智能手机在电学实验中的应用

寇虹

摘 要：随着智能手机日益强大的操作系统，手机中的开发软件越来越功能化，选择其中合适的功能和开发软件作为教学资源为教学服务，既能提高课堂效率，又能体现出与时俱进的教学理念.本文尝试运用智能手机中软硬件的优势，以人教版初中物理教材九年级上册第十八章第三节“测量小灯泡的电功率”为例来说明智能手机中的APP在物理教学中的具体应用.

关键词：测量小灯泡的电功率;智能手机;物理教学

文章编号：1008-4134（2020）06-0061    中图分类号：G633.7    文献标识码：B

1 概述

“测量小灯泡的电功率”是初中电学部分的重要知识，以人教版教材为例，如图 1所示，该节作为学生实验，要求学生自行设计电路图进行实验，能利用滑动变阻器控制电路，分别记录小灯泡在不同亮暗下实际功率的大小，再与额定功率进行比较，得出结论.就传统课堂的学生实验教学而言，电学实验存在一个很大的隐患.即安全问题.由于初二学生电学知识薄弱，实验经验较少，在改变小灯泡两端的电压超过了其额定电压时，极易烧坏小灯泡，甚至烧毁电路，从而增加了实验的危险性.因此，让学生学会“规范操作”“安全用电”是本节课堂教学的重点.为此，本文将智能手机运用到课堂上，尝试运用手机中软硬件的优势解决传统实验中的问题.让学生深切地体会到物理与现代的科技生活存在紧密联系，达到从物理走向生活这一课程理念，也能在一定程度上提高学生的学习积极性.   2 智能手机模拟实验较实物实验的优势

随着近几十年社会科学的进步和发展，智能手机在各个领域得到了迅速的普及和运用，其功能也得到了丰富的扩展.一般来说，智能手机均配备了力、热、声、电以及磁等多种传感器，并且可以免费下载各式各样的测量工具软件，可以通过这些工具软件测量多种物理量，如长度、时间、加速度、角度、坡度、高度、距离、面积、压力、声强、频率以及磁感应强度等，这为学生开展课外自主型的物理实验提供了极大的方便.所以引入智能手机辅助教学不仅能使教学者更加方便灵活地组织课堂教学，也能提高学习者的积极性和针对性.

2.1 实验精确度方面

现阶段，一般的中学物理实验室中的实验器材都比较陈旧老化，历届学生不熟练规范的操作也给实验器材造成了一定的损坏，导致许多器材在实验前本身就不准确，在这样条件下进行的实验就会出现远远超出预想的实验误差.但手机软件中的模拟仿真器材都是理想元件，可以在使用前进行修复调零，比如像电流表、电压表、电源等仪表，都是理想元件，读数精准度也极高，都可以通过数字显示直接读出.以此达到现实实验中不能达到的理想条件.

2.2 电学实验操作规范性方面

传统课堂中，“测量小灯泡的电功率”一节是作为学生实验，在此之前，初中学生对电学部分的知识认识较浅，并没有形成系统的理论基础，也没有养成良好的实验操作习惯，很难避免接错电路，烧毁用电器等情况出现，更有甚者会给实验室带来安全隐患的问题，因此采用手机APP模拟仿真实验好处就在于：（1）绝对安全，不会引发安全事故;（2）可以重来，让学生有多次试错的机会;（3）帮助学生养成安全用电意识和良好的操作习惯;（4）可以促进学生节能环保意识的养成;（5）操作方便灵活，学生在完成实验后还可根据其它方案连接电路，尝试多种方式的电路连接以培养学生的发散思维能力.在此基础之上，再进入实验室实验，会大大降低学生连接实际电路的错误率，结合对比两种不同情景下的实验结果，学生可以自行进行误差分析，更好地理解理想条件与实际情况的差距与利弊关系.

2.3 其它方面

（1）虚拟仿真实验无限接近实物，却又比实物的性能好，可以达到实物无法达到的理想条件.

（2）较传统实验虚拟仿真实验的可视性更高，可通过手机与电脑投屏实时反映任一学生实际实驗情况.

（3）智能手机的运用简单，学生易操作，以此可以激起学生学习动手兴趣.

（4）将智能手机及其相关软件合理运用于课前课后教学、实验课练习以及其他教学管理等教学环节，可以极大地提高教学质量和教学效率.

3 软件介绍

本堂课教学使用的辅助手机软件有“物理电学实验”与“Total Control”，其中“物理电学实验”用来模拟电学实验，“Total Control”这一软件用来将学生的实验操作过程同步直观投影在多媒体上.

3.1 “物理实验课”与“Total Control”的下载途径

途径一：在手机应用商店搜索“物理实验课”与“Total Control”两款软件直接下载.

途径二：扫描图 2二维码下载“应用宝”，再在应用宝中搜索“物理实验课”与“Total Control”， 简称“TC”，按步骤下载安装即可.   3.2 “物理实验课”与“ Total Control”的基本使用

“物理实验课”的工作界面如图3（a）所示，点击“电学”实验模式进入图3（b）界面，根据所需在右下方“+”工具栏中选择合适器材，拖动到上方界面即可对其进行自由组装连接电路.

手机与电脑需安装相同版本的“ Total Control”才能投影，它是课堂展示的关键，可以将多部手机屏幕同时投影到电脑上.初次连接先按图4的四步操作步骤进行有线连接将手机屏幕同步投影到电脑.之后就可以实现用同一无线网络进行无线连接，并且可以多台设备同时投影到同一屏幕.图5为电脑与手机连接成功后的界面，在手机上连接电路的实验操作步骤将会同步在电脑上呈现.

4 基于智能手机运用的教学过程

“测量小灯泡的电功率”是初中电学部分的重要知识.以人民教育出版社初中物理教材为例，本节被编排在九年级上册第十八章第三节，其内容建立在“电能 电功”“电功率”等内容的基础上，在此之前，学生初步接触过“电阻的测量”这一电学实验，所以“测量小灯泡的电功率”这一节是他们对电学实验部分更深入的学习与了解，同时也为下一章节“生活用电”的学习做铺垫.

学生学习的重点是学会设计电学实验去测量小灯泡的电功率，理解实际功率和额定功率的概念及意义.而教学难点也就在于实验方案的设计、电路图的设计与实物图的连接以及电流表、电压表和滑动变阻器的正确使用.本节课通过情景引入激发学生学习兴趣;通过实验培养学生实事求是、尊重客观规律的科学态度;利用虚拟手机实验给学生提供更大的发挥空间，使学生认识到安全用电的重要性;并在反思阶段传递给学生节能环保的观念.

4.1 创设问题情景引入

询问学生是否观察过家中房间里的灯泡有时亮有时暗的情景.

（手机连接电脑在多媒体上）教师演示：手机上移动滑动变阻器，学生观察小灯泡忽暗忽亮现象如图6所示，教师提问：小灯泡在不同的亮暗程度时所消耗的电功率将会发生怎样的变化？

（从实际生活情境出发，并从情境中提出问题，激起学生的学习兴趣）.

4.2 新课展开

4.2.1 给出额定功率与额定电压概念

利用图6小灯泡，上面标识了一个“3.0V 0.85W”的字样.

教师提问：“3.0V 0.85W”代表什么含义？

引导学生回答“额定电压”“额定功率”，也就是小灯泡正常工作时的电压与电功率;即小灯泡正常工作时加在其两端的电压为额定电压，在额定电压下工作所消耗的功率称为额定功率.

教师提问：那大家想一想若小灯泡不是在额定电压下工作，即在灯泡亮暗程度不同时，它所消耗的是什么功率呢？这个功率有多大？

（从实验现象入手，环环相扣，使学生一步一步进入到教学情境中）

4.2.2 实验探究小灯泡在不同亮暗程度时实际功率的变化情况

教师提问：既要测量小灯泡的电功率，那计算电功率的方法有哪些呢？

帮助学生回忆：计算电功率的方法有P=Wt、P=UI两种.

确定实验原理为P=UI，再根据所需测量的物理量——电压、电流，将其测量对应到相应的实验仪器电压表、电流表，从而得到实验大体框架，再选定实验方案.

教师提问：由于探究的是小灯泡在不同亮暗程度时实际功率的变化情况，那在实验中怎样才能改变小灯泡的亮暗程度？

引导学生回答：利用滑动变阻器分压改变小灯泡的亮暗程度.

（从问题引发思考，一步一步引导学生解决问题）

（1）测量要求.

为全面看清小灯泡电功率的变化情况，要求测量以下三种情况下小灯泡的实际功率：U实U额;见表1.

（2）学生小组内相互讨论.

根据提供器材先设计实验电路图，在小组讨论中思考如下问题：

a.要是小灯泡两端电压达到额定电压并超过额定电压需要几节干电池串联作为电源？

b.怎样去连接电路图来改变小灯泡两端的电压？

（以这种合作学习的方式突破难点，并激起学生自主实验热情，通过这种科学探究过程，使学生养成实事求是的科学素养）.

（3）学生小组总结.

该实验所需实验器材需要哪些？如图 7所示：

（4）拟定实验方案.

根据小组商讨方案画出电路图（并通过手机APP实际操作去动手连接电路）实验原理如图8所示，只需要用手调节滑动变阻器到适当位置读出所需三个要求的数值即可.

（教师巡视辅助指导学生进行实验，选择几个典型小组利用手机投影在教室投影仪上同步进行.可能会有其他同学在这个过程中观察其他小组实验操作并发现问题）

（5）学生小组总结实验结论.

不同电压下小灯泡的实际功率不同，电压越大，实际功率越大;灯泡的亮度由实际功率决定，实际功率越大，小灯泡越亮.

（6）交流讨论环节.

交流讨论环节①.

教师提问：在刚才的实验探究过程中你们是否遇到过什么问题？或者你们在实验中有没有尝试其他新的方法？（可在环节二连线展示）

学生：灯泡亮暗变化不明显/烧坏了小灯泡/烧坏了电表……/我们小组利用学生电源去代替干电池/我们小组用的不同规格的小灯泡……

交流讨论环节②.

教师选取某几组同学现场手机连线电脑再重新进行一次实验，其他小组学生则扮演教师角色来记录实验操作中的不当之处并尝试在讨论环节讲出改进方法.

学生：连接电路时开关未断开/闭合开关前滑动变阻器没有置于最大阻值处/使用的学生电源量程太大所以烧坏了小灯泡……

交流讨论环节③.

教师提问：针对我们实验中出现的各种问题，同学们对此有何体会与想法？

（学生自由发表感想，暢所欲言.从物理课堂走向情感升华）.

（7）教师评价与总结.

教师先对学生具体问题进行讨论解惑，再针对实验中烧坏小灯泡的情况做重点强调：小灯泡被烧坏的原因可能是由于加在其两端的电压远远超过其额定电压导致，还可能是小灯泡长时间超额工作导致，这是在我们手机上进行模拟实验，烧坏的小灯泡还可以被修复，但要是我们实际生活中用电器的操作不当呢？带来的可就不仅仅是小灯泡被烧坏的问题，而是更有可能威胁到自己与他人的生命安全，所以大家以后无论是在实验室的实验操作还是平时的日常生活中都一定要注意用电器铭牌上所标识的额定值，万万不可忽视它们的作用.

4.3 课堂小结

利用板书回顾整节课知识点，做好知识梳理，并结合前面所学电学知识帮助学生对电学实验形成一个较为完善知识体系.

本节课通过生活现象引入，使用手机软件再现情景视频使学生发现变化规律;从而引导学生设计实验并根据设计实验进行实验.学生会利用电流表和电压表测量了小灯泡的电功率由此认识家用电器铭牌的重要性;理解了额定功率与实际功率的区别与联系;还进一步掌握了实验设计与实验操作的技能.

通过手机模拟的实验课程，不损坏一样器件，就可以给学生在以后的实验操作以及生活用电中提供警示作用，基于此环节进行不仅可以培养学生发现问题、分析问题、解决问题以及反思总结问题的能力，还能落实科学态度与责任这一目标的达成.由此实验过程，强调用电器铭牌的重要性，充分发挥物理实验在教学中的重要作用.也能体现总结反思的重要性，是从物理走向生活的体现.

4.4 对教学设计的总结反思

从教师方面来讲，背离常规模式，采用另辟蹊径的教学方式，可以彰显教师自身专业的发展，对课内课外相关知识的系统掌握，以及对现代技术的灵活运用能力.

从学生方面来讲，既能激发学生学习兴趣，也以此向学生传达手机也是一个很好的学习载体，我们应该如何合理运用.

从教学效果来讲，手机“APP”模拟实验现象明显，便于观察，不仅能帮助学生更加轻松地掌握本节知识，还避开了实物教具易损坏、误差大等弊端.

智能手机在中学物理教学中的应用，不但可以解决资源共享，扩展学生知识面，还可以促进学生利用手中的手机资源记录生活中的物理现象.达到和学生、教师相互交流的目的.同时，使用虚拟技术和传感器检测技术相结合的方法，充分利用虚拟技術的预设目的性和传感器检测的真实性特点，给予学生多元化的感受，使学生的物理知识得到巩固.

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（收稿日期：2019-11-04）