Phyphox在物理实验教学中的优化应用研究

赵红艳

随着信息技术与物理实验教学的深度融合，许多物理教师开始利用丰富的信息技术手段开展实验教学。然而，一些教师仅遵循信息技术工具的原有方案，没有深度思考并合理设计，学生看似能顺利进行实验探究，轻松得出实验结论，实则很难深入认识信息技术工具的内部原理，课堂呈现出热闹有余而深度不足的局面，教学效果不佳。正如梅塞勒所言，技术为人类行动创造出新的可能，但技术的目的不在于技术本身，而在伫立于技术背后的人^[1]。因此，教师对待信息技术工具需辩证看待、理性分析并合理应用。“必做实验”是提升学生物理学科核心素养的重要途径，教师应精心设计，让学生亲历实验探究过程，促进学生思维深层建构。为有效开展学生必做实验教学，培养学生的实验探究能力与科学思维，本文以《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》规定的必做实验“用单摆测量重力加速度”为例^[2]，探讨利用Phyphox开展学生必做实验的设计、实践与反思。

一、设计思路

为高效指导学生开展必做实验，教师预先进行了学情探查，发现周期测量是学生在“用单摆测量重力加速度”实验中遇到的主要困难。在常规实验中，学生一般采用先测量单摆做多次全振动的时间，然后用总时间除以全振动次数来测得周期^[3]。但实际操作中全振动的时间与次数是由学生人工观测，导致计时起点与终点的确定都具有较大随机性，学生难以做到从平衡位置开始计时，容易出现超前计时或滞后计时^[4]。一些教师引入Phyphox信息技术工具尝试解决这一问题，工具中的“摆”模块可智能计时，测得周期数据，避免了人工计时的随机性，但许多学生并未深度理解原理，也未意识到此实验方案存在一定误区。

针对上述问题，本研究按照“常规实验—Phyphox融合实验—Phyphox优化实验”三重递进的逻辑，重新对“用单摆测量重力加速度”必做实验进行教学设计。课堂沿着“开展常规实验，人工测量周期→融合Phyphox探索实验，智能测量周期→利用Phyphox优化实验，创新测量方式→运用Excel处理数据，拓展数据分析方法→注重方法、总结提升，培养学生科学思维”五个环节展开（如图1）。

二、教学过程

（一）开展常规实验，人工测量周期

课堂伊始，教师让学生了解教科书中的常规实验方案，明晰“用单摆测量重力加速度”的实验原理、操作步骤，并为学生提供常规实验器材，由学生分组开展必做实验。教师在学生实验过程中巡视指导，收集学生的共性问题与困惑，许多学生提出的问题之一便是难以把握计时起点与终点。设计该环节的目的除了让学生通过实验深入认识“单摆”模型， 培养动手操作的实践能力，更重要的是让学生在实践中体会周期测量的不确定性，激发他们改进创新的动力。

（二）融合Phyphox探索实验，智能测量周期

针对学生在第一环节提出的共性问题，教师提供了智能手机终端Phyphox工具，并让学生尝试利用该工具进行自主探索。Phyphox工具自带的“摆”模块可将手机等效为单摆，用细线系住手机并小幅摆动，软件界面便能显示出摆动的周期，再将测量后的摆长输入软件，便可得出重力加速度的大小。大部分学生选择按照Phyphox工具中的原有方案进行实验，也有部分学生对此方案持怀疑态度。为培养学生实践出真知的科学态度，教师让学生实践后展开讨论。

学生按照原有方案操作后发现测量值与真实值相差较大，教师顺势引导学生深入思考其原因并讨论。部分学生根据上节的学习内容提出，单摆是一种理想化模型，能被视作单摆模型的条件之一便是摆球尺寸相对于摆线可以忽略不计，若将手机等效为单摆，等效摆球尺寸相对于摆线而言难以忽略。也有学生指出在操作中手机容易出现旋转、不在同一铅垂面上摆动等情况，若将手机等效为摆球，其系统误差不可忽略。

学生比较容易理解手机无法视作单摆这一原因，但由于对Phyphox工作原理不够了解，他们难以分析出其他原因。此时教师继续追问：摆长测量是否合理呢？学生在教师的引导下发现，在利用Phyphox测量重力加速度时需输入摆长数据，原始方案中以支点到手机质心的距离为摆长，多数学生测量时以支点到手机中心的距离为摆长，而手机并非质量分布均匀的物体，质心与手机中心一般不在同一位置，因此摆长测量也存在较大误差。

在该环节，教师为学生提供自主探索空间，让他们结合信息技术工具进行实验设计与探究，并在实践中分析原有实验方案的误区。教师通过全面深入分析内部原理，引导学生批判性地应用信息技术工具，从而提升他们的模型建构能力、培养他们的批判思维与质疑创新素养。

（三）利用Phyphox优化实验，创新测量方式

经过前一环节的分析和讨论，学生发现原有实验方案并不满足“单摆”模型条件。为促进学生形成优化意识、发挥创新思维，教师鼓励学生思考优化方案。教师从“功能转化”的角度启发学生思考。“功能转化”即灵活地将工具原有功能用于新情境。在教师引导下，学生发现只要能测量随单摆周期摆动而变化的时间即可测得周期，Phyphox工具中的此类物理量包括磁性小球的磁力、小球与传感器的距离。

接下来，学生根据此发现尝试设计了两种优化方案。第一种方案是将磁性小球作为单摆，并将手机置于摆球下方。随着摆球周期性往復运动，磁力计接收到的磁场也会周期性变化。磁力计可显示磁场随时间周期性变化的情况并输出图像及数据，所得图像横坐标间隔一个峰值的时间便是单摆周期（如图2）。第二种方案为将小球作为单摆，并将手机置于摆球侧方。随着单摆的往复运动，近距秒表便能显示距离随时间的变化情况（如图3），从而测得单摆周期。

教师利用Phyphox工具可以引导学生优化单摆周期测量方式，也可引导学生创新摆长测量方式。单摆的周期会随着摆长变化而变化，且单摆周期平方与摆长之间存在线性关系。若得到单摆周期平方随摆长的变化关系，便可以利用图像法分析数据。根据这个创新性的测量方案，学生无须测量摆球半径，可仅测量单摆摆长的变化量，从而减小测量误差。这个过程可以加深学生对单摆周期公式的理解，有助于学生在后续学习中灵活分析并运用周期公式。同时，对常规方案的改进优化也有助于培养学生的优化意识与创新思维。

（四）运用Excel处理数据，拓展数据分析方法

为拓展学生的数据处理方法，让学生灵活运用信息技术工具分析数据，教师向学生引入Excel软件处理实验数据方法。学生利用优化后的方案再次开展实验检验，并将所测数据导入Excel表格，利用散点图将实验数据进行线性拟合，得到如图4、图5所示的摆长变化量与周期平方间的关系图。对测得的实验数据进行线性拟合，学生发现两种实验方案测量结果均在误差允许范围内，比较而言，使用近距秒表比使用磁力计所产生的实验误差更小。

学生在该环节拓展了信息技术对实验操作支持性的认识，实践能力与信息化数据处理能力得到进一步提高。

（五）注重方法、总结提升，培养学生科学思维

学生完成实验探究后，教师还需注重其在思维与方法层面的提升。于是教师在本课中引导学生进行了方法总结。首先，优化方案对Phyphox的功能进行了灵活转换，磁力计原始功能为测量磁场随时间的变化情况，用磁性摆球摆动引起磁场变化从而转化为测量单摆周期；近距秒表的原始功能为基于近距离传感器测量时间，用单摆周期性靠近近距离传感器从而转化为测量单摆周期。其次，在实验数据处理上拓展实验数据的处理方法，引入Excel软件，结合图像法处理数据，培养学生信息化数据处理能力。方法层面的总结提升有助于学生在后续实验中有意识地审思、分析并创新优化实验方案。

三、总结反思

用之有方，过犹不及。信息技术工具犹如一把双刃剑，其效果如何关键在于怎样应用。为有效发挥信息技术工具的促教、促学功能，下面提出几点建议。

（一）树立正确的应用观念，让教学回归“育人原点”

教师应树立正确的技术应用观念，明确实验教学中技术应用的最终目标是培养学生的实验探究能力、科学思维，技术手段应当成为促使学生主动思考、积极参与的催化剂，而不是取代学生思考和实践的工具。因此，教师须摒弃技术至上的观念，遵循“适合才用”原则，针对学情与实验内容综合考虑技术应用的必要性和效果，并做出合理选择。同时，教师也须摒弃技术万能的观念，遵循“有效才用”原则，在实验教学选择信息技术工具时辩证全面地评估其优势与局限，确保技术应用的合理性和有效性。

（二）拓展创新的应用方式，让“人”“技”走向协同共生

教师应拓展创新的技术应用方式，让信息技术成为支持学生理解概念规律、发展科学思维与实践能力的有效工具。首先，教师应深入研究、熟悉掌握已有信息技术工具的内在原理，这是拓展创新信息技术应用方式的前提。其次，教师需在教学实践中勇于尝试，积极反思存在的问题，突破技术单一应用思维，创造性地拓展应用方式，提升教学活力和效果，实现“师”“技”协同。最后，教师还需为学生提供多元的信息技术学习资源，让学生在信息技术的支持下更好地理解概念、规律，并能够主动参与、深度探究，培养学生的科学探究能力，走向“生”“技”协同。

（三）加强必要的应用指导，让学生深层建构思维

教师在利用信息技术开展实验教学时，应尊重学生主体地位，给予学生充分自主的探索空间，同时在必要环节发挥教师的主导作用，促进学生思维的深层建构。实验前，教师可引导学生利用信息技術进行自主探究，激发学生的学习兴趣和动力。实验中，教师在必要环节仍需发挥主导作用并加强指导，因学生在利用信息技术工具进行实验探究时，可能会在浅层探索中止步，或者在深层思考中遇到障碍，教师可提供适当的提示、示范和解释，帮助学生克服困难，拓展思维的深度和广度。实验后，教师还应注重引导学生总结反思，归纳总结实验结果和所得规律，促进学生系统化、结构化地建构新知。

参考文献

[1] 罗祖兵，韩雪童.信息技术对知识教学的僭越之思与破解之道[J].中国电化教育，2022（2）：60-68.

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版2020年修订[S].北京：人民教育出版社，2020：43-44.

[3] 人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究开发中心．普通高中教科书 物理 选择性必修 第一册[M]．北京：人民教育出版社，2019：49．

[4] 杨双伟，周革润，张小川，等.探究单摆测周期计时最佳位置[J].物理教师，2011（1）：34-35.

（作者系西北师范大学物理课程与教学论硕士研究生）

责任编辑：祝元志