•教法学法•
泉于移坊終端的高中物理负主採堯卖验
教学设计与棄例研走
林芸陈翠邱雯雙
(深圳高级中学广东深圳518〇4〇)
摘要：利用移动终端开展高中物理自主探究实验，旨在帮助学生将具体的物理知识、抽象概念转化为实际的动手实践并进行本质探究，充分感知物理现象，完成物理规律的构建，切身感受物理学科的魅力.本研究建立在以移动终端为栽体的高中物理自主探究实验开发与设计的基础上，为教师们提供实验方案和设计思路，为学生们提供实验资源和实验方法，以期为推动高中物理实验教学方式和教学评价等方面的改革开辟一条新路後. 关键词：移动终端；高中物理；自主探究实验；教学设计；实验案例
中图分类号：G633.7 文献标识码：B文章编号：1008 - 4134(2021)01 -0034 - 06
2020年初，新冠肺炎突如其来，扰乱了人们正常 生活和学习的步伐.疫情防控期间，全世界首次大规模地采用在线教学模式，这是一场前所未有的教育教 学变革.在线教学打破了传统课堂中物理空间和时间 的限制，让学习活动可以更加自由地进行.疫情之后，教师和学生一定会以新的视角来看待以往的课堂教 学.物理是一门以实验为基础的自然科学，实验是物 理发展的源泉，也是认识物理、学习物理的基础，在帮 助学生理解物理规律，培养学生动手能力、创新能力 方面具有不可替代的教育功能和重要作用.物理实验 教学不同于理论课程教学，更强调学生的动手操作[1].将理论学习与动手操作相结合，是优化物理实 验教学、提高实验教学有效性的关键.目前，搭载着由 传感器、数据采集器和相关数字化系统软件（A P P)组 成的移动终端（如智能手机、平板电脑），具有体积小、携带方便，以及采集数据高效、精确等优点，能帮助学 生更好地从具体经验到抽象概念、规律的构建，以全 新的面貌呈现出物理实验教学的新趋势. 1实验设备
实验教学首先要解决实验设备的获取问题，尤其 是物理量的测量问题.由于许多传统物理实验需要在 实验室进行，不仅取材不易，还受到空间和时间的限制，学生无法随时随地开展实验.因此，我们需要转变 思路，尽可能地利用身边易得的器材来设计并完成实 验.本文的实验器材，主要指移动终端和简单实验器材 两部分.实验器材可以就地取材，鼓励学生利用智能手机、平板电脑和身边的简单材料对物理问题进行探究，增进学生对理论知识的理解，培养学生善于发现、进行 探究现象本质的能力，激 发学生对于物理的兴趣.
移动终端，也叫移动通信终端，是指可以在移动 中使用的计算机设备，广义上包括手机、笔记本电脑 等.但是，大部分情况下是指具有多种应用功能的智 能手机以及平板电脑，它们具有强大的信息处理能 力，可以查资料、拍照、播放视频（音频）等等U].更重 要的是，随着科技的发展，许多精巧的传感器开始被 搭载于移动终端如智能手机或平板电脑之上，这些传 感器主要有加速度传感器、重力传感器、气压传感器、声音传感器、光传感器、磁感应强度及角速度传感器 等，具有测量高度、加速度、磁场强度，记录光强，接收 并分析信号等大量实用功能，一般情况下，下载相应 的A P P就可以实现物理量的测量.
实验器材：包括实验室普通器材（如铁架台、刻度 尺、小车、轨道、量筒、学生电源等）和身边的便携器材 (如杯子、卷尺、盒子、硬纸板、乒乓球等，包括网络购 置的简易定制器材如亚克力管、强磁铁、外接温度探 头等）.
2教学设计
2. 1教学目标
引导学生开展与教学内容匹配的自主探究实验, 激发学生的科学好奇心，培养学生的科学探究精神，提升学生学习兴趣和积极性，增强学生的动手能力、创新能力、数据处理能力和评价分析能力.
作者简介：林芸（1986 -)，女，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学；
陈翠（1987 -)，女，硕士，中学二级教师，研究方向：中学物理学科教学；
邱雯雯（1994 -)，女，本科，中学二级教师，研究方向：中学物理学科教学■34 •
2.2实验方案 外探究实验、虚拟实验七部分组成.教师们可以根据
实验方案贯穿整个高中物理的几大知识板块（见 学校和学生的实际情况，有目的、有组织、有选择地开表1)，由测量理论、力学、热学、振动与波、电磁学、课 展自主探究实验教学，提高实验教学的效率和质量.
表1高中物理自主探究实验方案
教学主题实验内容
实验设备
移动终端及软件简单实验器材
测量理论测量工具、数据处理软件的使
用、误差分析、实验安全原则
安卓手机/苹果手机一次性杯子、纸片
力学测量斜面的倾角
安卓手机/苹果手机
‘‘P h y p h o x —in c l i n a t i o n”
可以作为斜面的木板、硬纸板、轨道等
测量地球的半径
安卓手机/苹果手机
**P h y p h o x - lo c a tio n(G P S)M
测量自由落体运动的加速度
安卓手机/苹果手机
“P h y p h o x- a c c e le r a ti o n w ith g”
刻度尺、泡沫垫子
测量物体的加速度
安卓手机/苹果手机
44P h y p h o x- a c c e le r a ti o n (w ith o u t g)n
可以作为斜面的木板、硬纸板、轨道等（建
议表面均匀光滑）
测量电梯的速度
研究超重与失重
安卓手机/苹果手机
“P h y p h o x- p r e s s u r e”
垂直电梯
研究加速度的方向
研究向心加速度的方向
苹果手机A c c e lv is u2
带定滑轮的轨道、小车、绳子、重物；带马达
的圆形转盘
研究小球撞击地面的能量损失
安卓手机/苹果手机
“P h y p h o x —(i n)e l a s tic c o l lis io n M
乒乓球、网球、小铁球、耳麦
研究向心加速度与角速度的
关系
安卓手机/苹果手机“P h y p h o x- c e n t r i p e t a l a c c e l
e r a t i o n”“P h y p h o x- G y r o s c o p e”
带马达的圆形转盘
热学测量铜块的比热容
安卓手机/低版本
温度传感器配套软件
手机外接0T G防水温度传感器udn
研究材料的传热性质
安卓手机/低版本
温度传感器配套软件
铝盒、反光纸、黑纸、手机外接0T G防水温
度传感器（探头2个）、热源（小太阳）
研究温室效应
安卓手机(低版本）
温度传感器配套软件
亚克力玻璃制作而成的实验箱子以及制取
二氧化碳的反应装置
振动与波振动
研究单摆的振动（周期）
安卓手机/苹果手机
“P h y p h o x---m a g n e to m e te r”
铁架台、可悬挂的小铁球利用单摆测量当地重力加速度
安卓手机/苹果手机
“P h y p h o x---m a g n e t o m e t e r或者加速度传感器”
手机壳、绳子、两个铁架台
光学
发光强度与光源距离的关系
两台安卓手机/苹果手机
“P h y p h o x---L i g h t”
米尺或卷尺、两台手机支架不同颜滤光片的透光率
两台安卓手机/苹果手机
“P h y p h o x---L i g h t”
自动检票滤光片、光具座、手机支架
声学
研究声音的多普勒效应
两台安卓手机
“声音分析仪”
自行车
测量声音的速度
两台智能手机
安卓系统或苹果系统的
“S o u n d G e n e r a t o r(频率的声音发生器）”
I0S系统的“示波器”
长l m、直径10c m的亚克力玻璃管
高3 - 4c m的置物台
.35•
续表1
教学主题实验内容
实验设备
移动终端及软件简单实验器材
电磁学测量小磁铁周围的磁感应强度
与距离的关系
安卓手机/苹果手机
‘‘P h y p h o x---m a g n e to m e te r’’
强磁铁、坐标纸、双面胶
研究通电导线管周围磁场强度
与电流的关系
安卓手机/苹果手机
“P h y p h o x---m a g n e to m e te r”
学生电源、滑动变阻器、导线、开关、胶纸
课外实验资源IY P T/A Y P T/C Y P T青年物理学
家竞赛历年真题
安卓手机/苹果手机
P h y s ic s to o lb o x N S P A R K v u e N S e n s o r K in e tic s
实验室器材和生活中的材料、淘宝定制材
料等
2.3 实验开发与设计
力学实验：利用智能手机传感器A P P“P h y p h o x”的G P S(全球卫星定位）功能测量地球的半径：通过测 量两点的经纬度，得出经线的圆心角，在测量两点间 距离后可根据弧度测量法较为精确地计算出地球半 径[3]；利用智能手机“P h y p h o x”的Elevator(电梯）功能 测量垂直电梯的速度：通过内置的气压传感器来测量 垂直高度从而间接测出速度.
热学实验：利用智能手机外接O T G温度传感器(双 探头)研究材料的传热性质：在两个铝盒表面分别贴上 黑胶纸和白反光胶纸，用卤钨灯模拟太阳光照，通 过0T G温度传感器配套的软件界面获取铝盒内温度变 化情况，可以研究不同材料的导热特性（图1).
电磁学实验：利用智能手机内置3D磁力探测器 (一般安装在手机顶部）测量空间磁感应强度：如用坐 标纸和圆柱形强磁铁制作简单教具，研究小磁铁周围 的磁感应强度与场源距离的关系（图3)；设计简单电 路，研究通电导线周围的磁场分布（图4).
图3测量磁感应强度与距离的关系
光学实验：利用智能手机的光强传感器研究发光 强度与光源距离的关系：用两台手机支架和米尺制作
简易光具座.其中一台打开手电筒功能，另一台手机 打开“P h y p h o x”的Light(光强）功能，就可以测量不同 位置的发光强度（图2).
图2研究发光强度与光源矩离的关系
图4探究通电导线磁场强度与电流的关系
声学实验：利用智能手机或平板电脑“P h y p h o x”的S o n a r(声呐）功能测量距离：通过回声原理和声速 测量两点间距；利用两台安卓系统智能手机来研究声 音的多普勒效应（图5)：其中一台安装A P P“声音分 析仪”作为接收器（观察者），另一台安装A P P“频率 的声音发生器”作为发射器（声源），然后握在手上挥 动手臂使其做圆周运动，当发射器发出一定频率的声 音并相对于观察者运动时，接收器的声音分析仪界面 就能显示频率的变化情况；利用手机或平板电脑A P P “声音分析仪”、酒杯、量筒、量杯等探究酒杯发声频率 与杯中液体体积的关系（图6)：通过手指蘸取液体摩
•36
•
声源静止
声源远离
声源靠近
图5研究声音的多普勒效应
瓷管电阻器擦杯沿发声，用声音分析仪测量发声频率.利用智能 手机内置的声音传感器来研究空气驻波，测量声音的
速度（图7)：购置定制的透明亚克力玻璃管（长l m 、 直径10c m )作为空气柱的载体，一台智能手机安装
“S o u n d Generator (频率的声音发生器）”作为信号发
生器置于管的一端，另一台用苹果手机安装“示波器” 作为信号接收器，贴在木制刻度尺（或长条木板）上， 移动尺子(木板）的同时观察“示波器”界面波形的变 化，根据振幅的变化（最大值和最小值）即可确定空气 驻波波腹和波节的位置，从而测量出声波的波长，最 后计算出声音在空气中的传播速度.
高脚杯
1筒
丫环歷
J i
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1L i n
t 杯
/(H «)
1100
1000
酒杯发声频率与杯中液体体积的关系
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°0 23 50 75 100 123 150 175 200 225 250 27S^»>>-)
图6探究酒杯发声频率与杯中液体体积的关系
2_4 教学过程
教学过程是一个促进学生发展的过程，实验教学 过程需要运用各种教学手段和方法，使学生经历各种 活动认识物理世界，训练基本技能，促进智力、能力和
学科素养的全面发展[4].
(1)
教师根据教学主题发布相关实验内容或实验 小课题.
(2)
学生根据自身实际情况选择合适的移动终端
和简单器材，设计实验流程，开展自主探究或小组合
作探究活动，记录、收集实验数据.
(3) 实验过程以及实验结束后，教师和学生都可 以针对实验设备、实验步骤和实验数据进行分析、讨 论、评价.比如本实验有哪些优缺点？如何更好地处 理实验数据？如何减小实验误差？如何对实验进行 改进和拓展等等.
(4) 教师提供实验报告框架，学生撰写实验报告.
(5) 教师对学生的实验操作和实验报告进行评
价，反思教学过程中的优点与不足，调整下一阶段的
实验方案.2.5 评价
实验评价是物理实验教学改革的重点之一，参考 国际文凭组织I B 0物理课程对学生实验的评价标准， 我们可以从以下五个部分进行（图8):(1) 学生的实验设计能力与创新性——能体现学
生的主动参与、解决问题的能力和创新性.
(2) 实验操作能力——能通过科学的动手操作程 序对物理量进行测量.
(3) 数据分析能力——
能对实验数据进行选择、
处理、分析，得到相关的结论，能用图像描述物理量之
生产H间的关系.
(4)
实验反思能力—
能描述有数据支撑的结
论，阐述实验的优缺点和改进措施，提出相关拓展.
(5) 书面表达能力——能撰写出结构清晰、科学 严谨、语言顺畅的实验报告.
图7测量声音在空气中的传播速度
• 37
•
3实验案例
研究以“利用智能手机气压传感器测量垂直电梯
的运动速度”为例，撰写了如下实验报告.3.1 实验目的
(1) 测量垂直电梯运动的速度.
(2) 加深学生对位置一时间图像，速度一时间图 像和加速度_时间图像的理解.
(3) 培养学生动手能力、数据分析能力和实验创
新能力•
3.2 实验原理
大部分智能手机内置了气压传感器，短时间内高 度的变化可以通过气压传感器进行精确的测量，这是
连G P S 定位器都无法做到的.由于竖直高度和气压有 着一一对应的关系，因此，该原理可以用来测量电梯的位置变化，从而利用公式
计算出垂直电梯的
运动速度.此外，我们还可以利用三维（町加速度传 感器的z 轴传感器测量垂直电梯的加速度.3.3实验器材
(1)
智能手机一台（手机系统版本不能太低，需内
置气压传感器）.
(2) 小区垂直电梯•
(3) 置物平台，如一个小盒子或一张小椅子.(4) 软件：“P h y P h 〇x ” A P P —
利用软件中的El evator (电梯 ） 功能.
3.4 实验步骤
(1) 准备好以上设备进入电梯，确定楼层起始点， 本实验选择1 -5楼.
saba-018(2)
电梯运行到达1楼并处于静止状态时，将手
机平放在纸盒上.
(3 )先打开P h y p h o x ，选择
Elevator ，点击运行按
钮，此时软件开始数据采集，然后再按下电梯楼层按 钮5楼，电梯启动后，可以观察到三类图像开始显示 动态测量数据.
(4) 电梯到达5楼并静止一小段时间后，点击暂 停按钮，点击右上方下拉菜单一
save experiment
state 一to collection 保存实验数据，也可以选择右上方
下拉菜单一export d a t a 将数据导出到E x c e l .
(5)
返回 P h y p h o x 界面，选择 save experi me nt state 打开刚刚保存的实验数据，便可以读取实验数据，根 据物理图像可以随时进行数据处理和分析.
(6)
重复以上步骤可以获取更多组测量数据，从 而得到更精确的实验结果，如图9和图10所示.
图9气压传感器测量的压强数据与垂直髙度一一对应
图10手机测量电梯速度实验装置和传感器APP 界面3.5
注意事项(1)
最好避开电梯使用高峰期，选择清晨或者中 午进行.(2) 为了防止手持手机产生的误差，得到精确的
测量结果，手机需要静止平放在水平面上进行测量. 因此，我们建议在电梯里放人一个置物平台如小纸
盒、
小椅子等，并将手机平放在置物台上面.3.6数据处理与分析
图11实验采集到的数据
从图像可以看出电梯的运动分为三个阶段：向上 加速、勻速、向上减速.根据速度一时间图像可以直接 读出电梯匀速运动时的平均速度约为1.70m /s，利用
导出的E x c e l 数据则可以读出每个时刻的瞬时速度,
同时更精确地计算出匀速运动阶段的平均速度为
1. 67m /s .
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