智能手机在物理教学中应用研究现状及展望

李 捷 张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 516000)

随着科学技术的发展和基础教育课程的深化改革，以智能手机和个人电脑为核心的信息技术越来越多的进入到物理学科课堂的教学实践中，因智能手机内部搭载有多种传感器和本身拥有搜集信息、传递信息、编码信息的功能，体现出了便携方便、普及率高、测量数据准确、功能广泛的特点[1]，使得智能手机无论是在物理实验方面，还是教育技术应用方面都倍受现代教师群体的青睐.目前，国内外利用智能手机进行实验研究和教育技术研究正在蓬勃发展，具有良好的研究前景，本文拟对该领域近几年的国内外研究现状进行梳理和探讨.

1 智能手机在物理教学中应用研究的起始与发展

依据国内可找到的文献，其大致成逐年递增的状态，再结合国外的研究成果，智能手机在物理教学中应用大致可分为如下几个阶段.

1.1 萌芽期(2005—2008年)

自1993年世界上第一部智能手机出现后，它强大的功能吸引无数人对其进行研究.但大多数的研究者都集中于手机本身的技术开发上，很少有关于教学方面的研究.一直到2005年刘庭华把智能手机聚焦到物理实验教学领域中，最早利用智能手机来做实验，演示了声音的产生条件、电磁波能在真空中传播和静电屏蔽[2].Hammond 和Domelen也分别于2007年利用智能手机拍摄出清晰的实验图像和演示光的偏振现象[3,4].时隔一年，我国的教学研究者冷水英首次将智能手机应用到教育技术上，展示了以智能手机为载体的教育信息技术.其主要内容是利用智能手机采集生活中的物理图像；制作教学视频；提供收集资料的快速方法[5].

在这一阶段中，智能手机只是作为一个新型仪器引入到课堂教学，相关研究很少，同时也只利用了智能手机的一些基本功能.

1.2 起步期(2008—2014年)

基于上个阶段的研究成果，国内外关于智能手机在教学中的相关研究未艾方兴，在物理实验研究层面，我国学者不仅利用智能手机的内置功能演示多种物理现象而且能尝试利用手机里搭载的传感器进行实验教学.与此同时，德国学者Vogt和Kuhn，于2012年发表首次利用智能手机里的加速度传感器定量研究自由落体、弹簧、单摆的论文，此后他们在美国物理教师协会下的《The Physics Teacher》创办专栏，征收大量有关将智能设备应用到物理教学中的文章[6～9].除《The Physics Teacher》外，英国皇家物理学会文献库(IOP)收录的《Physics Education》和《European Journal of Physics》自2013年起发表有关智能手机进行物理教学的文章.

在物理教育技术应用研究层面，毕海涛(2011)首次将“移动学习”引入课堂，可利用智能手机及时在课堂上反映学生的表现，也可利用智能手机里的软件与学生互动，实现师生沟通的无缝对接[10].程桂鹏(2012)、张丹彤(2014)各自在两人的文章中提出利用手机拍照、录屏功能在课堂上分享生活中的物理现象；利用相关软件构件虚拟化实验室；通过手机内传感器和外扩传感器测量数据，以及设置权限，禁止学生玩手机等方法和建议[11,12].

1.3 发展期(2014年至今)

从2014到2019年12月，本文搜索到国内外有关智能手机的研究论文100多篇，其中大部分的文章是利用智能手机定性定量分析物理现象.小部分文章是研究智能手机在教学中的教育技术应用，但从作者分布情况来看，其文章来源于世界上多个国家，说明有关智能手机在物理教学中的应用正在受到人们的重视，相信在未来此研究领域会硕果累累.

2 智能手机在物理实验中的应用

智能手机在物理中的实验研究范围广阔，其主要是通过安卓或iPhone手机上拍照、录屏、慢动作回放功能以及手机上搭载的传感器来进行实验，近几年来已涵盖了力学、电磁学、声学、光学、热学等多个领域，本文根据所查阅的相关文献，对上述5个分类进行整理.

2.1 力学实验

2.1.1 验证性实验

此类实验巧妙利用了智能手机的内置功能和搭载的传感器测量角速度、加速度等物理量，演示或者证明物理学中的定理或定律.帮助学习者理解具体相关的物理知识.

如Asif Shakur和Jakob Kraft(2016)同时使用了智能手机的三轴陀螺仪测量角速度和加速度计的输出功能，测速仪测量智能手机在旋转轨道平坦部分滑动时所经历的加速度(如图1所示).科里奥利加速度可利用公式计算

图1 验证科里奥利加速度实验

发现计算结果与理论值吻合较好，定量验证科里奥利加速度对旋转轨迹角速度和滑动智能手机速度的依赖性[13].

Jesus和Sasaki(2016)利用手机里的加速度传感器测量数据用相应App软件显示图像中速度数值，在手机前端固定环形弹片来验证一条直线上的动量守恒(如图2所示)[14].而Vanda Pereira等人将两个智能手机摄像头与Vid Analysis免费App软件一起使用去追踪三维运动空间两个球在空气中碰撞时的位置(如图3所示).其速度的大小很容易从距离图像中得到，再根据已知碰撞小球的质量计算碰撞前后的动量，以此来验证三维空间的动量守恒定律[15].

图2 验证一条直线上的动量守恒

图3 三维运动空间中的碰撞

Salinas和Gimenez(2019)等人利用智能手机加速传感器演示平行轴定理(如图4所示)，利用公式推导出转动角速度ω和转动周期T的关系如下

图4 演示平行轴定理

通过改变转动角速度ω和测量周期T,并通过软件绘出图像发现T2与d2成正比，刚体的平行轴定理得以验证[16].

2.1.2 观察性实验

此类实验的重点是，利用智能手机对研究对象的特征进行观察和记录，并对相关实验结果进行描述和对比分析.

如张坤华(2017)利用手机的摄像功能研究伽利略理想斜面实验，并通过暴风影音软件逐帧播放，得到了小球在相邻两帧之间的距离相等，以此得到速度大小不变的结果，他还利用“加速度传感器软件”采集数据的功能让学生进行下蹲和站起两个运动，以此来观察和研究超重和失重[17].Nicolas,Alexandre Goy等人(2017)利用手机照相功能观察液体的表面张力，并通过测量照片中不同液体在悬滴时的直径来定量观察测量液体表面张力与液体种类的关系，帮助学生理解表面张力的概念[18].王蕾(2018)则通过手机拍摄视频并用其慢动作功能分析研究平抛运动，很直观地展示了平抛运动是水平方向的匀速运动和竖直方向的自由落体运动的合运动[19].

2.1.3 设计性实验

此类实验主要是在掌握了一定实验技能和方法的基础上，运用所学物理学知识，设计实验方案，利用智能手机所搭载的传感器测量记录所需物理量并对数据进行整理分析，最终得出准确的研究结果.

如Unofre Pili和Renante Violanda(2018)将小磁铁固定在在电风扇的扇叶上(如图5所示)，并利用智能手机搭载的磁传感器所得到的时间函数和公式

图5 圆周运动实验

计算平均角速度，进而研究圆周运动[20].

Unofre Pili 通过吊坠小灯泡(2018)和小磁铁(2019)的弹簧在竖直方向振荡，设计利用手机搭载的光传感器和磁传感器得到相应的振动图像并通过公式

计算弹簧的劲度系数κ[21,22].

对于单摆运动国内外近几年的研究成果也相当丰富，其主要是利用公式

在已知摆长和测量所得的单摆周期来计算重力加速度，我国学者是直接拿手机当悬挂物体通过手机传感器软件直接获取相关数据[23].国外学者有用小磁铁代替手机运动，通过手机磁传感器进行实验；还有利用小铁球和手机光传感器进行实验(如图6所示)[24,25].综上，无论是利用哪种传感器，都是为了获取单摆运动的周期，进而得出重力加速度.

图6 单摆运动实验

2.2 电磁学实验

了解各个磁体的磁现象是研究电磁学的基础.对于天然磁铁所产生的磁场，Enrique Arribas(2015)等人利用智能手机测定小磁铁周围磁感应强度B与距离x的关系(如图7所示)，并在图纸上绘制B-x空间分布曲线[26].

图7 测小磁铁磁感应强度

对于地磁场,曾心,刘健智(2019)借助手机自带的指南针软件，直接显示地磁场的方向，再打开Smart Toolkit软件，点击金属探测器，显示出空间磁场随时间的变化关系[27].

对于电流所产生的磁场，国内外研究者(2019)利用磁传感器，通过改变手机到通电线圈的距离分别深入研究了一根通电直导线、环形导线、环形线圈和一对相互平行的通电环形线圈，所产生的磁场方向、大小以及磁场的分布状态(如图8所示).而这些研究成果基本上包含了中学生需要了解和掌握的磁现象[28,29].

图8 测通电导线磁感应强度

2.3 声学实验

Lars Jochen Thoms(2018)等人利用智能手机和耳机做听力测试，让其呈现不同级别和不同频率的声音给测试者听，让他们指出自己的听觉能够感知的最小声音，以此来确定每个频率的最低级别(听力阈值)[30].

在分析声音特性的实验中，Catalin Florea(2019)借助智能手机和能够提供基本声音分析的应用程序，将频率、响度、时间集于一张图内，识别分析出不同物体振动所发出的声音[31].

在多普勒效应实验中，王静(2019)等人则运用两部手机，其中一部用 “Tone generator”功能发出固定频率的声音，另一部使用PhyPhox软件里的“Doppler effect”功能对实验的数据进行分析，测定多普勒效应[32].

测量空气中的声速实验中，惠宇洁(2018)利用PhyPhox软件中的声学秒表功能让两个学生分别持2部手机在距离为d的场地上，通过手机记录的时间差值和最原始的速度公式测量声速的大小[23].Simen Hellesund(2019)则利用管子和安装有频率分析软件的智能手机测定复合音基频f0并利用公式

v=4lf0

在已知管长l的条件下来计算声速大小[33].

2.4 光学实验

Giuseppe Colicchia(2015)利用智能手机里的与摄像机传感器的视轴一致集成LED光源,通过瞳孔拍摄眼底(视网膜)的照片或视频.解释人眼的成像光学原理(如图9所示)[34].

图9 光学成像实验

Chun Ming Chiang(2019)则借助手机的光传感器定量地测量了光的偏振中的布儒斯特角度(如图10所示)[35].

图10 测量布儒斯特角度实验

2.5 热学实验

由于手机里并无搭载温度传感器，但国内外学者依然根据手机的其他功能去研究热力学中的实验，比如可以通过外接温度传感器测定温度[36]；通过手机的延时摄影观察气体的扩散现象[19]；运用手机的拍照功能跟踪冷却体温度，研究冷却曲线(如图11所示)[37].

图11 研究冷却曲线实验

3 智能手机在物理教学方式方法中的应用

3.1 智能手机在课前的应用

我国学者提出可通过手机的搜取信息、识别信息、编码信息的功能(如百度百科、云脉文档识别、讯飞输入法、WPS、HTML5)获取教学资源进行备课[38].还可让学生课前在家中通过智能手机移动终端获取优质的网络教学视频(如慕课网站、优酷客户端的教育频道板块、知牛网、iH5)学习，教师则在课堂上指导帮助学生解决疑难，以实现翻转课堂教学模式.

3.2 智能手机在课堂上的应用

由于智能手机具有传递信息的功能，可利用智能手机下载遥控软件(如茄子快传、SeewoLink、猎豹免费Wi-Fi遥控、爱莫助手、希沃助手)或者利用手机连接同屏器打开同屏功能播放课件，扩大教师的活动范围，同时可拍照课堂上学生的练习，进行有针对性的讲解；下载相关软件(如Total Control，QQ、微信的视频功能)和利用手机的无线投影技术，直播演示实验过程确保实验可信度.

3.3 智能手机在课外的应用

利用智能手机，一方面可随时随地开展实验探究；另一方面可利用相应软件(如猿题库、QQ的题库功能)布置作业，监测反馈学生们的作业情况，减轻教师评卷负担以提高后续教学的目的性和有效性；还可通过创立教师的微信公众号，定期发布知识点和物理方法供学生学习[39～41].

4 智能手机在物理教学中的优势

通过上述对智能手机在实验和教育技术中的应用介绍，不难看出手机的强大功能在教学中体现出它独特的优点[42].

4.1 价格适中 普及率高

目前市场中的智能手机功能完善且基本都搭载有十几种传感器，大部分满足物理实验的需求.且平均每部的造价在千元左右，比起数字实验室里万元左右的DIS数字传感系统，智能手机在日常实验中的使用就占有绝对的优势.

4.2 数据测量 快速便捷

智能手机是个独立的个体，不受数据线的限制，且现在的传感器软件基本都趋于数字化.

测量数据，实验者可以随时随地的去进行相关的物理实验.

4.3 新型媒体 功能广泛

智能手机是为了交互信息而产生的，因此在教学过程中，强大的手机功能可以为教师进行现代化教学提供必要的硬件支持，帮助教师将更多的精力聚焦在学生身上.

5 智能手机在物理教学中的应用展望

近年来，智能手机在实验中、教学中都表现出优越性，但是否运用智能手机教学就一定能产生良好的教学效果呢，这就需要实证研究，Mazzella尝试探讨以智能手机为基础的活动,研究学生对加速度概念理解的有效性.结果表明，基于智能手机的活动可以是传统实验环境的有效替代，对希望在中学阶段开展实验活动的教师来说是一种有价值的帮助.也就是说,运用手机进行实验教学确实能在某些方面促进学生对概念的理解.由于智能手机是最近10年才在我国逐渐普及开，所以我国尚未开启智能手机教学的实证研究，但是确实是个可深入研究的领域.另外，我们还可以尝试把智能手机搭载的传感器应用到更多的物理实验中去.

由最近几年的手机使用群体大部分是年轻人的现象可以看出，手机的上网功能无论对于初中生还是高中生都充满着诱惑，所以可以有针对性地加强学生在用手机上网时的权限限制，开发App去监控学生在课堂上的手机使用状况，保证课堂的教学效率.