例如文獻(xiàn)[11]則利用Phyphox分別調(diào)用智能手機(jī)角加速度傳感器、加速度傳感器、磁傳感器巧妙地設(shè)計(jì)桌面微小形變的實(shí)驗(yàn)，借助圖像“放大”了桌面的微小形變．

1.3 Phyphox開(kāi)展拓展實(shí)驗(yàn)

國(guó)內(nèi)主要基于實(shí)際物理教學(xué)內(nèi)容開(kāi)展的拓展性實(shí)驗(yàn)，例如有研究者以初中的一則習(xí)題為例，用Phyphox的聲音模塊研究高腳杯發(fā)出聲音的頻率與杯中水量之間的關(guān)系[12]．還有研究者針對(duì)乘坐電梯產(chǎn)生的耳鳴問(wèn)題，用壓強(qiáng)傳感器和加速度傳感器對(duì)高層建筑物電梯運(yùn)行的物理特性進(jìn)行研究，并根據(jù)結(jié)果給出了調(diào)整優(yōu)化電梯運(yùn)行的參數(shù)，乘客耳鳴的問(wèn)題得以解決[13]．國(guó)內(nèi)應(yīng)用Phyphox的拓展實(shí)驗(yàn)不僅關(guān)注趣味性，還注重探究?jī)?nèi)容在生活中的實(shí)用性．

2 國(guó)外Phyphox軟件應(yīng)用于物理教學(xué)的研究?jī)?nèi)容

2018年文獻(xiàn)[1]對(duì)Phyphox軟件進(jìn)行了系統(tǒng)地介紹，指出該軟件在教學(xué)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)．Phyphox自推出以來(lái)，國(guó)外有許多研究者對(duì)其教學(xué)價(jià)值進(jìn)行了廣泛地研究，主要包括3方面：一是從教師角度，提供Phyphox應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)例，二是聚焦于智能手機(jī)傳感器本身，利用Phyphox開(kāi)發(fā)低成本實(shí)驗(yàn)，三是從學(xué)生角度，應(yīng)用Phyphox探究生活物理現(xiàn)象．

2.1 Phyphox應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)例

國(guó)外多是基于Phyphox應(yīng)用于教學(xué)中的實(shí)際課例，為教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考借鑒．例如文獻(xiàn)[14] 提供了應(yīng)用Phyphox在高中課堂上開(kāi)展圓周運(yùn)動(dòng)的教學(xué)案例.文獻(xiàn)[15]從力學(xué)實(shí)驗(yàn)、聲學(xué)實(shí)驗(yàn)、壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)以及電磁相關(guān)實(shí)驗(yàn)4個(gè)模塊詳細(xì)地介紹了Phyphox的原理及其功能，并認(rèn)為教師可以利用該軟件調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性．國(guó)外多以實(shí)證研究為主，注重對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的誤差進(jìn)行討論與修正，另外大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)占比居多，沒(méi)有對(duì)初中物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的研究．

2.2 Phyphox輔助下低成本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)

早在2007年，國(guó)外研究者開(kāi)始將智能手機(jī)傳感器應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)．隨著手機(jī)傳感器在物理教學(xué)研究的日益成熟，越來(lái)越多學(xué)者提出用手機(jī)傳感器設(shè)計(jì)低成本實(shí)驗(yàn)．尤其是疫情特殊期間，許多教師和學(xué)生借助Phyphox設(shè)計(jì)了低成本的居家實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明理論值和實(shí)驗(yàn)值有較好的一致性[16，17]．例如文獻(xiàn)[18]開(kāi)發(fā)制定了低成本的家庭實(shí)驗(yàn)包，借助Phyphox為居家實(shí)驗(yàn)提供科學(xué)軟件支撐，提高遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果．

2.3 Phyphox探究生活物理現(xiàn)象

國(guó)外用該軟件研究了許多生活中有趣的現(xiàn)象，如文獻(xiàn)[19]從墨西哥坎昆機(jī)場(chǎng)到美國(guó)芝加哥機(jī)場(chǎng)的旅途中，用加速度(含g)模塊驗(yàn)證地球的自轉(zhuǎn)；文獻(xiàn)[20]利用磁力計(jì)研究電氣化鐵路周?chē)拇艌?chǎng)情況；文獻(xiàn)[21]利用“聲音頻譜”功能研究“為什么Shepard tones營(yíng)造緊張的氣氛？”利用Phyphox探究生活現(xiàn)象不僅能加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，還能提高探索自然現(xiàn)象的興趣．

3 Phyphox應(yīng)用于物理教學(xué)的分類(lèi)介紹

3.1 力學(xué)實(shí)驗(yàn)

手機(jī)內(nèi)部通常含有加速度計(jì)和陀螺儀(含x,y,z方向)，通過(guò)計(jì)算可以獲取物體、含g加速度、不含g加速度以及角速度等物理量，可用于“測(cè)量重力加速度”[22]、“計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”[23]、“探究牛頓運(yùn)動(dòng)定律”、“圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律[14]等實(shí)驗(yàn)．Phyphox軟件利用陀螺儀還開(kāi)發(fā)了“擺”的功能，可以記錄擺的運(yùn)動(dòng)并計(jì)算振蕩周期T，將手機(jī)作為擺錘可用于研究大學(xué)物理中機(jī)械振蕩[24]、超擺的機(jī)械共振現(xiàn)象[25]等實(shí)驗(yàn)．借助加速度計(jì)開(kāi)發(fā)了“彈簧”的功能，可以分析彈簧振子頻率和周期的功能，把手機(jī)當(dāng)作振子可用于研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)[26]、阻尼運(yùn)動(dòng)[27]等實(shí)驗(yàn)．

文獻(xiàn)[28]用手機(jī)在紙張上做直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)，借助加速度計(jì)和陀螺儀間接測(cè)量出了滑動(dòng)摩擦系數(shù)．如圖1所示,先將手機(jī)在紙張上做線性運(yùn)動(dòng)，選用Phyphox軟件中“不含g加速度”功能，選取智能手機(jī)y軸加速度值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，多次實(shí)驗(yàn)取平均加速度，根據(jù)公式可計(jì)算滑動(dòng)摩擦系數(shù)．

圖1 測(cè)量滑動(dòng)摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)一

-fk=-μkmg=ma

另一種方法是使用圓周運(yùn)動(dòng)的方法分析動(dòng)摩擦系數(shù)， 如圖2所示，先讓智能手機(jī)背面朝下并獲得一定角速度，隨后手機(jī)會(huì)受到紙張表面作用的動(dòng)摩擦力而停止．通過(guò)“陀螺儀”功能記錄角速度的變化，角加速度可以從曲線圖形的斜率獲?。鶕?jù)扭矩方程變換可得動(dòng)摩擦系數(shù)公式

圖2 測(cè)量滑動(dòng)摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)二

磁力計(jì)、光傳感器和距離傳感器記錄數(shù)據(jù)的峰值，能夠間接獲得力學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)．例如，如圖3所示，在振子上安裝自制光源或弱小輕磁鐵，將手機(jī)水平放置在彈簧振子正下方，利用手機(jī)光線傳感器軟件或磁傳感器軟件記錄彈簧振子做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)手機(jī)所在位置的光強(qiáng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度變化圖像，通過(guò)圖像計(jì)算簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期．在已知周期、彈簧質(zhì)量(M)和振子質(zhì)量(m)的基礎(chǔ)上根據(jù)式(1)可計(jì)算出彈簧勁度系數(shù)，結(jié)合式(2)可以得出重力加速度[29]．

圖3 測(cè)量重力加速度g實(shí)驗(yàn)

(1)

mg=κx

(2)

3.2 氣壓計(jì)實(shí)驗(yàn)

氣壓計(jì)能較精準(zhǔn)地測(cè)量短時(shí)間內(nèi)的高度變化，顯示大氣壓強(qiáng)值，結(jié)合z軸的加速度計(jì)測(cè)得垂直方向的加速度和速度.然而一些安卓手機(jī)沒(méi)有氣壓計(jì)，iso系統(tǒng)的手機(jī)通常含有較靈敏的氣壓計(jì)．Phyphox利用氣壓計(jì)開(kāi)發(fā)的“壓力”和“電梯”功能可以定量測(cè)量氣壓隨時(shí)間變化的情況以及電梯升降過(guò)程中的高度和垂直速度，可用于開(kāi)展課堂教學(xué)和相關(guān)拓展實(shí)驗(yàn)[30]．

文獻(xiàn)[31]用Phyphox的“壓力”功能驗(yàn)證了玻意耳定律.如圖4所示，該實(shí)驗(yàn)把手機(jī)放進(jìn)真空罩,通過(guò)推拉活塞改變抽氣筒和真空罩密閉空間的氣體壓強(qiáng)和體積,計(jì)算壓強(qiáng)和體積的乘積以及繪制相應(yīng)圖像,進(jìn)而驗(yàn)證了玻意耳定律，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線且實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，提高了實(shí)驗(yàn)的精度．

圖4 驗(yàn)證玻意耳定律實(shí)驗(yàn)

3.3 電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)

大多數(shù)的智能手機(jī)都包含磁力計(jì)(包含x,y,z軸)，可以記錄空間中磁場(chǎng)的分布情況[20]，利用傅里葉變換可計(jì)算其頻率．雖然電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)器材相對(duì)高昂，但是國(guó)內(nèi)外運(yùn)用Phyphox開(kāi)展電磁相關(guān)實(shí)驗(yàn)仍然較少．

圖5 探究法拉第電磁感應(yīng)定量實(shí)驗(yàn)

3.4 光學(xué)實(shí)驗(yàn)

Phyphox利用光傳感器設(shè)計(jì)了“光”的功能，可以記錄曝光情況．通常光傳感器的位置跟前置攝像頭或者麥克風(fēng)的位置很靠近，打開(kāi)“光”功能，用手遮擋手機(jī)的某個(gè)部位發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)數(shù)值發(fā)生明顯變化即可確定光傳感器的位置．

利用光傳感器可以開(kāi)展半定量和定量的光學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，例如，在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，文獻(xiàn)[33]利用液晶顯示屏與3D眼鏡作為光源、起偏和檢偏器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，再借助“光”功能檢測(cè)透過(guò)偏振眼鏡的光強(qiáng)度變化，驗(yàn)證了馬呂斯定律(圖6)．

圖6 利用液晶屏幕與3D眼鏡驗(yàn)證馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)

3.5 聲學(xué)實(shí)驗(yàn)

Phyphox軟件設(shè)計(jì)了專門(mén)的聲學(xué)模塊.“音頻發(fā)生器”可以產(chǎn)生特定的單一聲音頻率，用于探究多普勒效應(yīng)[34]、測(cè)量聲速[35]等實(shí)驗(yàn)．通過(guò)手機(jī)麥克風(fēng)收錄到的音頻信息，“聲音振幅”“聲音頻率”“歷史頻率”等功能可以記錄生源的聲壓級(jí)、頻率、周期和振幅，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以替代示波器呈現(xiàn)波形圖[5]、探究聲音的特性[35～37]．

文獻(xiàn)[36]利用“歷史頻率”功能探究空氣柱振動(dòng)的頻率特性，在細(xì)長(zhǎng)、均勻的圓周形透明容器中勻速注水，用“歷史頻率”記錄每個(gè)時(shí)刻接收到的聲音頻率，利用Phyphox軟件的數(shù)據(jù)分享功能導(dǎo)出數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin進(jìn)行處理分析，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)誤差較大，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析與修正．文中指出雖然測(cè)量誤差較大，但能夠訓(xùn)練學(xué)生的數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)發(fā)掘與提取的能力．

3.6 自定義實(shí)驗(yàn)

自定義實(shí)驗(yàn)有3種途徑：一是從二維碼添加實(shí)驗(yàn)，即先在官網(wǎng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)程序生成對(duì)應(yīng)二維碼，在Phyphox右下角掃描即可添加；二是通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備添加實(shí)驗(yàn)室，即將程序燒錄進(jìn)arduino或esp32中，打開(kāi)手機(jī)藍(lán)牙添加所創(chuàng)設(shè)的實(shí)驗(yàn)；三是新建實(shí)驗(yàn)，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需自行在手機(jī)Phyphox軟件中組合手機(jī)傳感器用于實(shí)驗(yàn)的測(cè)量．國(guó)外研究者們多是借助arduino擴(kuò)充智能手機(jī)傳感器的功能，事實(shí)上，esp32相比arduino的成本更低．

文獻(xiàn)[38]利用arduino設(shè)計(jì)了在教室就能測(cè)量太陽(yáng)能電池板功率的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)(圖7)，探究“多云天氣”“云擋在太陽(yáng)前”“照射角度”對(duì)太陽(yáng)能電池板功率的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳送到Phyphox軟件中，并以圖像的形式呈現(xiàn)功率的變化．

圖7 探究太陽(yáng)能板功率實(shí)驗(yàn)

4 思考與展望

隨著信息技術(shù)迅猛發(fā)展，信息技術(shù)對(duì)教育改革的影響也日益深化．Phyphox作為功能較為豐富的物理教育軟件之一，將成為輔助教師開(kāi)展物理教學(xué)的有效工具，可以與STEM教育、遠(yuǎn)程教育等教育模式有效整合．它支持自定義實(shí)驗(yàn)，有望成為低成本實(shí)驗(yàn)、提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度的重要技術(shù)突破口．但Phyphox軟件在物理教學(xué)上應(yīng)用研究也存在一些問(wèn)題，目前缺少教育性的實(shí)證研究，教育實(shí)效有待檢驗(yàn)；缺少與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效整合策略，教學(xué)價(jià)值有待進(jìn)一步挖掘；缺少自定義創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，受arduino編程技術(shù)門(mén)檻的阻礙；實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度不一，受手機(jī)自身傳感器靈敏性影響較大．