智能手机的普及和手机应用软件的开发，给开展线上物理实验教学的实现提供了新的契机。为了提升线上实验教学的有效性，落实实验教学中学生的主体性，教师可利用智能手机和身边器材为学生搭建新型“实验室”，通过“教师线上指导，学生线下自主探究，线上师生展示交流”等多维方式相结合，引导学生自主设计并实践物理实验探究，把物理实验原理、实验方法生活化、信息化，从而实现物理学科线上实验教学中对学生科学探究素养的培育。
摘要
关键词科学探究；线上教学；信息技术；智能手机
线上线下协同教学搭建新型“物理实验室”
吴瑕1林冰冰2林振声3
（1.福州格致中学鼓山校区，福建福州350014；2.福建教育学院，福建福州350025；
3.福州教育研究院，福建福州350001）
一、问题的提出
随着现代信息技术的发展，智能手机逐渐得到普及，而在智能手机中搭载的多种传感器却还未得到一线教师足够的关注，在中学物理教学中也未得到足够的开发使用。
线上教学期间，学生无法进入学校实验室进行学科探究活动，这无疑成为以实验为基础的物理学科教学中不可逃避的难题。为了使实验教学能顺利开展，优化线上物理实验教学，师生可以在利用智能手机中内置的各种传感器的基础上，充分借助家中常见的生活化器具、电脑端软件、虚拟实验室等，搭建属于学生自己的家庭实验室，让大多数学生主动参与到探究过程中，力求达到与在实验室亲历做实验的相同探究效果，避免线上教学教一言堂谈的弊端，提高物理实验教学的有效性和体验性，促进学生自主学习的能力。
文章以德国亚琛工业大学发行的一款手机软件“Phyphox ”为例（中文名为“手机物理工坊”），分享笔者在线上教学期间，通过引导学生利用其中搭载的传感器，自主开展对中学物理教学中“向心加速度”“角速度”“单摆周期”“重力加速度”等基本物理量的测量方案设计与数据处理等，从而实现物理学科线上实验教学中对学生科学探究素养的培育。
二、搭建新型“物理实验室”，探索信息技术支持下的实验教学设计
根据高中物理课程中的重点知识和相关实验要求，在线上教学期间，师生借助智能手机内置传感器设计了若干线上物理实验教学和学生自主科学探究
活动，课程紧扣各个项目实验原理和实验方法，每个实验单元课程分为“线上绪论课”“实验原理讲解”“学生线下自主实验探究”“实验成果展示与交流”四个阶段。文章选取其中三个实验课程为例，阐述如何利用智能手机进行物理实验教学设计。
（一）深化数形结合思想，体验物理关系量间的数学美——探究向心加速度和角速度的关系
在传统的课堂实验教学中，探究向心加速度和角速度的关系通常使用向心力演示仪进行半定量演示实验，大部分学生无法直接参与实验。利用智能手机应用软件Phyphox ，教师可带领学生直接参与到这项有趣的实验探究中去，让学生成为探究活动的真正主体。Phyphox 除了使用手机传感器进行直接的物理量数据采集以外，还将不同传感器进行整合，能实现相关物理量的同步测量，通过使用Phyphox 的“向心加速度”，能实现探究向心加速度与角速度两个物理量的关系，并且可从采集到的数据进行图象显示，实现物理量关系的可视化。
1.实验探究内容：（1）探究a 与ω的关系：使用
Phyphox 的“向心加速度”，自行设计实验装置，让手机做圆周运动，保持转动半径不变，得出向心加速度和
角速度二者关系曲线，初步猜想a 与ω2成正比。（2）通过平方作图呈现的图像，用更多工具中的“线性拟合”，呈现出过原点的直线，可以说明a 与ω2成正比。
基金项目：福建省教育科学“十三五”规划2019年度教育教学改革专项课题“STEM 项目式学习在高中物理实验教学中的设计与实践”（课题编号：Fjjgzx19-056）。
教学研究
图1利用生活中常见的圆周运动（自行车轮、风扇扇叶）实验
2．学生实验过程与结果：学生充分利用家中可以做圆周的运动的器材（如自行车轮、风扇、洗衣机滚筒、转椅等）自主设计实验，进行测量（图1）。部分学生在实验过程中发现所采集到的数据点出现严重离散（图2），经教师引导分析，其原因是转动过程中手机不稳定而导致的圆周运动半径发生改变。通过调整改进实验装置，固定好手机，让实验器材稳定转动，转速由慢到快逐渐变化，在手机上记录下数据点（图3）。用“线性拟合”，将数据处理成一条直线（图4），在误差允许范围内，图像是一条过原点的直线，即a与ω2成正比。拟合曲线的方程截距比较小，可以忽略不计；线性拟合方程的斜率是一个长度单位。学生思考斜率的物理意义，猜想可能是手机做圆周运动的半径。学生继续实验，测量出转动装置的转轴到手机中心的距离，发现与斜率接近，考虑到手机陀螺仪的位置可能不在测量点上，有几厘米的偏差，再进一步实验，即可断定斜率就是手机陀螺仪的转动半径。最后得出实验结论：向心加速度的表达式为a=rω2。
图2测量点出现离散图3改进后的数据点图4线性拟合圆周运动向心力教学中的难点是探究向心加速度与角速度的关系，传统实验仪器只能实现半定量测量，而学校的DIS系统设备数量有限，也无法让每个学生都参与实验。而手机内置的加速度计解决了这一难题，学生可以利用智能手机，以家中不同的生活化器材进行实验探究，并从定性粗略测量中猜想两个物理量之间的关系，再通过细化实验方案做到精确定量探究，完整体验到物理实验探究过程中数－理结合的重要性以及物理关系量间精准描述的科学性。手机让实验日常化，实验结果可视化，学生在实验中感悟数形结合的思想，发现物理数学之美。
（二）亲历问题发现，感悟严谨求真的科学态度——利用单摆测重力加速度
利用单摆测重力加速度实验是高中学生必做实验之一，学生通过实验探究发现单摆周期的决定因素，学习用不同方法测重力加速度。学生以手机和绳子自行组合成实验用的单摆，利用手机程序Phyphox 中的“加速度”进行测量，测定不同摆长下的单摆周期，教师指导学生使用Excel进行数据处理。
1.实验探究内容：（1）学生利用家中器材自行设计实验装置（图5），固定悬点，固定好装置；打开并运行Phyphox“加速度（不含g）”或“陀螺仪”，让手机小角度摆动（近似简谐运动）。手机记录下a-t某一方向的图像，根据峰值与峰值间的时间间隔，得出单摆运动周期T（图6）。（2）测出单摆的摆长l，由单摆的周期公式T=2π1/g，可得g=4π2/T2，即可计算出重力加速度。改变摆长，重复上述实验。（3）由数据得T2-l图像，拟合得到线性直线，分析T与l的关系；根据直线的斜率k，由g=4π2/1计
算出重力加速度，查询福州重力加速度的值，进行误差分析［1］。（4）交流讨论实验结果，分享活动心得。
图5学生设计的单摆装置
图6手机测量的数据
2.学生实验结果：以一位学生实验数据为例（图7），用计算法算出的重力加速度平均值为9.717m/s2
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拟合直线的截距0.0173，几乎可以忽略不计，可以认为是一条过原点的直线，证明在误差允许范围内，
单摆的周期的平方与摆长时成正比。拟合直线的斜率为0.0403，通过计算可得g=9.7961m/s2。通过查询可知，福州地区的重力加速度大约为9.7916m/s2。由实验可以看出，用该实验测量得出的重力加速的值非常接近当地重力加速度。学生在交流实验结果时发现用不同手机（质量不同）能得出相同的结论，间接验证了单摆周期与质量无关。
在该实验探究过程中，教师通过学生提交实验视频和数据结果，线上指导学生分析误差原因，学生对实验装置和操作进行改善，以求实验的精确度和真实性。学生经历了发现问题、设计方案、收集数据、处理数据、交流讨论等科学探究过程，理解科学探究的目的和意义，培养严谨求真的科学态度。
图7学生实验数据和T2-l图像
（三）打破认知误区，体验物理如何走向生活——用Phyphox探究升降电梯运行规律
在超重和失重课堂教学中，通常通过观察升降梯中的秤的读数变化进行分析，得出超重和失重的力学原理，再使用DIS拉力传感器对竖直上下运动的物体进行数据采集，在计算机中呈现拉力随时间变化图像，以此来判定运动的物体是处于超重还是失重状态。在线上教学期间，教师同样可以利用智能手机的加速度传感器并结合Phyphox，引导学生自行对电梯的上行和下行的加速度进行精细测量，并通过分析测量数据，了解电梯的实际运行规律，再进一步对照我国乘客电梯技术参数表，就可以将测量结果用以检测自己住所电梯的运行是否正常。
1.实验探究内容：（1）选择一部电梯，在电梯中将
手机紧贴电梯的墙壁上，调整手机方位使手机的长边在竖直方向上（图8）。运行Phyphox的加速度（不含g），选择楼层启动电梯，手机记录电梯加速度变化曲线，保存实验数据（图9）［2］。（2）观察手机中加速度时间图像，分析电梯在上行或者下行过程中的运动情况和加速度变化情况。（3）家中没有电梯的学生，进行下蹲和站起实验，分析这两个过程的运动情况。（4）对比不同电梯的加速度时间图像（图10），交流讨论实验结果，分享活动心得。
图8在电梯中实验图9加速度－时间图像1
图10加速度－时间图像2
2.学生实验结果：学生由电梯加速度—时间图像（y轴为线性加速度）可以判断：当电梯从一楼到五楼（或其他楼层）的过程中，电梯先做加速度增大再减小到零的加速运动；加速过程结束后以最大速度匀速上升运动；即将达到预定楼层前，电梯做加速度先增大再减小到零的减速运动，最后到达预定楼层的瞬间，速度减小为零，停止运动。学生对比不同地点的电梯发现加速度时间图像有所不同，说明不同电梯在运行过程中的动力不同，影响乘坐电梯的舒适程度。对照我国乘客电梯技术参数表，学生就能从中了解到与电梯相关的运行参数标准，可以用以检测电梯的运行是否正常。
通过该实验探究对图像信息的分析，学生体会到数形结合思想在物理实验中的重要应用。通过精细化的实验数据分析，打破学生的认知误区，让学生意识到，科学探究是获取科学知识的重要途径。学生还能利用相同方式分析家庭汽车、公交车、地铁等交通工具的运行特点和性能，真正体验到物理是如何走向
生活中。
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三、新型“物理实验室”，多维度引领物理实验教学变革
（一）信息技术优化物理实验，促进教学方式多元化
物理实验教学需要通过创设情境、实验探究、交流讨论等来实现实验教学目标的达成。在传统的中学物理实验教学中，学生通常是在教师设定好的特定实验条件和实验步骤下进行，这对学生进行真正的科学探究训练存在一定的限制。将信息技术与物理实验教学进行深度融合，将智能手机应用程序运用于物理实验教学中，不仅可以使测量数据更加精准，方便快捷地收集大量实验数据，更可以进一步直接展示以图形图像等，从而优化实验效果，增强探究的有效性。而师生可以把实验室从学校“搬”到学生的手机里、电脑上、家庭中，线上和线下相结合，共同丰富中学物理实验教学方式方法。
（二）智能手机辅助科学探究，加强线上教学有效性
学生利用手机进行实验，能打破时空的局限，就地取材，随时随地进行实验，将老师和家长严防死守的智能玩具巧妙地转化为一个便携式的科学探究实验室，成为线上实验教学的有效辅助手段。学生在这种“便携式的实验室”中，培养动手能力、科学严谨的态度和科学思维能力，使得学习更具灵活性、自主性、
个性化，有效提升学生的科学素养。
（三）新型实验室转变学习模式，有效提升学科素养
以手机、平板等智能产品搭建的新型“物理实验室”推动着学生的学习模式发生转变。手机APP的应用降低了学生做实验门槛，让物理实验走进学生的日常生活［3］，使实验更加“亲民”。学生根据自身生活中实地情况和问题，在实验过程中设计符合自身实际情况的合理实验方案，学会采集和分析数据的方法，并且能根据自身学习情况进行拓展研究，引导学生进一步将实验结果运用到实际生活问题解决和探究上，真正体验到物理是如何走向生活。
参考文献
［1］利润，李德安，周少娜.巧用智能手机拓展单摆实验［J］.物理实验，2019（5）：59-62.
［2］江敏丽，吴先球.用智能手机探究电梯中的超重与失重现象［J］.物理通报，2016（12）：108-110．
［3］李锡均，程敏熙，江敏丽．数字传感器新载体：智能手机在物理实验中的应用综述［J］.大学物理，2018（2）：53-59.
（责任编辑：周志平）
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