基于核心素養(yǎng)的高中物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究

孫玉玲，朱新梅

(揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引言

2017 版普通高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)提出物理學(xué)科教學(xué)目的在于培養(yǎng)學(xué)生形成的正確的物理觀念、具備良好的科學(xué)思維品質(zhì)、主動(dòng)進(jìn)行科學(xué)探究的關(guān)鍵能力和正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，從而成為“全面發(fā)展的人”[1]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(DIS)是指基于傳感器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一般由傳感器、數(shù)據(jù)采集器及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件等各部分構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。外國(guó)研究建造的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的起步要比國(guó)內(nèi)早，外國(guó)的一些比較成熟的軟件系統(tǒng)有：PASCO 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、Pico Technology 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、Cobra 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等等。隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)也逐步完善升級(jí)了DIS 的軟件和硬件設(shè)備，我國(guó)生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也開(kāi)始逐漸增多，如艾迪生公司的EDISlab；北京友高公司的YOCO；南京金華科軟公司的JHKDIS，及目前在全國(guó)范圍使用廣泛的山東遠(yuǎn)大公司研發(fā)的朗威數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2]。

由于專(zhuān)業(yè)傳感器設(shè)備造價(jià)昂貴，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)始終難以得到大范圍推廣。近年來(lái)，攜帶有多種傳感器的智能手機(jī)作數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的新載體，具有方便攜帶、測(cè)量準(zhǔn)確、普及率高等優(yōu)點(diǎn)。將物理實(shí)驗(yàn)與智能手機(jī)的各種數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用程序相結(jié)合，正逐漸受到全球物理教育工作者的普遍關(guān)注，并成為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)[3-5]。Phyphox 是一個(gè)基于智能手機(jī)的APP,它可以調(diào)用手機(jī)中已有的各類(lèi)傳感器來(lái)采集數(shù)據(jù),并將原始數(shù)據(jù)與和結(jié)果圖表導(dǎo)出，供進(jìn)一步的分析。本文借助Phyphox 設(shè)計(jì)了高中物理中關(guān)于“超重與失重”的兩個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步討論了如何利用該數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案來(lái)提升高中生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例

1.1 下蹲與起立中的超重與失重

傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)是用體重秤來(lái)進(jìn)行下蹲和起立過(guò)程中的超重與失重現(xiàn)象的觀察，但是由于由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材的局限性，只有實(shí)驗(yàn)操作的同學(xué)或者老師才可以直觀看到體重秤上的數(shù)據(jù)變化，這樣的實(shí)驗(yàn)不利于全體同學(xué)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不能帶動(dòng)所有學(xué)生參與科學(xué)探究。2019 年人教版高中物理必修一教材采用人站在力的傳感器上來(lái)觀察下蹲和起立中力隨時(shí)間的變化，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的可視化，相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更容易方便所有同學(xué)參與觀察和科學(xué)探究，但是這樣的實(shí)驗(yàn)只能在配備了傳感器的實(shí)驗(yàn)條件下才能進(jìn)行，不利于廣泛開(kāi)展與推廣。而借助于只能手機(jī)的Phyphox 軟件，可以隨時(shí)隨地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，大大降低物理實(shí)驗(yàn)門(mén)檻，有效提高學(xué)生參與科學(xué)探究的興趣，提升學(xué)生的科學(xué)思維。

打開(kāi)手機(jī)中的“加速度（不含重力加速度）”，會(huì)發(fā)現(xiàn)它可以同時(shí)測(cè)量如圖1 所示的x、y、z三個(gè)方向的加速度，并可以用圖像顯示加速度大小變化。我們只需要研究豎直方向（z方向）的加速度大小，讓學(xué)生拿著手機(jī)，將手機(jī)屏幕朝上，保持水平和穩(wěn)定，先下蹲，過(guò)一小段時(shí)間再起立，且下蹲與起立過(guò)程不宜太快，重復(fù)此過(guò)程，便可得到如圖2 所示的曲線。學(xué)生利用自己所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行下蹲和起立過(guò)程中的超重與失重的分析如表1 所示。

表1 下蹲和起立過(guò)程加速度-時(shí)間圖像分析

圖1 手機(jī)x-y-z 方向

圖2 下蹲和起立過(guò)程加速度-時(shí)間圖像

1.2 電梯中的超重與失重

讓一名學(xué)生手持手機(jī)進(jìn)入電梯中，打開(kāi)phyphox 中的“電梯”功能，手機(jī)需要盡可能保持水平，與電梯盡可能保持相對(duì)靜止。導(dǎo)出數(shù)據(jù)我們就可以得到如圖3 所示的圖像，分析圖像可知電梯在下降過(guò)程中，先失重后超重；電梯在上升過(guò)程中先超重后失重，具體結(jié)果見(jiàn)表三所示。由圖像中的峰值我們可以得到乘坐電梯的加速度大小約為0.4m/s2。

圖3 電梯運(yùn)行過(guò)程中加速度-時(shí)間圖像

表2 電梯運(yùn)行過(guò)程中加速度-時(shí)間圖像分析

1.3 素養(yǎng)反思

采用phyphox 數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)對(duì)于幫助學(xué)生理解和掌握物理觀念、提升科學(xué)思維能力、引導(dǎo)自主科學(xué)探究和培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感都有很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不具備的優(yōu)勢(shì)。在“超重與失重”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過(guò)上述數(shù)字化實(shí)驗(yàn)親自參與整個(gè)超重與失重實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，從做實(shí)驗(yàn)到得出數(shù)據(jù)，再用可視化的方法分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以幫助學(xué)生通過(guò)親身體驗(yàn)來(lái)更好地理解超重與失重的特點(diǎn)。下蹲和起立與電梯運(yùn)行過(guò)程的超重失重圖像的一致性分析，可以幫助學(xué)生由觀察現(xiàn)象到深入物理本質(zhì)，幫助學(xué)生形成深刻的運(yùn)動(dòng)觀與相互作用觀。

不管是利用身體的下蹲和起立過(guò)程，還是電梯上升下降過(guò)程，上述數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)都從物理學(xué)視角對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用進(jìn)行了直觀的展示。超重與失重中可以對(duì)牛頓第二定律的力與加速度的相互關(guān)系進(jìn)行很好的闡釋?zhuān)缮钪凶畛Ｒ?jiàn)的事物（電梯）和運(yùn)動(dòng)過(guò)程（下蹲和起立）構(gòu)建物理模型，極大鍛煉了學(xué)生的物理科學(xué)思維。

實(shí)驗(yàn)前老師指導(dǎo)學(xué)生觀察超重與失重現(xiàn)象，提出相關(guān)物理問(wèn)題，讓學(xué)生進(jìn)行猜想與假設(shè)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制定實(shí)驗(yàn)方案，最終基于導(dǎo)出的Phyphox 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪制的圖像得出結(jié)論，并結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律作出解釋?zhuān)寣W(xué)生在相互交流討論中相互學(xué)習(xí)，這樣可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

該數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)超重與失重的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步延伸相關(guān)課外實(shí)驗(yàn)，比如讓學(xué)生在玩蹦床或摩天輪時(shí)借助智能手機(jī)的Phyphox 來(lái)觀察和測(cè)量超重與失重現(xiàn)象，也可以介紹天宮課堂中失重情況的相關(guān)實(shí)驗(yàn)：如太空拋物、太空浮力消失等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的向往，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的興趣。

2 結(jié)語(yǔ)

在智能手機(jī)普及的現(xiàn)代生活中，教師在高中物理教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生借助智能手機(jī)來(lái)開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親身參與實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)于物理現(xiàn)象的觀察能力，而且結(jié)合自主實(shí)驗(yàn)與觀察演示實(shí)驗(yàn)，可以提升學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維，增強(qiáng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，促使學(xué)生更好理解生活現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生“見(jiàn)物思理、格物致知”的科學(xué)態(tài)度，有助于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)觀。