基于智能手机优化高中物理实验提升学生物理观念的研究*

袁家文

(南京市雨花台中学岱山校区 江苏 南京 210012)

季卫新

(南京市雨花台区教师发展中心 江苏 南京 210012)

1 研究背景

《中国教育现代化2035》明确提出加快信息化时代教育变革,建设智能化校园,改革现有的课程形式,在教学手段现代化方面进行创新.在2022版物理课程标准中,也明确要求要在教学中发挥多媒体教学优势,促进教育信息化、现代化的实现.近年来随着科技的进步,手机已经从传统的通讯工具升级为集多种传感器为一体的智能化终端,由于智能手机具有功能众多、传感器种类繁多且灵敏、可视化强、普及率高、便于携带使用等特点,可以使物理课堂的演示实验得以较好的优化和创新.

随着科技的发展,智能手机的芯片迎来5nm时代,不仅具有了强大的计算能力,还有各类强大的AI能力、种类繁多且功能强大的传感器,结合各类投屏、共享软件功能的完善,智能手机成为了物理演示实验的重要手段.利用智能手机进行演示实验,可以解决物理实验资源不均衡的问题[1].而且,相比于传统的DIS传感器更容易让学生体验到物理来源于生活,可以让学生在课下主动用智能手机设计并进行一些常见的物理实验,发现身边的物理规律,可以有效地提升学生的物理观念,从而提升物理课堂教学效果.

2 智能手机硬件和相关软件介绍

一部智能手机,最核心的硬件如CPU(手机中央处理器)、NPU(嵌入式神经网络处理器)、摄像头、内存、运存等,硬件功能越强大手机性能越强.本文介绍基于智能手机的演示实验中能用到的手机硬件、传感器和需要的软件.

2.1 摄像头

目前智能手机的摄像头主要有长焦、超广角、潜望式长焦等.手机搭载的摄像头越多,则可以使用的拍摄模式就越多.在物理实验中常用到的就是60fps拍摄和慢动作拍摄.

手机慢动作拍摄常用的是480帧慢动作和960帧慢动作.480帧慢动作拍摄是每秒拍摄480张照片再以每秒30张照片播放,即将物体运动慢放16倍;960帧慢动作则是将运动慢放32倍.可以实时将肉眼无法直接观测的快速运动直观地展现出详细的运动过程.

2.2 传感器

为了应对日益丰富的使用需求,智能手机可以通过自身配置的种类丰富的传感器扩充手机功能,传感器可以识别环境参数、手机位置、运动参数等转化为数据信息传输给CPU、NPU进行处理,转化为直观的数据、图表.

2.3 常用软件

(1)Phyphox(物理工坊)APP

Phyphox中文名是物理工坊,是由德国亚琛工业大学第二物理研究所2016年开发的一款免费的可支持安卓及IOS系统的基于智能手机内置传感器的物理实验软件[2],涉及的传感器及相关物理实验如表1所示,将手机内的传感器进行分类,具有数据准确、操作简单的特点.该软件还可以根据实际的演示实验需求,自行创建实验方案.

表1 PhyphoxAPP 常用传感器及适用的高中物理实验[3]

(2)希沃白板APP和PC端

为了将手机上获取的实验数据快捷清晰地传达给学生,提升学生课堂参与度,需要将智能手机的照片、视频快速传到电脑上,或者将手机屏幕共享到电脑上.希沃白板APP和PC端可以很好地满足演示实验的需求[4].

只需要在电脑上下载希沃白板PC版和手机上下载希沃白板APP,就可以利用“拍照上传”“手机投屏”等功能,实时将手机拍摄的照片、视频投屏到电脑上.相比其他投屏软件,希沃白板具有操作方便、功能强大、清晰流畅、稳定性强等优势[5].

(3)剪映APP

剪映是抖音出品的一款视频编辑应用,有着功能齐全、操作便捷的特点,可以将拍摄的视频进行慢放、剪辑等操作.打开剪映APP,点击“开始创作”,导入所需要修改的视频文件,即可对导入的文件进行慢放、剪切、放大、倒放、定格等操作.从而可以在实验时,更方便地读取数据,定量得出物理规律.

3 基于智能手机的演示实验提升物理课堂教学实例设计探讨

基于智能手机的演示实验在课堂教学中有着巨大的优势,在教学实例设计和实行过程中,应提升学生对设计方案进行分析总结的科学探究能力,引导学生由生活中随处可见的现象发现物理知识,再将所学的物理知识迁移到日常生活中,真正做到“从生活走向物理”的教学理念[6].

根据以上标准,笔者在此设计几组不易在课堂展示、但对学生课堂学习又极其重要的演示实验,用以提升学生物理观念,从而提升物理课堂教学效果.

3.1 利用手机慢动作拍摄演示加速度突变现象

【实验原理】

利用手机慢动作拍摄功能,记录剪断细绳后钩码的运动位置变化,演示钩码瞬时运动情况.

【实验器材】

弹簧,钩码,刻度尺,铁架台,细绳,智能手机.

【实验步骤】

(1)将弹簧、钩码、细绳、刻度尺按图1固定在铁架台上,用三脚架固定智能手机,并用希沃白板APP将手机画面投屏到电脑上.(2).打开手机慢动作拍摄功能,选择960帧,点击开始录制.(3).剪断细绳,用手机记录钩码下落时的运动情况.

图1 手机慢动作拍摄剪断细线瞬间

【实验结论】

通过慢动作拍摄的视频,可以直观地发现在剪断细线的瞬间,下方钩码保持静止,上方钩码向下加速.即可得到剪断细线的瞬间,弹簧弹力保持不变.

【设计背景】

牛顿第二定律瞬时性问题的实验因为变化太快难以用肉眼观测,学生理解困难.而利用智能手机的慢动作拍摄功能后,能够直观地展示物体运动的瞬时特点,可以让学生直观地观测到运动现象,化抽象为具象从而可以快速准确地得出结论.

3.2 利用智能手机描绘弹簧振子位移-时间图像

【实验原理】

用手机60fps拍摄功能记录弹簧振子的运动情况,用剪映APP进行慢放,读取滑块在运动过程中位置与时刻数据,在Excel表格中绘制图像进行拟合.

【实验器材】

智能手机,滑块,弹簧,气垫导轨,气泵.

【实验步骤】

(1)将滑块放置在气垫导轨上,连接气泵接通电源,对气垫导轨进行调平.

(2)如图2所示,用弹簧将滑块固定在气垫导轨上.

图2 探究弹簧振子运动实验装置

(3)将手机用三脚架固定在离传送带一定位置处,打开摄像模式,选择60fps拍摄,并用希沃APP将手机画面投屏到电脑上.

(4)将滑块拉到一定位置,由静止释放.

(5)将拍摄到的视频导入到剪映APP中,选择变速功能,将视频慢放10倍并导出视频.

(6)播放放慢后的视频,暂停读取时刻和位置数据.

【数据处理】

选择合适的时刻为计时起点,读取位置和时刻并记录在Excel中,用平滑图像进行拟合.实验数据和图像如表2和图3所示.

图3 Excel中记录数据并作图

表2 实验数据

【实验结论】

简谐振动的x-t图像是正弦函数图像.

【设计背景】

在研究简谐振动运动过程中的位移-时间图像时,实验室的传统实验器材大多只能定性地描述运动的特点,学生在构建运动模型时存在较大困难.通过使用手机高帧率拍摄后,再利用剪映软件慢放.将读取的数据录入Excel中,即可拟合出简谐振动过程中的位移-时间图像.本实验将定性实验转化为定量实验,不仅可以提高学生物理探究能力,还可以激发学生学习兴趣,提高课堂效能.

3.3 利用智能手机加速度传感器探究超重失重现象

【实验原理】

人在体重秤上下蹲起立,利用Phyphox软件记录运动过程中的加速变化曲线图.

【实验器材】

装有Phyphox的智能手机,体重秤.

【实验步骤】

(1)人站立在体重秤上,保持智能手机竖直向上,运行Phyphox软件,点击加速度传感器(含g),点开y方向加速度计.(2)保持手机平稳,点击软件右上角的三角形按钮开始记录.(3)快速下蹲,过一段时间迅速站起,同时观察体重秤示数变化.(4)点击软件右上角的暂停完成数据记录.

【数据处理】

手机记录的图像如图4所示,观察可知,下蹲过程中体重秤的示数先比自身重力大,后比自身重力小,站起的过程中体重秤的示数先比自身重力大,后比自身重力小.由Phyphox软件记录的加速度图像可得,下蹲过程中加速度方向先竖直向下后竖直向上,站起过程中加速度方向先竖直向上后竖直向下.

图4 Phyphox记录下蹲和站起时加速度变化曲线

【实验结论】

物体有竖直向下的加速度时,失重现象;物体有竖直向上的加速度时,超重现象.

【设计背景】

利用Phyphox软件记录的加速度图像,清晰直观地展现了下蹲和站起时的加速度变化.通过智能手机进行演示实验,将身体动觉亲身体验和定量数据测算、逻辑归纳推理相结合,让学生掌握超重和失重概念建立的过程,促进学生运动观念和相互作用观念的建立.

3.4 利用智能手机磁力计测量地磁场

【实验原理】

利用Phyphox软件测量地磁场方向和大小.

【实验器材】

装有Phyphox智能手机.

【实验步骤】

(1)运行Phyphox软件,使用希沃白板APP将手机画面投屏到电脑上.(2)选择磁力计,将手机水平放置在水平桌面上,保持手机平稳,点击右上角三角形按钮进行测量.(3)缓慢在水平面内旋转手机,使x方向磁场为零,记录此时手机指向以及y轴磁感应强度和z轴磁感应强度.

【数据处理】

图5为手机记录的相关数据.实验过程可知:

图5 Phyphox记录地磁场磁感应强度

(1)移动过程中,z轴磁场大小几乎不变且为负值.所以,地磁场竖直方向大小约为35μT,方竖直向下.(2)x轴磁场约为零时,y轴磁场约为25μT,方向由南向北.

【实验结论】

南京市的地磁场大小约为43μT,方向由南向北斜向下.

【设计背景】

地磁场非常微弱难于测量而且干扰较大,而Phyphox利用算法可以相对精确地测量磁场的大小和方向,化抽象为具象、化定性为定量.不仅可以快速且有效地展示地磁场的方向,还可以让学生真正地去测量地磁场的大小和方向,提升学生的科学思维与物理观念.

3.5 利用声音传感器测量非弹性碰撞的能量损失

【实验原理】

利用Phyphox软件读取声音传感器数据,从而计算出小球两次撞击地面的时间间隔.

【实验器材】

装有Phyphox的智能手机,弹性小球.

【实验步骤】

(1)运行Phyphox软件,使用希沃白板APP将手机画面投屏到电脑上.

(2)选择(非)弹性碰撞,将手机放在水平桌面上,保持手机平稳,点击右上角三角形按钮进行测量.

(3)将一个弹性小球在一定高度由静止下落.

(4)小球下落后会和地面发生多次碰撞,软件会由声音传感器记录小球落地时刻,并通过两次碰撞的时间间隔计算出小球每次下落高度.

【数据处理】

通过高度变化,计算出小球在和地面碰撞时的能量损失.数据记录如图6所示.

图6 Phyphox非弹性碰撞记录数据

【实验结论】

小球第二次碰撞后动能约为碰撞前71.9%.小球第三次碰撞后动能约为碰撞前71.9%.小球第四次碰撞后动能约为碰撞前70.08%.小球第五次碰撞后动能约为碰撞前74.12%.

【设计背景】

通过测量的数据,让学生估算出每次碰撞过程中能量损失比例,可以让学生更直观地认识到弹性碰撞与非弹性碰撞的区别,激励学生探究生活中的物理规律.

4 结束语

在科技和信息技术高速发展的当今,在物理学科新课标对于教学信息化、现代化的学科背景下,基于智能手机的演示实验在物理课堂教学中更加契合时代对教育发展的要求,更加符合新课标对学生素养能力培养的要求.

首先,智能手机具有普及性高、便捷性强的特点,基于智能手机的演示实验,可以辅助或替代实验仪器,对很多实验资源短缺的学校有着很重要的意义.其次,智能手机数据准确、传感器众多、集成度高、稳定性高、通用性强,避免了在实验过程中需要带各类传感器、安装众多软件的问题,也降低了实验成本,以及教师不得不再学习许多相关知识的问题.最后,通过基于智能手机的演示实验提升物理课堂教学实例可发现,智能手机在实验中,可以让学生有更多的参与度、更高的学习兴趣,对培养学生“生活处处是物理”的物理观念具有巨大的效果.

当然,由于基于智能手机的演示实验与传统演示实验有较大区别,需要教师重新设计课堂教学,使课堂教学更加有利于学生相关素养的提升.