体验?创新：用好App优化物理实验探究教学

张怀华：河南省焦作市第十一中学教研督导处主任、正高级教师，教育部新时代中小学名师名校长培养对象，河南省学术技术带头人、中小学教师教育专家、电化教育专家、中原名师。长期致力于青少年创客教育与中学物理创新实验教学的融合研究，撰写教育教学随笔30000余篇，发表论文50余篇，指导1300多名学生取得国际、国家或省（市）科技创新成果奖，指导100多名学生申报并取得专利；被中央电视台等媒体报道130余次。坚持“热爱学生、立德树人”的教育初心，“重教材但不唯教材”，专心致志做学问，一丝不苟做教育。将教学与生活有机融合，引导学生在研究、实践、反思、表达、分享中螺旋式提升综合能力。

当前，智能手机全面、深远地改变了人们的生活。学生可以在教师的指导下，科学、合理、有节制地使用智能手机及其搭载的应用软件（App）自主探究，提升创新意识和实践能力。教师可以巧妙创设问题情境，运用智能手机开展实验探究活动，让学生在亲身体验和主动探究中逐渐转变学习方式。当下，世界各国的学校纷纷开展线上教学活动，一些App搭乘线上教学的快车成为新宠。手机物理工坊（Phyphox）是一款智能手机实验程序，支持用户根据需要自主开发。Phyphox平台全面、系统地整合了智能手机中搭载的所有传感器，预置了门类齐全、数量众多的探究性实验样例。该软件具有“远程控制”功能，支持用户自定义个性化智能手机实验，具有很强的拓展性：能够通过蓝牙与物联网开发板交换数据，将力、压强、温度、电压、电流、电容、电感等智能手机不便于采集的数据，利用开发板进行采集（这些数据能与智能手机内部传感器采集的数据进行混合运算和输出），实现智能手机内部传感器与外接传感器的完美整合，便于教师将创客思维和信息技术融入物理实验探究活动之中，扩大应用范围。Phyphox能在课堂教学、实验教学、习题教学、实验探究、居家实验、日常生活等方面发挥作用。笔者以该软件为例，介绍如何科学应用App开展实验探究活动，培养学生的创新能力。

一、App融入课堂教学使观测更直观

智能手机预置了多种传感器，具有方便快捷的互动投屏功能。教师可以根据需要随时随地利用智能手机及App开展教学活动。例如，在“自由落体运动”教学中，笔者就利用智能手机带领学生现场测量了当地的重力加速度。

在做好智能手机安全防护的前提下，笔者调取Phyphox（以下称软件）中的“加速度（不含g）”传感器，伸出一只手用拇指和食指轻轻捏着智能手机的上边缘，让智能手机自然下垂，确保长边竖直；设置软件定时运行，延迟3秒，运行2秒。开始计时后，笔者迅速松开拇指和食指，释放智能手机让其自由落下，软件自动采集数据并绘制图表。

软件采用三维坐标系（如图1）测量，手机页面显示重力加速度在三个维度上的分量（如图2）。由于手机长边竖直，所以在手机下落阶段，x轴和z轴的加速度分量几乎为0，y轴输出的加速度可视为当地重力加速度。

笔者单击图2中y轴线性加速度图像左上角的双箭头，将y轴线性加速度图像扩展至全屏，得到如图3所示的图像，引导学生观察：在手机下落过程中，加速度图像几乎为一条水平直线，加速度值为9.80 m/s2，与实际高度吻合。

笔者利用手机投屏技术，将上述操作同步到大屏幕上，让每个学生都见证实验的全过程，目睹智能手机实验的神奇。

测量当地重力加速度实验可能是很多人第一次接触这款软件就会开展的探究实验——这个实验只需要让智能手机在垫子上方自由下落一段距离即可完成。

在实验中，为了方便观测和操作，师生总是不自觉地用两只手操作智能手机，让智能手机屏幕水平朝上。这样操作会给重力加速度测量带来两方面的负面影响：一是空气阻力大，实验测得的重力加速度值呈逐渐减小的态势，为演示和分析带来不便；二是双手操作智能手机，由于手上难免有汗液、油脂等，使得智能手机两侧与两只手往往不会同时分离，导致手机翻滚。这些都会导致测量数据异常，让人对实验的可靠性产生怀疑，从而降低实验的可信度。

对于大多数师生而言，智能手机实验是新鲜事物，需要逐渐摸索和尝试；只有深入理解了工作原理，熟练掌握操作技能，才能真正体会智能手机实验的无穷魅力。

二、App融入实验系统带来奇妙探究体验

智能手机预置了各种传感器，而软件中又预置了很多实验样例，支持师生开展丰富多彩的实验探究活动。但是，智能手机很难直接测量电压和电流，师生在利用智能手机开展电学相关实验时，可以利用智能手机中的磁力计探究电流磁场变化规律，继而得到电流的变化规律。

（一）App连接传统实验器材焕发新活力

在探究电容器充放电规律的实验中，笔者将线圈放置在智能手机的左上角，开启软件，运行“磁力计”传感器，先用9 V碳性方块电池对电容器充电，再用电容器对线圈放电，软件自动绘制线圈磁场变化关系图像。由于电流磁场与电流成正比，图像也就反映了电容器充、放电过程中电流变化规律。

学生观察图像后发现，电容器放电时，电流逐渐减小，电流变化率逐渐减小。

特别需要指出的是，智能手机放置在水平桌面上时，受地磁场影响，磁力计的x轴和y轴分量一般不为0。如何解决这一问题呢？师生可以在桌面内缓慢旋转手机，使x轴或y轴中的某个分量为0，然后以该轴为基准开展实验探究活动即可。

除智能手机外，该实验中笔者使用的电容器、线圈和电池均是物理实验室配备的传统器材。智能手机的加入使传统实验器材焕发新活力。

（二）App连接物联网助力学生解决问题

师生使用物联网开发板ESP32（如图4、图5）做实验，通过软件直接获取真实的电流数据，绘制真实的电容器充、放电实验图像，就可以淘汰传统笨拙的线圈。

笔者连接好电路，写入适当的程序，借助开发板获取电容器充、放电电流数据，通过蓝牙发送给智能手机。智能手机中的软件接收电容器充、放电电流数据后，以充、放电电流为纵轴，以充、放电时间为横轴，精准绘制电容器充、放电电流—时间关系图像（如图6）。

在该实验中，为了解决智能手机不能测量电流的问题，师生像科学家那样去思考、去探究、去寻找解决方案，最后达成目标，获得“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”的奇妙探究体验。

三、App创设情境优化习题教学

习题教学是物理教学的重要组成部分。在习题教学中，教师可以利用软件对习题涉及的真实场景进行还原，让学生身临其境，去体验和分析。

2021年山东省高考选择性考试物理卷第13题是一道以乒乓球在桌面上弹跳为真实情境的探究性实验试题。为了讲解此题，很多教师会利用智能手机内的录音机记录乒乓球在桌面上弹跳时发出的声音，通过测量和分析相邻两次撞击声的时间间隔，引导学生探究乒乓球的弹跳规律。

其实，对于该实验而言，师生利用智能手机中的加速度计比用录音机更加便捷。在讲评此题时，笔者先将智能手机放置在桌面上，使软件中的“加速度（不含g）”传感器处于运行状态，再让小篮球在桌面上自由弹跳（如图7），软件自动记录小篮球撞击桌面造成的振动信息，生成加速度图像（如图8）。

图8中的每个尖峰都对应着小篮球对桌面的一次撞击。学生点按加速度图像左上方双箭头，将加速度图像展成全屏；点按屏幕下方“选取数据”按钮，用手指从一个尖峰滑向另一个尖峰，读取相邻尖峰之间的时间间隔，即小篮球滞空时间。学生根据滞空时间和竖直上抛规律可计算反弹高度，也可计算相邻两次反弹最大高度的比值。

学生使用电子表格，以反弹高度为纵轴、以弹跳次数为横轴，绘制散点图，获得反弹高度与反弹次数的关系图像（如图9）；以相邻弹跳高度比为纵轴、以弹跳次数为横轴绘制散点图，获得相邻弹跳高度比与反弹次数的关系图像（如图10）。

学生观察图像后发现：反弹高度随着反弹次数的增加按照指数函数规律衰减；相邻两次弹跳的高度比基本上为恒定值，约为0.765。

学生通过实验发现，随着弹跳次数的增加，弹跳时间间隔越来越短，时间间隔测量值相对误差逐渐增大，图10中数据点的分布越来越离散。笔者借此对这道高考题目的真实情境进行了高度还原。

四、App高效测算助力学生自主探究

学生自主开展科学探究活动，最大困难常常是缺乏测量工具，而智能手机及软件为他们实时测量和分析各种常见物理量创造了条件。

铝板琴是由长短不一的铝板有序排列组合而成的打击乐器，集科学性、思想性和趣味性于一体。利用铝板琴开展器乐训练对提高少年音乐素养十分有益。学生用小槌敲击铝板琴，发现较长的琴键发出的低音醇厚、圆润；中间的琴键发出的中音清脆、明亮；较短的琴键发出的高音尖锐、短促。

琴键的长度与其发声频率有什么关系呢？为了探究铝板琴的发声规律，笔者引导学生先用刻度尺测量每根琴键的长度，打开软件，点击“声学”系列，运行“声音频谱”实验程序；再一边用小木槌敲击铝板琴上的某根琴键的中部，一边用软件检测琴键被敲击后发出的声音，利用傅里叶变换动态绘制声音频谱。当声音最洪亮、谱线最尖锐的时候，学生点击“暂停”图标和“获取数据”按钮，用手指点按谱线尖峰，软件自动显示尖峰对应频率值，这个频率值就是琴键振动的固有频率。学生按照上述方法，逐一测量铝板琴上每根铝板在小木槌敲击下发出的声音的固有频率。

学生使用电子表格，以发声频率为纵轴、以琴键长度为横轴绘制散点图，并用幂函数进行拟合，获得琴键发声频率与长度的关系图像（如图11）。

学生观察图像发现，琴键敲击发声频率随着长度增大而减小。

本着化曲为直的数据处理原则，学生使用电子表格，以琴键长度平方的倒数为横轴、以发声频率为纵轴再次绘制散点图，并用一次函数进行拟合，获得琴键发声频率与长度平方成反比的图像。拟合曲线为一条过原点的倾斜的直线，这说明琴键敲击发声频率与琴键长度的平方成反比。

原本是一次轻松愉悦的铝板琴弹奏体验，有了问题意识和探究手段，就转化成了一项极具生活气息的课题探究。

五、App居家实验让学生感受物理之美

众所周知，质点引力源、点电荷电场、光、声、电磁或核辐射的点源的辐射强度均与到点源距离的平方成反比，被称为平方反比定律。教师在线指导学生居家利用一把卷尺和两部智能手机即可对这一规律进行实验探究。

笔者指导学生将钢卷尺倒置悬挂在架子边缘，将智能手机甲的手电筒打开，朝下放置在架子上，并让手电筒伸到桌子外面（如图12）。智能手机的手电筒的发光区域非常小，可以看作点光源。

此实验需要在黑暗环境中操作，学生拉上所有窗帘，关闭所有灯光，只保留实验用智能手机甲的手电筒光源。

学生运行智能手机乙中的软件，开启“光”传感器，使手机乙的感光器在手机甲的点光源下方，竖直正对，参考竖直悬挂的卷尺，在相距20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm……的位置依次保持3～5秒，软件自动绘制光照强度随时间的变化曲线。

学生将智能手机乙绘制的照度—时间关系曲线展成全屏，点击“选取数据”按钮，再依次点击获取照度—时间关系图像上阶跃变化时对应的照度值，并与距离相对应，将其录入电子表格。

学生使用电子表格，以距离为x轴、以照度为y轴，绘制散点图，得到照度与距离的函数图像（如图13），发现照度随着距离增大而减小。

本着化曲为直的数据分析处理原则，学生使用电子表格，以距离平方的倒数为x轴、以照度为y轴，再次绘制散点图，得到照度与距离平方倒数的关系图像（如图14），发现点光源的照度与距离的平方成反比。

物理是优美的，她的美表现在物理规律的简洁性和普适性。平方反比规律表达简洁，内容深邃，体现自然与思维的和谐统一。

六、App融入日常生活让学生享受探究之乐

公共交通堵在“最后一公里”是城市居民出行的主要障碍，也是“建设绿色城市、倡导低碳生活”的主要挑战。共享电动车的应用补上了市民出行的最后一块“拼图”，骑共享电动车成为市民短距离出行的重要交通方式。

在笔者的指导下，学生以共享电动车为代步工具，选择一个空旷的安全路段，在智能手机中打开软件，运行“定位（GPS）”传感器。学生驾驶共享电动车从静止状态满功率启动，待速度达最大值后，松开加速把手，使共享电动车无动力直线滑行，直至停止。软件自动绘制速度—时间关系图像（如图15）。

学生观察图像发现，共享电动车在满功率启动过程中，速度逐渐变大，加速度逐渐减小。在共享电动车的无动力滑行阶段，速度—时间关系图像具有非常好的线性关系。学生在实验页面的下方选择“选取数据”按钮，用手指从匀减速运动的起始数据点滑向终点数据点，即可测量其斜率，得到共享电动车在无动力滑行中加速度为-0.185 m/s2。忽略空气阻力影响，学生测量得到共享电动车与地面之间的动摩擦因数为0.0188。

此次实验，学生使用的“定位（GPS）”传感器，抗干扰能力强，手机无须手持，可以放在书包中，有利于安全骑行。

原本是一次普通的骑车户外旅行，有了科学的活动预案，有了智能手机的加持，有了学生的操作体验，就演化成一次别开生面的户外科学探究活动。这是对新课程理念“从生活走向物理，从物理走向社会”的真正践行。

教师指导学生利用以智能手机等智能终端为代表的智能技术作为探究工具，借助智能手机及实验程序，培养学生科学、合理地使用智能终端的生活习惯和学习习惯，通过开展丰富多彩的物理实验探究活动，可以改变社会对智能手机的认知，从限制使用转向科学使用。教师科学使用智能手机开展实验活动，是对学校实验教学的有益补充，可以打破学校实验教学的时空限制，支持学生随时随地开展自主创新实验探究活动，极大地降低数据获取和分析的技术门槛，让学生有更多机会和时间进行探究和思考。可以预见，在不久的将来，在全球范围内，必将掀起一场利用智能手机及应用软件开展自定义、个性化创新实验的浪潮。利用数字化工具开展物理自主创新实验探究活动是大势所趋，教师需要顺势而为。

责任编辑：祝元志