朱新梅,李鑫鵬,孫玉玲

（揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州 225009）

2017年新修訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》要求發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，要重點培養(yǎng)學(xué)生的“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”，從而使學(xué)生在面對各種未知情境時，能夠綜合運用學(xué)科知識和技能解決問題[1]。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)(DIS)是指基于傳感器技術(shù)的實驗平臺，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)成的實驗系統(tǒng)。由于專業(yè)傳感器設(shè)備造價昂貴，數(shù)字化實驗始終難以得到大范圍推廣。近年來，攜帶多種傳感器的智能手機作為數(shù)字化實驗的新載體，具有方便攜帶、測量準(zhǔn)確、普及率高等優(yōu)點。將物理實驗與智能手機的各種數(shù)字化實驗應(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)字化實驗研究的熱點[2]。

Phyphox是一個基于智能手機的App，它可以調(diào)用手機已有的各類傳感器采集數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)和結(jié)果圖表導(dǎo)出，供進一步分析。Phyphox傳感器可以探究的實驗內(nèi)容有如下類型：利用壓電效應(yīng)的加速度傳感器，可以用于測量單擺、自由落體、彈簧振子的運動加速度；利用壓電效應(yīng)的陀螺儀傳感器，可以用于測量角加速度和角速度的關(guān)系、驗證向心力大小的相關(guān)因素；利用聲敏元件的聲音傳感器，可以用于測量聲速、多普勒效應(yīng)、彈性碰撞的能量損失重力加速度等；利用磁阻傳感器，可以測量磁場分布，其他還有光傳感器等[3-5]。本文借助聲音傳感器設(shè)計“彈性球的非完全彈性碰撞”實驗，借助陀螺儀傳感器設(shè)計“向心加速度與角速度的關(guān)系”實驗，借助磁阻傳感器和陀螺儀傳感器測量地磁場的大小和方向。結(jié)合每個相關(guān)實驗案例討論如何利用數(shù)字化實驗方案提升高中生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、數(shù)字化實驗案例

（一）彈性球的非完全彈性碰撞

彈性小球自由下落撞擊地面，發(fā)生非完全彈性碰撞，由于在碰撞過程中能量消耗，小球雖然不斷被彈離地面，但是小球的能量慢慢變?yōu)榱?，最終不再彈起。如果保持小球在彈跳過程中盡量處于豎直方向，與水平面垂直，那么小球每一次彈起又落下的過程可以等效為一次豎直上拋運動。由于豎直上拋運動具有對稱性，從地面升到最高點和從最高點落回地面的時間是一樣的，可以把豎直上拋運動的下落過程等效為自由落體運動。

實驗結(jié)果如圖1所示，每次乒乓球碰撞后反彈高度均不一樣，并且伴隨能量的損失。如果忽略空氣阻力，那么乒乓球每次反彈后機械能守恒，根據(jù)高中物理必修二機械能守恒定律的相關(guān)結(jié)論進行數(shù)據(jù)分析：把乒乓球和地球看成一個系統(tǒng)，在乒乓球下落的過程中，將乒乓球的重力勢能轉(zhuǎn)化為乒乓球的動能；乒乓球撞擊地面形變恢復(fù)過程中，彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能，但是由于是非完全彈性碰撞，所以碰撞過程伴隨機械能的損耗，機械能部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。在乒乓球上升過程中，動能轉(zhuǎn)化為重力勢能。由能量損失可以得出，小球在反彈過程中，彈性勢能并非全部化為動能，其中損失的能量部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。但是在理想情況下，可以發(fā)現(xiàn)每次碰撞后和碰撞前的能量之比近似相等，這是一個非常有意思的結(jié)論，這個比值就是大學(xué)物理中將要學(xué)到的一般物體對心碰撞的恢復(fù)系數(shù)。

圖1 彈性球非完全性碰撞

由于碰撞過程非常短暫，傳統(tǒng)實驗方法不容易進行觀察和測量，而采用智能手機自帶的加速度傳感器可以讓學(xué)生直觀地看到碰撞過程能量的變化，加強學(xué)生對碰撞過程中運動與相互作用、動量和能量的物理觀念深度理解。對碰撞和反彈過程的分析可以巧妙地引導(dǎo)學(xué)生進行模型建構(gòu)，學(xué)生經(jīng)歷由生活中的碰撞現(xiàn)象構(gòu)建質(zhì)點碰撞模型的抽象概括過程，極大鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維。實驗前的課程教師需要指導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)豎直上拋運動和能量的轉(zhuǎn)化與機械能守恒定律，提出物理問題，形成猜想與假設(shè)，設(shè)計實驗與制定方案，最終基于Phyphox實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論，并結(jié)合機械能守恒定律作解釋，有效培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力。本實驗在幫助學(xué)生認(rèn)識非完全彈性碰撞科學(xué)本質(zhì)的基礎(chǔ)上，加深對生活中各種各樣碰撞現(xiàn)象的認(rèn)識，知道碰撞的相關(guān)應(yīng)用與危害，學(xué)生逐漸形成探索自然的內(nèi)在動力，形成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

（二）向心加速度與角速度的關(guān)系

在傳統(tǒng)圓周運動教學(xué)中，很難直接測量角速度和向心加速度，但是利用智能手機內(nèi)置的陀螺儀傳感器和加速度傳感器，Phyphox可以測量x，y，z軸的角速度和向心加速度，并且可以探究角速度和角加速度之間的數(shù)量關(guān)系是否滿足a=ω2r。

將手機放在可以旋轉(zhuǎn)的支架上面并將手機固定，打開“向心加速度功能”，轉(zhuǎn)動固定手機的支架部分，將向心角速度的實驗測量數(shù)據(jù)導(dǎo)出至excel，然后繪制向心加速度與角速度平方的關(guān)系曲線如圖2所示，曲線擬合之后我們不難得出向心加速度與角速度的平方是呈線性關(guān)系的，由此即可驗證a=ω2r的關(guān)系式。

圖2 向心加速度與角速度平方關(guān)系

該實驗通過圓周運動過程中向心加速度和速度的實驗數(shù)據(jù)，采用數(shù)形結(jié)合的方法，分析歸納總結(jié)得到圓周運動過程中向心加速度和角速度的平方滿足正比例關(guān)系，并且比例系數(shù)就是圓周運動的半徑，可以幫助學(xué)生在理論推導(dǎo)圓周運動的加速度運動學(xué)公式方面提供感性直觀認(rèn)識，加深學(xué)生對圓周運動作為一種特殊曲線運動的理解，幫助學(xué)生形成更深層次的運動觀。根據(jù)手機繞軸的轉(zhuǎn)動構(gòu)建圓周運動模型，由導(dǎo)出數(shù)據(jù)的處理結(jié)果推導(dǎo)向心加速度和角速度的關(guān)系，可以提高學(xué)生模型建構(gòu)、分析綜合和推理論證等科學(xué)思維能力。實驗前指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識圓周運動的特點和描述圓周運動的物理量，提出向心加速度與角速度滿足什么關(guān)系的物理問題，引導(dǎo)學(xué)生形成猜想與假設(shè)，然后設(shè)計相關(guān)實驗方案，最終基于數(shù)據(jù)分析和結(jié)果得出結(jié)論并作解釋，學(xué)生對過程和結(jié)果進行交流反思，可以很好地訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)探究的能力。該實驗可以幫助學(xué)生對圓周運動過程中加速度產(chǎn)生的運動學(xué)和動力學(xué)描述，聯(lián)系生活中圓周運動規(guī)律的應(yīng)用，如行駛的車在較光滑地面拐彎時，車速太快容易打滑，因為速度快則向心加速度就快，導(dǎo)致所需要的向心力就比較大，如果地面的摩擦力不足以提供運動所需的向心力，則車輪就會做離心運動，發(fā)生打滑，釀成交通事故。借助該數(shù)字化實驗可以促使學(xué)生更好理解關(guān)注生活現(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。

（三）地磁場的測量

高中物理教學(xué)需要創(chuàng)設(shè)情境吸引學(xué)生的注意力，如在磁場的教學(xué)中可以設(shè)置這樣的問題情境：“飛機在我國上空勻速飛行，機翼保持水平，由于地磁場的作用，如何判斷金屬機翼上電勢差的高低?”這個問題要求學(xué)生必須了解地磁場的特點。雖然學(xué)生通過指南針和“信鴿通信”等相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)對地磁場有初步認(rèn)識，但是Phyphox利用磁阻傳感器的磁力計模塊可以直觀地測量地磁場沿手機平面和垂直手機平面的磁場分布。如圖3所示，磁力計可以測得磁場在x、y、z三個方向的磁場大小，垂直手機平面方向為z軸，沿手機短邊和長邊方向分別為x軸和y軸。當(dāng)手機傾角選取合適位置的時候，磁力計顯示x和z軸的磁感強度近似為零，表示此時地磁場沿手機長邊方向，借助陀螺儀傳感器的斜面功能可以顯示在北半球地磁場方向與水平面之間的夾角約為-48.01°，由此測量結(jié)果可以直觀看出北半球地磁場是斜向下的，借助該實驗結(jié)果不僅可以幫助學(xué)生進一步理解地磁場的分布，強化學(xué)生對地磁場強弱和方向的直觀認(rèn)識，加深學(xué)生對地磁場與地理空間關(guān)系的認(rèn)識，發(fā)展學(xué)生的空間想象能力。而且該數(shù)字化實驗可以很好地培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識和科學(xué)探究能力，提升學(xué)生的科學(xué)思維，很好地踐行“實驗為基礎(chǔ)，思維為中心”的教學(xué)理念，引導(dǎo)學(xué)生通過實驗去搜集更準(zhǔn)確、更豐富、更高效的信息[6]。另外還可以將手機在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，測量地磁場水平分量的大小和方向，如圖4所示，學(xué)生通過親自測量可以總結(jié)，某一位置的地磁場水平分量的大小和方向是恒定的，不會隨著手機在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化，學(xué)生通過學(xué)習(xí)將地磁場水平分量沿手機短邊和長邊兩個正交方向分解的方法，進一步強化物理學(xué)中矢量分解與合成的方法，學(xué)生學(xué)以致用，發(fā)展學(xué)生思維的靈活性和深刻性。

圖3 測量磁場大小

圖4 測量磁場水平分量

二、素養(yǎng)反思

通過上述三個數(shù)字化實驗案例的設(shè)計可以看出，首先數(shù)字化實驗可以有效創(chuàng)設(shè)物理情境，如案例一借助Phyphox（非）彈性碰撞的測量界面可以讓學(xué)生直接定量測量彈性球與桌面碰撞過程中的能量變化情況，有助于學(xué)生深度理解碰撞的物理規(guī)律，促進學(xué)生運動與相互作用觀念和能量觀念的發(fā)展。其次借助智能手機可以快捷高效地搭建實驗平臺，學(xué)生參與實驗探究過程，結(jié)合自主實驗與觀察演示實驗，培養(yǎng)學(xué)生在現(xiàn)實生活中有意識地提出物理問題、主動探索科學(xué)問題和尋找證據(jù)進行解釋并給出結(jié)論，從而提升學(xué)生的科學(xué)探究能力和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，如案例二借助手機旋轉(zhuǎn)的可視化圖像和相關(guān)導(dǎo)出數(shù)據(jù)進一步分析，可以幫助學(xué)生將手機繞軸轉(zhuǎn)動實際問題轉(zhuǎn)化成手機質(zhì)心繞固定點的圓周運動的物理模型，有效提升學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力、對問題的分析綜合和推理論證能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。案例三通過學(xué)生測量地磁場的大小和方向分布特點，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，也可以激發(fā)學(xué)生對磁力計如何利用磁場和磁阻材料的相互作用測量磁場分布的好奇心，促進學(xué)生深度思考。最后數(shù)字化實驗可以很好地踐行“做中學(xué)”的教育理念，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，如案例二通過定量演示手機繞軸的轉(zhuǎn)速改變對加速度和向心力的影響，學(xué)生深刻理解交通工具快速拐彎容易打滑的物理本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

三、結(jié)束語

在智能手機普及的現(xiàn)代生活中，教師可以在高中物理教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生借助智能手機來開展數(shù)字化實驗，這不僅可以踐行新課標(biāo)中“積極探索信息技術(shù)與物理教學(xué)的深度融合”的建議，而且對于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)觀都大有裨益。