黃朝陽 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)

隨著科技發(fā)展，傳感器技術(shù)日趨成熟.傳感器可作為實驗工具，使得實驗采集數(shù)據(jù)更加便捷，但是傳感器設(shè)備造價不菲，而智能手機(jī)作為一種先進(jìn)的電子設(shè)備，內(nèi)部已裝有許多高精度的傳感器，可利用手機(jī)軟件如“Phyphox”方便快速地調(diào)取各手機(jī)傳感器對物理量進(jìn)行測量，如此，手機(jī)便可視為一個小小的傳感器實驗系統(tǒng)，輔助中學(xué)物理實驗及教學(xué).與此同時，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對學(xué)生了解和學(xué)習(xí)使用手機(jī)傳感器提出要求[1]，所以，對手機(jī)傳感器可以如何應(yīng)用于中學(xué)物理實驗及教學(xué)值得我們進(jìn)行深入研究.

1 手機(jī)傳感器應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)的發(fā)展歷程

1.1 萌芽階段(2005—2012年)

世界第一臺智能手機(jī)于1993年問世，那時，鮮有人關(guān)注其是否能應(yīng)用于教學(xué)[2].2005年，劉庭華最早利用智能手機(jī)進(jìn)行物理實驗，他將手機(jī)與真空罩、金屬網(wǎng)罩配合，演示了聲音無法在真空中傳播、電磁波能夠在真空中傳播以及電磁屏蔽現(xiàn)象[3].Hammond和Domelen于2007年分別發(fā)表論文，指出智能手機(jī)能夠拍攝出清晰的實驗圖像和演示光的偏振[4,5].2010年繆庚平提出可利用手機(jī)屏幕探測遙控器發(fā)出的紅外線[6].這一階段智能手機(jī)都是應(yīng)用于中學(xué)物理的定性小型實驗，且專門利用手機(jī)傳感器的實驗較少.

1.2 發(fā)展階段(2012年至今)

2012年，Vogt和Kuhn在ThePhysicsTeacher上發(fā)表了3篇關(guān)于將手機(jī)加速度傳感器應(yīng)用于定量研究自由落體、彈簧、單擺的論文[7～11]，此后，在該雜志創(chuàng)辦專欄征收關(guān)于智能設(shè)備應(yīng)用于物理教學(xué)的文章.這3篇文章的意義在于，從此，智能手機(jī)物理實驗從定性走向定量研究.

2013年起，英國皇家物理學(xué)會文獻(xiàn)庫(IOP)收錄的PhysicsEducation以及EuropeanJournalofPhysics等雜志上也陸續(xù)發(fā)表了關(guān)于手機(jī)傳感器應(yīng)用于中學(xué)物理實驗的文章.我國《物理教師》《物理教學(xué)探討》等雜志上也陸續(xù)刊載智能手機(jī)傳感器進(jìn)行中學(xué)物理教學(xué)的論文，其中大部分文章是研究如何利用手機(jī)傳感器定性或定量地進(jìn)行中學(xué)物理實驗，以應(yīng)用于教學(xué)，且文章來自各個國家，說明手機(jī)傳感器物理實驗正受到關(guān)注和重視，預(yù)測未來會有更多學(xué)者和教師投入相關(guān)研究.

2 手機(jī)傳感器在中學(xué)物理實驗中的應(yīng)用綜述

2.1 手機(jī)加速度傳感器在中學(xué)物理實驗中的應(yīng)用

文獻(xiàn)[12]研究了超重與失重現(xiàn)象，記錄了人下蹲起立過程中或是電梯上下運動過程中的加速度隨時間變化的圖像，并結(jié)合牛頓第二定律對超重與失重現(xiàn)象進(jìn)行解釋.

文獻(xiàn)[13]提出了測量斜面動摩擦因數(shù)的方法.

文獻(xiàn)[14]提出可利用手機(jī)加速度傳感器探究合外力做功與動能變化量的關(guān)系，其實驗原理為動能定理和牛頓第二定律.

文獻(xiàn)[15]設(shè)計了實驗驗證彈性碰撞和非彈性碰撞.

文獻(xiàn)[16]進(jìn)行了牛頓第二定律的研究.采取如圖1所示的實驗裝置進(jìn)行實驗，將手機(jī)固定在滑塊上，滑塊在繩子的拉力作用下向前加速運動，手機(jī)加速度傳感器記錄滑塊的加速度隨時間的變化情況，采用了理論計算法和圖像法兩種方法驗證牛頓第二定律.

圖1 用手機(jī)加速度傳感器驗證牛頓第二定律實驗裝置示意圖

2.2 手機(jī)磁傳感器在中學(xué)物理實驗中的應(yīng)用

許多學(xué)者提出利用手機(jī)磁傳感器可以測量磁傳感器所在處磁場的大小和方向，文獻(xiàn)[17]研究了小磁鐵周圍的磁感應(yīng)強度與場源距離的關(guān)系、通電導(dǎo)線周圍的磁場分布，文獻(xiàn)[18]測量了通電導(dǎo)線激發(fā)的磁場在3個坐標(biāo)軸方向上的大小,實驗裝置如圖2所示.

(a)

文獻(xiàn)[19]將手機(jī)磁傳感器應(yīng)用于測量單擺周期，并進(jìn)一步由單擺的周期推算出重力加速度的大小.

Pili用手機(jī)磁傳感器結(jié)合彈簧振子提出了一種測量彈簧勁度系數(shù)的方法.

文獻(xiàn)[20]利用手機(jī)結(jié)合電腦定量驗證了法拉第電磁感應(yīng)定律.在教學(xué)時，該定律的實驗常常難以做到定量探究，而Soares的實驗很好地解決了這一難題.

2.3 手機(jī)光傳感器在中學(xué)物理實驗中的應(yīng)用

文獻(xiàn)[21]提出了一種利用手機(jī)光傳感器測量物體運動速度的方法.

文獻(xiàn)[22]研究了磁場對單擺周期的影響.如圖3所示，單擺在激光光源和智能手機(jī)之間做周期性擺動時，手機(jī)光傳感器記錄的光強也呈周期性變化，處理光強隨時間變化的圖像可以得出單擺擺動的周期.移動磁鐵的位置，記錄實驗數(shù)據(jù)，做出周期與磁鐵到擺球最低點的水平距離的擬合圖像，分析圖像可知在受磁場作用下的單擺運動的特點.

圖3 利用手機(jī)光傳感器研究磁場對單擺周期的影響實驗裝置圖

文獻(xiàn)[23]提出可以利用手機(jī)光傳感器觀察光的波動性.

文獻(xiàn)[24]和文獻(xiàn)[17]利用手機(jī)光傳感器研究發(fā)光強度與光源距離的關(guān)系或驗證點光源光照強度與距離的平方成反比關(guān)系.

2.4 手機(jī)聲音傳感器在中學(xué)物理實驗中的應(yīng)用

文獻(xiàn)[25]提出可以利用各種手機(jī)軟件觀察由聲音傳感器收集到的聲音波形.文獻(xiàn)[26]提出可以使用phyphox軟件里的“聲學(xué)秒表”功能測量聲速.

文獻(xiàn)[27]將手機(jī)聲音傳感器應(yīng)用于聲音多普勒效應(yīng)的研究.用手機(jī)聲音傳感器數(shù)顯記錄聲源頻率，讓另一可以發(fā)出固定頻率的聲源與手機(jī)發(fā)生相對運動，手機(jī)聲音傳感器接收到的聲音頻率與聲源頻率相比發(fā)生變化，從而定性探究了多普勒效應(yīng)，如圖4所示.

圖4 利用手機(jī)聲音傳感器研究多普勒效應(yīng)實驗效果圖

2.5 手機(jī)氣壓傳感器在中學(xué)物理實驗中的應(yīng)用

文獻(xiàn)[28]提出，根據(jù)手機(jī)氣壓傳感器，可以顯示手機(jī)處海拔高度.

文獻(xiàn)[29]提出，可利用手機(jī)氣壓傳感器探究水的沸點與氣壓的關(guān)系.

文獻(xiàn)[30]利用手機(jī)氣壓傳感器測量氣壓驗證了波義耳定律.

3 手機(jī)傳感器融入中學(xué)物理教學(xué)中的實證綜述

文獻(xiàn)[31]利用手機(jī)加速度傳感器和聲音傳感器分別設(shè)計了“超重與失重”和“多普勒效應(yīng)”教學(xué)設(shè)計，并進(jìn)行了實證教學(xué).對智能手機(jī)支持下高中學(xué)生物理學(xué)習(xí)效果進(jìn)行了問卷調(diào)查，檢測了學(xué)生在學(xué)習(xí)動機(jī)、學(xué)習(xí)實效、實踐操作、資源整合和利用方面的效果，檢測結(jié)果表明學(xué)生在以上4個方面都有一定程度的提高.

文獻(xiàn)[11]以“智能手機(jī)助力演示實驗”為專題，設(shè)計并開展了“通過自由落體運動測重力加速度”“超重與失重”兩堂課，并且分成實驗組和對照組，實驗組采用手機(jī)傳感器輔助實驗，而對照組以傳統(tǒng)課堂的形式進(jìn)行.

文獻(xiàn)[32]基于手機(jī)加速度傳感器和壓力傳感器分別設(shè)計了“牛頓第二定律中的瞬時性問題”和“楞次定律”教學(xué)設(shè)計.

疫情以來，線上教育火熱起來，文獻(xiàn)[33]以“測量重力加速度”為例提出了如何布置以手機(jī)傳感器為工具進(jìn)行的線上實驗探究任務(wù)，文獻(xiàn)[34]也是在疫情之下線上教育火爆的背景下，提出了基于手機(jī)傳感器的中學(xué)物理實驗混合教學(xué)模式.

4 關(guān)于手機(jī)傳感器在中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用有關(guān)的測評工具綜述

文獻(xiàn)[35]研究了使用智能手機(jī)在物理教育中作為實驗工具對學(xué)生興趣、好奇心和學(xué)習(xí)的影響.文獻(xiàn)[11]結(jié)合Hochberg和Jochen Kuhn的研究，按照李克特5級量表形式設(shè)計，對實驗組和對照組進(jìn)行學(xué)習(xí)成績、動機(jī)、興趣、好奇心方面的效果檢測，以檢測智能手機(jī)參與的演示實驗的教學(xué)效果.

文獻(xiàn)[31]在建構(gòu)主義和信息加工學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，按照李克特5級量表形式設(shè)計，編制了“高中學(xué)生應(yīng)用智能手機(jī)學(xué)習(xí)的效果調(diào)查問卷”，通過對問卷結(jié)果進(jìn)行SPSS統(tǒng)計分析，尋找出高中學(xué)生應(yīng)用智能手機(jī)在物理學(xué)習(xí)方面存在哪些問題及問題形成的原因.

5 手機(jī)傳感器應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)的優(yōu)缺點

5.1 手機(jī)傳感器應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)的優(yōu)點和意義

當(dāng)今智能手機(jī)普及度高，教師和學(xué)生均易進(jìn)行有關(guān)實驗；在實驗方面，傳感器實驗相較傳統(tǒng)實驗準(zhǔn)確度和效率大大提升，實驗方法更加多樣；在融入教學(xué)方面，將智能手機(jī)恰切地融入教學(xué)中，可提升教學(xué)效果；在學(xué)生學(xué)習(xí)方面，智能手機(jī)傳感器的使用可提高學(xué)生的信息素養(yǎng)、實驗?zāi)芰σ约昂闷嫘呐c求知欲.

5.2 手機(jī)傳感器應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)的不足和局限

應(yīng)用手機(jī)傳感器改進(jìn)實驗具有局限性，如手機(jī)能參與的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)實驗非常有限；再如，因為手機(jī)本身有一定的形狀和大小，所以若要求測定較小范圍內(nèi)的物理量，手機(jī)難以做到，或會引入較大誤差；另外，手機(jī)對于學(xué)生會產(chǎn)生較大吸引力，學(xué)生在使用手機(jī)完成實驗的過程中難免會分心，需要教師進(jìn)行有效的引導(dǎo).

6 總結(jié)

智能手機(jī)傳感器應(yīng)用于中學(xué)物理實驗的研究有許多，通過這些實驗，學(xué)生對手機(jī)傳感器認(rèn)識會更加充分，實驗?zāi)芰δ軌虻玫揭欢ǔ潭鹊奶岣?比起實驗，國內(nèi)外關(guān)于手機(jī)傳感器應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)的實證研究例子卻很少，所以目前較少學(xué)者提出關(guān)于手機(jī)傳感器輔助中學(xué)物理教學(xué)的教學(xué)模式.在實證研究有限的情況下，關(guān)于使用手機(jī)傳感器結(jié)合教學(xué)之后對教學(xué)效果的測評工具的研究則更少，目前關(guān)于結(jié)合手機(jī)傳感器教學(xué)之后的教學(xué)效果的論述多是基于感性經(jīng)驗和認(rèn)識，而非由測評量表得出，這也有待深入研究.