基于核心素养的高中物理数字化实验研究

孙玉玲，朱新梅

(扬州大学物理科学与技术学院，江苏 扬州 225009)

0 引言

2017 版普通高中物理新课程标准提出物理学科教学目的在于培养学生形成的正确的物理观念、具备良好的科学思维品质、主动进行科学探究的关键能力和正确的科学态度与责任，从而成为“全面发展的人”[1]。数字化实验系统(DIS)是指基于传感器技术的实验平台，一般由传感器、数据采集器及相关数据处理软件等各部分构成的实验系统。外国研究建造的数字化实验室的数据采集系统的起步要比国内早，外国的一些比较成熟的软件系统有：PASCO 实验系统、Pico Technology 实验系统、Cobra 实验系统等等。随着国内技术的快速发展，我国也逐步完善升级了DIS 的软件和硬件设备，我国生产的实验数据采集系统也开始逐渐增多，如艾迪生公司的EDISlab；北京友高公司的YOCO；南京金华科软公司的JHKDIS，及目前在全国范围使用广泛的山东远大公司研发的朗威数字实验系统[2]。

由于专业传感器设备造价昂贵，数字化实验始终难以得到大范围推广。近年来，携带有多种传感器的智能手机作数字化实验的新载体，具有方便携带、测量准确、普及率高等优点。将物理实验与智能手机的各种数字化实验的应用程序相结合，正逐渐受到全球物理教育工作者的普遍关注，并成为数字化实验研究的热点[3-5]。Phyphox 是一个基于智能手机的APP,它可以调用手机中已有的各类传感器来采集数据,并将原始数据与和结果图表导出，供进一步的分析。本文借助Phyphox 设计了高中物理中关于“超重与失重”的两个数字化实验，进一步讨论了如何利用该数字化实验方案来提升高中生物理学科核心素养。

1 数字化实验案例

1.1 下蹲与起立中的超重与失重

传统演示实验是用体重秤来进行下蹲和起立过程中的超重与失重现象的观察，但是由于由于传统实验器材的局限性，只有实验操作的同学或者老师才可以直观看到体重秤上的数据变化，这样的实验不利于全体同学观察实验现象，不能带动所有学生参与科学探究。2019 年人教版高中物理必修一教材采用人站在力的传感器上来观察下蹲和起立中力随时间的变化，实现了实验过程的可视化，相对于传统实验更容易方便所有同学参与观察和科学探究，但是这样的实验只能在配备了传感器的实验条件下才能进行，不利于广泛开展与推广。而借助于只能手机的Phyphox 软件，可以随时随地开展实验，大大降低物理实验门槛，有效提高学生参与科学探究的兴趣，提升学生的科学思维。

打开手机中的“加速度（不含重力加速度）”，会发现它可以同时测量如图1 所示的x、y、z三个方向的加速度，并可以用图像显示加速度大小变化。我们只需要研究竖直方向（z方向）的加速度大小，让学生拿着手机，将手机屏幕朝上，保持水平和稳定，先下蹲，过一小段时间再起立，且下蹲与起立过程不宜太快，重复此过程，便可得到如图2 所示的曲线。学生利用自己所得到的实验结果，进行下蹲和起立过程中的超重与失重的分析如表1 所示。

表1 下蹲和起立过程加速度-时间图像分析

图1 手机x-y-z 方向

图2 下蹲和起立过程加速度-时间图像

1.2 电梯中的超重与失重

让一名学生手持手机进入电梯中，打开phyphox 中的“电梯”功能，手机需要尽可能保持水平，与电梯尽可能保持相对静止。导出数据我们就可以得到如图3 所示的图像，分析图像可知电梯在下降过程中，先失重后超重；电梯在上升过程中先超重后失重，具体结果见表三所示。由图像中的峰值我们可以得到乘坐电梯的加速度大小约为0.4m/s2。

图3 电梯运行过程中加速度-时间图像

表2 电梯运行过程中加速度-时间图像分析

1.3 素养反思

采用phyphox 数字化物理实验对于帮助学生理解和掌握物理观念、提升科学思维能力、引导自主科学探究和培养科学态度与责任感都有很多传统实验不具备的优势。在“超重与失重”实验中，学生可以通过上述数字化实验亲自参与整个超重与失重实验的过程，从做实验到得出数据，再用可视化的方法分析相关实验结果，可以帮助学生通过亲身体验来更好地理解超重与失重的特点。下蹲和起立与电梯运行过程的超重失重图像的一致性分析，可以帮助学生由观察现象到深入物理本质，帮助学生形成深刻的运动观与相互作用观。

不管是利用身体的下蹲和起立过程，还是电梯上升下降过程，上述数字化物理实验都从物理学视角对牛顿运动定律的应用进行了直观的展示。超重与失重中可以对牛顿第二定律的力与加速度的相互关系进行很好的阐释，由生活中最常见的事物（电梯）和运动过程（下蹲和起立）构建物理模型，极大锻炼了学生的物理科学思维。

实验前老师指导学生观察超重与失重现象，提出相关物理问题，让学生进行猜想与假设，并设计实验和制定实验方案，最终基于导出的Phyphox 实验数据所绘制的图像得出结论，并结合牛顿运动定律作出解释，让学生在相互交流讨论中相互学习，这样可以很好地培养学生的科学探究能力。

该数字化实验在帮助学生认识超重与失重的基础上，可以进一步延伸相关课外实验，比如让学生在玩蹦床或摩天轮时借助智能手机的Phyphox 来观察和测量超重与失重现象，也可以介绍天宫课堂中失重情况的相关实验：如太空抛物、太空浮力消失等实验内容，进一步引发学生对科学的向往，激发学生对科学探究的兴趣。

2 结语

在智能手机普及的现代生活中，教师在高中物理教学中引导学生借助智能手机来开展数字化实验，让学生亲身参与实验探究过程，培养学生在现实生活中对于物理现象的观察能力，而且结合自主实验与观察演示实验，可以提升学生的科学探究能力和科学思维，增强学生解决问题的能力，促使学生更好理解生活现象背后的物理本质，培养学生“见物思理、格物致知”的科学态度，有助于提升学生的物理学科核心素养和终身学习观。