以实验变式为手段培育学生核心素养——以phyphox 软件探究加速度与力、质量的关系为例

◎ 海南省文昌中学 傅启地 林 丰

在高中物理实验变式教学中，教师通过创设变式问题情境、改变实验的条件和原理，拓展实验内容，让学生透过对象变化的非本质属性认识到对象的本质属性，是培养学生批判性思维和创新能力的重要手段。然而在教学实践中，教师多以纯书面形式的实验变式教学活动，鲜少开展实践类的实验变式教学活动。随着基础教育改革的深入，以学科实践作为学习方式变革的突破口，为核心素养时代回答学科如何育人问题提供了新的范式。以学科实践活动为抓手，用实践撬动传统的坐而论道的教学方式，建立实践型的新型育人方式，这既是新课标的内在要求，也是落实新课标的必然要求。

一、基于phyphox软件的实验变式教学的价值

纵观物理学的发展史，伽利略开创了对近代科学发展极为有益的科学方法，其核心为将实验和逻辑推理（包括数学演算）和谐地结合起来，“实验＋逻辑推理”成为解决真实情境中的问题的一套典型做法，是物理学科实践的重要表现形式，也是促使学科核心素养达成的重要手段。随着信息技术与物理教学深度融合，数字实验已成为物理实验中不可或缺的内容，利用数字实验系统可使很多难以测量或难以控制的实验得以顺利进行，也使得很多实验的测量精度大大提升。然而专业化的数字实验系统造价较高，在一定程度上又限制了数字化实验的普及，造成师生无数字实验可做的尴尬局面。可通过自制性价比较高的数字实验解决上述问题，智能手机本身携带多种高精度传感器，phyphox（物理实验应用程序）软件可将手机传感器的数据可视化，二者的有机结合使得智能手机变成一个数字实验系统，是制作性价比较高数字实验的有效手段，以智能手机自制数字化实验开展实验变式教学活动，既是物理学科实践的重要表现形式，又是培养学科核心素养的重要途径。

二、以智能手机自制数字实验开展实验变式教学活动的设计思路

基于逆向教学设计理论，教师根据预设的教学目标，考虑学生现有的认知水平，遵循学生的认知路径，以学为中心创设变式问题情境，对教材中的实验进行改进或重新设计新的实验方案，引导学生利用智能手机和日常用品制作数字实验所需器材，以“实验+逻辑推理”的形式开展小组实验探究活动，对探究结果进行交流和展示，通过活动评价诊断是否达成教学目标。

图1 基于自制数字实验的学科实践活动设计思路

三、基于phyphox软件的实验变式的教学策略

1.以学为中心创设变式问题情境

在实验变式教学中应考虑学生现有知识经验基础和认知水平，以学为中心创设变式问题情境，利用变式问题情境引发学生产生认知冲突，激活质疑批判思维，激发学生探究的热情。

2.以自制变式数字实验保障学科实践活动的有效开展

数字实验通过高精度的传感器获取实验数据和可视化的软件显示数据，能够有效获得实验数据，是有效开展学科实践活动的基本前提和保障，根据研究问题的需要将智能手机和日常用品创造性地结合制作实验教具，通过数字实验的方式实现对传统实验的改进和创新。

3.重视实验变式教学活动中的评价

一方面，评价可以由教师通过设计评价性的问题、课堂观察等方式，对学生在学科实践活动中解决问题的行为和终结性的报告进行过程性评价和总结性评价，诊断教学目标是否达成；另一方面，学生之间的相互评价，批判性看待同学的解决问题方案和呈现的研究成果，培养了学生批判性思维能力。

四、基于phyphox软件的实验变式教学设计与实践

智能手机中搭载了多种高精度的传感器，例如有加速度传感器、磁力计、光传感器等。本文以“加速度（不含g）”传感器在探究加速度与力、质量关系的实验中应用为例，实证变式数字实验教学对培养学科核心素养的作用。

1.教学目标

“实验：探究加速度与力、质量的关系”的教学目标如表1所示。

表1 教学目标

2.以习题创设变式问题情境，提出实验变式的需求

例题：如图2所示，质量为m1的物块A和质量为m2的物块B，通过轻绳连接并悬挂在弹簧下方。开始时整个系统处于静止状态，在某时刻剪断两个物块间的轻绳，求此时物块A所受合力？

图2 例题图

解析：在剪断轻绳前，A物块处于平衡状态，设此时弹簧的弹力为F弹，对A物块进行受力分析可得：F弹=m1g+m2g。在剪断细绳的瞬间，A与B间的轻绳的弹力突变为0，由于弹簧的形变瞬间不变性，可知此瞬间弹簧的弹力不突变，对A物块进行受力分析可得合力F=m2g。

创设实验变式问题情境：在上述例题中，由于轻弹簧的弹力瞬时不突变和轻绳的弹力可瞬时突变，造成剪断轻绳瞬间物块A的合力发生突变，其加速度也发生突变。请以物块A为研究对象，设计学科实践活动方案，探究物块A的瞬时加速度与瞬时合力、质量的关系。

3.设计和论证实验方案

（1）测量物块A所受合力的大小方案。

问题：如何测量剪断轻绳瞬间物块A所受合力的大小？

方案：剪断轻绳瞬间，A所受合力为F=m2g，可由电子秤或天平测出物块B的质量m2，再乘以实验地区重力加速度的数值；或者由弹簧测力计直接测出物块B的重力m2g。

论证方案的可行性：电子秤、天平和弹簧测力计是实验室中常见物品，取材容易，通过搜索引擎能查到实验地区的重力加速度的数值，两个方案可行。

（2）测量物块A质量的方案。

问题：如何测量物块A的质量？

方案：可由电子秤或天平测出物块A的质量。

论证方案的可行性：电子秤和天平均是常见物品，取材容易，方案可行。

（3）测量剪断轻绳时物块A瞬时加速度大小的方案。

问题：如何测量剪断轻绳瞬间物块A的加速度大小？

方案一：利用打点计时器或光电门通过间接的方式测量在剪断轻绳瞬间物块A加速度大小。

方案二：以智能手机作为物块A，在智能手机phyphox软件中选择“加速度（不含g）”传感器，通过加速度传感器测量剪断轻绳瞬间物块A的加速度。

论证方案的可行性：为了探究在剪断轻绳后多少时间内弹簧的形变量可近似认为不变，用智能手机、重物、弹簧、铁架台和不可伸长的轻绳等物品搭建例题中所示的模型，手机拍摄剪断轻绳前后一段时间内的视频，设置拍摄视频的帧率为60FPS（画面每秒传输帧数），通过视频剪辑工具处理拍摄的视频，并逐帧分析视频的画面。对比视频第29帧（图3）和第30帧（图4）的画面，发现物块A在第30帧时开始出现轻微重影，但弹簧底端的箭头可视为不动，在31帧（图5）的画面中发现弹簧底端的红色箭头有了明显的位移，表明弹簧的形变已然发生明显的变化。因此在第29—30帧的1/60s内，可认为弹簧的形变量保持不变，弹簧的弹力在这段时间内可视为不变。综上所述，测量物体瞬时加速度的仪器，其数据采样频率应大于60Hz。

图3 29 帧画面

图4 30 帧画面

图5 31 帧画面

打点计时器和光电门是通过测量物体的位移和时间，间接计算出物体运动一段时间内的平均加速度。由于打点计时器打点的频率为50Hz和光电门仪器大小的因素，导致该段时间大于上述实验中的1/60s，加速度的数据采样率小于60Hz，因此方案一不可行。

在phyphox软件中加速度传感器的数据采样率最大可设置为500Hz，即1/500s测量一次加速度，因此加速度传感器能够测量出1/60s内加速度的大小。剪断轻绳前，物块A处于平衡状态，加速度为零；剪断轻绳的瞬间，物块A的加速度将从零突增至某值，在加速度随时间变化的图像中可直观看到图线从横轴处陡增至第一个波峰顶点，通过选取波峰点的数据，即可读出剪断轻绳瞬间物块A加速度的大小（图6）。

图6 加速度随时间变化的图像

4.以智能手机和日常用品自制数字实验

以智能手机作为例题模型中的物块A，小桶为物块B；将弹簧的一端固定在铁架台上，另一端与智能手机相连接；将不可伸长的轻绳一端系在手机下端，另一端系在小桶上，整个装置放置在竖直平面内。

5.以自制数字实验开展实验探究，基于实验数据开展科学推理活动

采用控制变量法进行实验，实验一：控制手机质量m1不变，通过增加或减少桶内的物体质量m2改变手机所受的合力，记录多组加速度a与合力F的数据如下：

（1）m2=0.28873kg，F=2.8256N，a=9.901m/s2；

（2）m2=0.22303kg，F=2.1826N，a=7.724m/s2；

（3）m2=0.14595kg，F=1.4283N，a=4.959m/s2；

（4）m2=0.08675kg，F=0.8490N，a=2.924m/s2；

（5）m2=0.05473kg，F=0.5356N，a=1.874m/s2。

利用电子表格作出加速度a随合力F变化的图像（图7），由图像可知在剪断轻绳的瞬间，当手机质量不变时，其加速度与合力成正比，存在瞬时对应关系；实验二：控制手机所受合力不变，往手机上贴铁片改变手机的质量m1，记录多组加速度随质量变化的数据如下：

图7 加速度a 随合力F 变化的图像

（1）m1=0.26382kg，1/m1=3.79046kg-1，a=3.210m/s2；

（2）m1=0.28356kg，1/m1=3.52659kg-1，a=2.911m/s2；

（3）m1=0.30413kg，1/m1=3.28807kg-1，a=2.725m/s2；

（4）m1=0.32451kg，1/m1=3.08157kg-1，a=2.573m/s2；

（5）m1=0.34452kg，1/m1=2.90259kg-1，a=2.446m/s2。

利用电子表格作出加速度a随1/m1变化的图像（如图8），由图像可知在剪断轻绳的瞬间，当手机所受合力不变时，其的加速度与质量成反比。

图8 加速度a 随合力1/m1 变化的图像

6.活动评价

在教学中教师对学生的行为表现和以小组为单位所作的汇报进行过程性评价和总结性评价；另一方面，开展学生之间相互评价活动，培养学生科学批判性思维能力。

基于智能手机结合日常用品自制数字实验并开展物理实验变式教学，在真实的问题情境下，学生以学科实践的方式经历了解决问题的全过程，在实验探究中强化学生数据处理分析能力，启发学生深度挖掘实验中数据价值，促使高阶思维的发生，让学生在学科实践中自主建构知识体系，培养实践操作能力，提升科学思维能力，最终落实核心素养的培育。