基于APP 的高中物理演示实验课程教学的应用实践

福建省宁德市高级中学 林晓琴

信息化教学以建构主义理论为基础，明确以学生为中心，强调教师利用各种信息资源来支持学生的学习。具体来讲，就是要求教师在教学过程中能够通过有效地构建信息主动获取学习环境，激发学生学习的主动性和积极性，让学生自发成为知识信息的加工吸收主体和知识体系的主动建构者，教师则重点帮助、促进学生有效正确获取知识信息，应用所学进行意义建构并解决问题。这种教学模式更加强调的是教师在整个教学过程中组织者和引导者的作用，从根本上实现“以学生为中心”的教学理念，教师将研究、探索、启发、讨论的参与式理念引入课堂教学全过程，创设基于现代网络信息技术的立体化教学环境。

一、智能手机及APP 在物理演示实验课程教学中的应用优势

物理是一门以实验为基础的学科，演示实验教学是基本的教学手段。演示实验的操作过程以及实验现象的呈现，能够帮助学生更加直观、形象地理解物理观念、物理现象的变化规律，激发学生的学习兴趣，培养学生的科学素养。然而，传统的物理演示实验教学由于实验本身特点及条件的限制，实验的直观性、探究性和操作性等特点无法都在教学过程中得到充分体现。随着信息技术的发展，传统课堂教学融合信息技术能更好地实现课本知识可视化，使复杂概念解释形象化、关键知识点讲解具体化及复杂过程展示生动化。互联网平台上聚集了大量的物理实验教学资源，同时智能手机作为一种高度普及且功能强大的信息化工具，它所装备的高清摄像头、众多精巧的传感器和强大实用APP 等工具，为学生随时感知物理现象、探究物理实验提供便利。简言之，智能手机及APP 在辅助物理演示实验教学中作用显著，主要涵盖以下几方面的优势：一是有助于观察实验现象，如放慢实验过程，随时定格画面观察瞬时发生的实验现象等；二是可便捷、准确实现实验数据测量，学生通过分析实验数据，得出实验结论，锻炼学生的处理、分析能力；三是为师生提供了丰富的虚拟仿真实验资源，为随时深入物理现象研究创造了条件；四是利用APP 辅助物理演示实验教学，在较大程度上提高了学生的物理学习动机、好奇心和兴趣。

二、智能手机及APP 在物理演示实验课程教学中的应用实践

1.助力演示实验现象有效观察。

捷克教育家夸美纽斯在《大教学论》中写道：“一切知识都是从感官开始的。”感性认知是思维得以发展的起点。在演示实验中确保让每一个同学都能对实验现象进行有效细致地观察是学生进一步深入思考的前提条件。借助智能手机高新摄像头、视频处理APP，及授课助手APP 等确保全体学生能够看清实验现象，获得直观的体验经验，帮助学生构建物理模型，培养物理科学思维能力。

（1）视频慢放功能定格物理现象。

有些演示实验实验过程短暂，实验现象转瞬即逝，学生还没有观察到实验现象，实验已经结束。学生无法从实验中获得直观的体验，更谈不上通过实验启发学生进一步思考。对于这类实验，我们可以发挥现代信息技术优势，利用视频处理APP 的视频慢放功能，放慢实验过程，让学生能捕捉到每一个实验瞬间。

例如，在《自由落体运动》一节中，探究物体下落的快慢是否跟重量有关。先设置简单小实验引导学生得出空气阻力是影响物体下落快慢的因素，再利用“牛顿管”实验探究在没有空气阻力情况下轻重不同物体的运动。由于物体下落速度很快，尤其是金属片和羽毛是否同时落到管底，同学们很难清楚地观察到。借助爱剪辑APP 视频慢放功能播放金属片和羽毛下落瞬间。极速的瞬间经过技术的放慢大大提高了实验现象的可视性。直观清晰的实验现象使学生对落体运动有了直观的感性认识，在此基础上构建自由落体模型也就变得水到渠成。

又如，在《动量定理》一节中，设置这样的实验：一只鸡蛋，让它从同样的高度自由下落，第一次落在海绵垫上，完好无损；第二次落在坚硬的石板上，鸡蛋碎了。提出问题：鸡蛋两次下落出现相反的结果，落在海绵垫上与落在石板上到底是什么物理量不同？为了帮助学生找到其中的区别，可以利用手机高清摄像功能拍摄鸡蛋两次下落过程，再利用剪辑软件将两次下落过程中鸡蛋与石板、海绵垫接触过程慢放处理，学生通过对比两段慢放视频很容易看出鸡蛋与石板、海绵垫接触的时间不同，鸡蛋与石板接触时间短，与海绵垫接触时间长。这时教师再引入动量定理，学生就能轻松地利用动量定理解释落在海绵垫上的鸡蛋因接触时间长，受到的海绵垫冲击力小，因而能完好无损。

（2）高清拍摄和交互投屏功能放大物理现象。

有的演示实验器材较小，实验现象不明显，教师在讲台上做实验，学生受座位的限制，不能看到准确的现象，也就难以进一步探究并理解物理规律。利用手机的高清摄像与希沃白板交互投屏功能直播实验全过程，放大器材和现象，让全体同学都能观察到实验的每一个细节。例如，在教授物理仪器仪表的使用和观察仪表读数时，先在手机上下载希沃授课助手，利用希沃授课助手APP 连接手机与希沃白板，再开启手机摄像直播，通过同屏放大多角度展示教师的操作过程，近距离观察仪表示数变化，方便学生模仿及读数。又如，在《楞次定律》一节中，为了让学生更好地理解楞次定律中“阻碍”二字的含义，演示实验装置，一绝缘底座上端的横梁相连着两个轻质铝环，其中一个闭合，另一个开口，整个装置处于静止状态。当用磁性较强的磁铁任一极靠近闭合铝环时，可以观察到铝环向后退，而靠近开口铝环时，铝环不动，进而直观形象地说明“阻碍”二字的含义。但实验中由于环小，环的移动幅度不大，只限前两排中间同学可以观察到现象，实验的目的大打折扣。利用希沃授课助手APP 投屏功能，把手机当作高清摄像头，在大屏幕上实时直播实验过程，实验中细小的现象也能尽收眼底。通过交互投屏，学生整体在实验中的参与感和体验感得到了提高，对物理定律的理解也进一步加深了。

2.助力演示实验数据便捷测量。

伽利略说过：“一切推理都必须从观察与实验中得来。”物理规律就是在无数次实验基础上分析归纳总结出来的。探究物理规律的演示实验中，多数需要测量物理量，传统的测量方法耗时，难以在有限的课堂时间内完成，也就无法即时呈现实验结论。随着信息技术的发展，大量教学类APP 应运而生。手机物理工坊APP 就是一款功能强大的物理实验应用。它利用手机内置多种传感器，快速进行实验数据采集并将采集到的数据通过图表呈现，实现物理量关系的可视化，从而优化实验效果，增强探究的有效性。

（1）利用加速度传感器快速采集实验数据。

为了探究超重与失重现象产生的条件，设置学生分组实验：测力计下挂一钩码，让其在竖直方向上做变速运动。学生认真观察测力计示数的变化，并结合钩码所做的运动，在教师引导下分析产生超重和失重的条件。但是测力计的示数在运动过程中不易观察，也就很难得出实验结论。通过改进实验，用DIS 拉力传感器替换测力计进行数据采集，钩码所受拉力变化容易测得但是依然无法直观建立拉力变化与钩码加速度变化间的关系。如果能通过实验同时显示运动物体所受拉力及加速度的变化图像，那么就能更加直观形象地探究出物体处于超重和失重的条件。我们可以将手机替代钩码作为测量工具。具体操作如下：打开手机物理工坊软件，开启“加速度计”功能，通过DIS 拉力传感器提着手机一起在竖直方向分别向上及向下完成加速、匀速、减速运动。手机加速度传感器记录钩码加速度的变化情况，拉力传感器记录拉力变化情况，然后将加速度及拉力变化情况以图像的形式直观地展现在屏幕上，引导学生对比分析两图像，从中找出物理规律，自主总结相关结论。通过合作探究学生亲历了数据的采集，物理规律的形成过程，感受了用图像解决物理问题的方法，培养了观察、比较、归纳、总结等能力。

（2）利用角速度传感器便捷测量实验数据。

在探究单摆运动周期与摆长的关系实验时，由于课堂时间有限，利用秒表测量单摆周期耗时长，笔者利用手机物理工坊APP 中的单摆功能可以便捷测量单摆周期。具体操作如下：将细锡线和手机组成单摆，固定悬点，点击手机物理工坊AAP 中单摆功能，设置延迟启动时间及实验时长。测量摆长并记录，点击开始按钮，让手机在竖直面内做小角度摆动（近似简谐运动），同时尽量确保手机在摆动过程中自身不旋转。直到预设时间结束即可读取周期，并记录在列表中。改变摆长重复上述实验过程。最终将数据导入Excel 表格，通过线性拟合得到摆长与周期的定量关系，即周期的平方与摆长成正比。利用手机传感器测量单摆周期大大地缩短了实验探究的时间，同时提高了探究效果。教师为学生创设探究环境，学生在教师的引导下，主动参与规律探究过程，比起直接给出结论更能培养学生的探索精神。

3.助力虚拟仿真实验的即时演示。

虚拟仿真实验是有效利用现代信息技术，通过开发仿真实验软件，打造最富真实感的虚拟实验环境，实现现实环境条件下不具备或难以完成的教学实验。随着智能手机的发展，仿真实验APP 越发丰富，如NB物理实验、物理实验室等，是教师的实验教学的重要辅助工具。

（1）虚拟仿真实验可以突破客观条件限制，展示理想实验结果。

理想实验是人们为了研究某一物理规律设想的而现实中又无法完成的实验。理想实验法是一种科学的推理法，它是在实验基础上经过抽象概括、逻辑推导得出规律的一种研究方法，爱因斯坦称赞它标志着物理学的开端。理想实验在现实实验中无法完成，但我们却可以通过虚拟仿真技术来实现。

例如，在“牛顿第一定律”教学中，为了说明运动和力的关系时，引入著名的伽利略理想斜面实验。理想斜面实验因为摩擦力无法消除，在现实实验中无法完成，教师可以借助仿真实验为学生建立直观的感性认识，继而再合理外推得出实验结论。利用希沃白板自带仿真斜面实验进行即时演示。设置实验参数，使小球与斜面轨道间的摩擦力为零。首先让小球在没有摩擦力情况下沿一个斜面从静止滚下，小球将滚上另一斜面，上升到原来的高度。接着减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面要达到原来的高度就要通过更长的距离。继续使第二个斜面的倾角越来越小，可以看到小球滚得越来越远。这时适时的提出问题：如果把第二个斜面改成水平面，小球会怎样运动？同学们根据仿真实验演示，可推理出小球将会一直沿着水平面持续运动下去。仿真实验帮助学生建立感性认识，突破思维难点，为学生自主推理出物理规律创造条件。

（2）虚拟仿真实验可以有效实现微观物理过程的即时演示，展示微观物理现象。

教师可以利用仿真实验APP 为学生建立微观物理情境。静电场的特点就是看不见，摸不着。在静电场的教学中，适当地借助仿真实验可以有效地突破学生学习的难点。例如，在探究静电场中带电粒子的受力、运动轨迹时，就可以利用物理实验室APP 对静电场中正负电荷及等量同种、等量异种电荷的电场线进行描绘，还可以定性的展示静电场随场源电荷变化而变化，并对放入其中的试探电荷，观察其运动轨迹，同时还可以实时反馈试探电荷动能和速度变化。

三、结语

本文从智能手机及APP 助力演示实验现象有效观察、演示实验数据便捷测量、虚拟仿真实验即时演示三个方向分类进行探讨，以学生为学习的主角，引导学生参与物理实验视频录制、数据观测、合作分析探究，有效增强他们在学习中的自身成就感，把知识点阐述、理解得更加明确清晰。随着信息技术的快速发展，基于手机APP 的高中物理演示实验教学的应用研究将不断深入，对突破物理演示实验的难点问题将带来强大帮助，更加有效提升物理实验课堂教学效果。