国内外Phyphox应用于物理教学的研究与展望

张绮梦 李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

Phyphox是一款免费的智能手机应用程序(Android和IOS系统均可使用)，由德国亚琛工业大学的物理教师团队所设计．按原始传感器、力学、声学、工具、日常生活、计时器六大模块开设相应的物理实验测量工具，还可以自定义实验．该软件使手机变成了数据采集器，支持远程访问，实时生成图像或数据，便于实验数据的分享[1]．在疫情背景下，人们对Phyphox软件应用于物理教学的研究兴趣进一步提高．

本文在中国知网以及在The physics teacher，European Journal of Physics，Physics Education国外期刊上以“Phyphox”为主题词检索相关文献，对国内外的研究内容进行了梳理和探讨．

1 国内Phyphox软件应用于物理教学的研究内容

国内对Phyphox软件应用于物理教学的研究内容主要分为3类，一是融入物理实验教学，探索整合策略，二是改进传统实验，提高实验的可视度和准确度，三是开展拓展实验，增强实验趣味与实用性．总体上看，国内对Phyphox应用于改进传统实验关注度最高；新冠疫情背景下，Phyphox应用于物理教学的关注度显著提高；后疫情时代，利用Phyphox开展拓展实验受到更多关注．

1.1 Phyphox融入物理实验教学

研究Phyphox与线下物理实验的融合主要聚焦于探究式教学．文献[2]首次讨论把Phyphox软件应用于物理实验教学，以促进自主探究学习．文献[3]在前人的基础上对Phyphox软件中各个模块的功能做了较为全面的介绍，并指出该软件是开展课外探究实验、探究型学习的有效手段．疫情背景下 ，Phyphox与线上远程教育、DIY居家实验联系日益密切．根据数据调查显示，2020年3月下半月，Phyphox的下载量增长了30%[4]．文献[5]以高中物理“拍现象”教学设计为例，用GeoGebra和Phyphox软件辅助远程教育，认为借助软件经历探究过程并收集数据图像可以加深学生对物理实验原理和方法的理解，提高线上教学的效果．文献[6]基于手机Phyphox软件设计共鸣管测声速，能居家完成实验并获取较精确的数据，且学生反馈很好．然而，国内大部分研究者只做质性研究，缺少更多的教育性实证研究，未能充分地证实Phyphox融入物理教学的有效性．

1.2 Phyphox改进传统实验

Phyphox可以用于开展声学、光学、力学、磁学等许多实验，为教具的创新与实验的改良提供新颖的途径和方法．国内许多研究者从应用信息技术优化物理实验的角度出发，应用Phyphox改进传统实验的思路大体分为3类：由繁到简、由粗到精、由小到大．

“由繁到简”是基于智能手机的普及，以及Phyphox软件的免费性，设计低成本实验，达到不在实验室也能开展实验的目的．例如文献[7]利用Phyphox设计了创新的低成本测量亥姆霍次线圈磁场的实验方法，补充了测量磁场的新方法．

“由粗到精”是基于智能手机的传感器灵敏度普遍较高，将Phyphox改进传统定性实验变为半定量或定量实验．例如文献[8～10]利用Phyphox调用陀螺仪、磁力计、光传感器等，替代传统的秒表测量周期的方法，减少偶然误差，提高实验精度．

“由小到大”是指实验现象微小，借助Phyphox实时呈现数据、动态生成的特点显化放大实验现象，提高实验过程的可视度．例如文献[11]则利用Phyphox分别调用智能手机角加速度传感器、加速度传感器、磁传感器巧妙地设计桌面微小形变的实验，借助图像“放大”了桌面的微小形变．

1.3 Phyphox开展拓展实验

国内主要基于实际物理教学内容开展的拓展性实验，例如有研究者以初中的一则习题为例，用Phyphox的声音模块研究高脚杯发出声音的频率与杯中水量之间的关系[12]．还有研究者针对乘坐电梯产生的耳鸣问题，用压强传感器和加速度传感器对高层建筑物电梯运行的物理特性进行研究，并根据结果给出了调整优化电梯运行的参数，乘客耳鸣的问题得以解决[13]．国内应用Phyphox的拓展实验不仅关注趣味性，还注重探究内容在生活中的实用性．

2 国外Phyphox软件应用于物理教学的研究内容

2018年文献[1]对Phyphox软件进行了系统地介绍，指出该软件在教学上的应用优势．Phyphox自推出以来，国外有许多研究者对其教学价值进行了广泛地研究，主要包括3方面：一是从教师角度，提供Phyphox应用于物理实验的实例，二是聚焦于智能手机传感器本身，利用Phyphox开发低成本实验，三是从学生角度，应用Phyphox探究生活物理现象．

2.1 Phyphox应用于物理实验的实例

国外多是基于Phyphox应用于教学中的实际课例，为教师设计实验教学提供参考借鉴．例如文献[14] 提供了应用Phyphox在高中课堂上开展圆周运动的教学案例.文献[15]从力学实验、声学实验、压强实验以及电磁相关实验4个模块详细地介绍了Phyphox的原理及其功能，并认为教师可以利用该软件调动学生参与实验的积极性．国外多以实证研究为主，注重对实验教学中的误差进行讨论与修正，另外大学物理实验占比居多，没有对初中物理实验应用的研究．

2.2 Phyphox辅助下低成本实验的开发

早在2007年，国外研究者开始将智能手机传感器应用于物理实验．随着手机传感器在物理教学研究的日益成熟，越来越多学者提出用手机传感器设计低成本实验．尤其是疫情特殊期间，许多教师和学生借助Phyphox设计了低成本的居家实验，实验结果表明理论值和实验值有较好的一致性[16，17]．例如文献[18]开发制定了低成本的家庭实验包，借助Phyphox为居家实验提供科学软件支撑，提高远程实验的教学效果．

2.3 Phyphox探究生活物理现象

国外用该软件研究了许多生活中有趣的现象，如文献[19]从墨西哥坎昆机场到美国芝加哥机场的旅途中，用加速度(含g)模块验证地球的自转；文献[20]利用磁力计研究电气化铁路周围的磁场情况；文献[21]利用“声音频谱”功能研究“为什么Shepard tones营造紧张的气氛？”利用Phyphox探究生活现象不仅能加深学生对相关知识的认识，还能提高探索自然现象的兴趣．

3 Phyphox应用于物理教学的分类介绍

3.1 力学实验

手机内部通常含有加速度计和陀螺仪(含x,y,z方向)，通过计算可以获取物体、含g加速度、不含g加速度以及角速度等物理量，可用于“测量重力加速度”[22]、“计算转动惯量”[23]、“探究牛顿运动定律”、“圆周运动规律[14]等实验．Phyphox软件利用陀螺仪还开发了“摆”的功能，可以记录摆的运动并计算振荡周期T，将手机作为摆锤可用于研究大学物理中机械振荡[24]、超摆的机械共振现象[25]等实验．借助加速度计开发了“弹簧”的功能，可以分析弹簧振子频率和周期的功能，把手机当作振子可用于研究简谐运动[26]、阻尼运动[27]等实验．

文献[28]用手机在纸张上做直线运动和圆周运动，借助加速度计和陀螺仪间接测量出了滑动摩擦系数．如图1所示,先将手机在纸张上做线性运动，选用Phyphox软件中“不含g加速度”功能，选取智能手机y轴加速度值的实验数据，多次实验取平均加速度，根据公式可计算滑动摩擦系数．

图1 测量滑动摩擦系数实验一

-fk=-μkmg=ma

另一种方法是使用圆周运动的方法分析动摩擦系数， 如图2所示，先让智能手机背面朝下并获得一定角速度，随后手机会受到纸张表面作用的动摩擦力而停止．通过“陀螺仪”功能记录角速度的变化，角加速度可以从曲线图形的斜率获取．根据扭矩方程变换可得动摩擦系数公式

图2 测量滑动摩擦系数实验二

磁力计、光传感器和距离传感器记录数据的峰值，能够间接获得力学实验所需的数据．例如，如图3所示，在振子上安装自制光源或弱小轻磁铁，将手机水平放置在弹簧振子正下方，利用手机光线传感器软件或磁传感器软件记录弹簧振子做简谐运动时手机所在位置的光强或磁场强度变化图像，通过图像计算简谐振动的周期．在已知周期、弹簧质量(M)和振子质量(m)的基础上根据式(1)可计算出弹簧劲度系数，结合式(2)可以得出重力加速度[29]．

图3 测量重力加速度g实验

(1)

mg=κx

(2)

3.2 气压计实验

气压计能较精准地测量短时间内的高度变化，显示大气压强值，结合z轴的加速度计测得垂直方向的加速度和速度.然而一些安卓手机没有气压计，iso系统的手机通常含有较灵敏的气压计．Phyphox利用气压计开发的“压力”和“电梯”功能可以定量测量气压随时间变化的情况以及电梯升降过程中的高度和垂直速度，可用于开展课堂教学和相关拓展实验[30]．

文献[31]用Phyphox的“压力”功能验证了玻意耳定律.如图4所示，该实验把手机放进真空罩,通过推拉活塞改变抽气筒和真空罩密闭空间的气体压强和体积,计算压强和体积的乘积以及绘制相应图像,进而验证了玻意耳定律，实现了无线且实时采集数据，提高了实验的精度．

图4 验证玻意耳定律实验

3.3 电磁学实验

大多数的智能手机都包含磁力计(包含x,y,z轴)，可以记录空间中磁场的分布情况[20]，利用傅里叶变换可计算其频率．虽然电磁学实验器材相对高昂，但是国内外运用Phyphox开展电磁相关实验仍然较少．

图5 探究法拉第电磁感应定量实验

3.4 光学实验

Phyphox利用光传感器设计了“光”的功能，可以记录曝光情况．通常光传感器的位置跟前置摄像头或者麦克风的位置很靠近，打开“光”功能，用手遮挡手机的某个部位发现光强数值发生明显变化即可确定光传感器的位置．

利用光传感器可以开展半定量和定量的光学相关实验，例如，在非实验室环境下，文献[33]利用液晶显示屏与3D眼镜作为光源、起偏和检偏器设计实验，再借助“光”功能检测透过偏振眼镜的光强度变化，验证了马吕斯定律(图6)．

图6 利用液晶屏幕与3D眼镜验证马吕斯定律实验

3.5 声学实验

Phyphox软件设计了专门的声学模块.“音频发生器”可以产生特定的单一声音频率，用于探究多普勒效应[34]、测量声速[35]等实验．通过手机麦克风收录到的音频信息，“声音振幅”“声音频率”“历史频率”等功能可以记录生源的声压级、频率、周期和振幅，在实验过程可以替代示波器呈现波形图[5]、探究声音的特性[35～37]．

文献[36]利用“历史频率”功能探究空气柱振动的频率特性，在细长、均匀的圆周形透明容器中匀速注水，用“历史频率”记录每个时刻接收到的声音频率，利用Phyphox软件的数据分享功能导出数据，再将数据导入Origin进行处理分析，发现本实验误差较大，对测量结果进行了详细的分析与修正．文中指出虽然测量误差较大，但能够训练学生的数学建模、数据发掘与提取的能力．

3.6 自定义实验

自定义实验有3种途径：一是从二维码添加实验，即先在官网设计实验程序生成对应二维码，在Phyphox右下角扫描即可添加；二是通过蓝牙设备添加实验室，即将程序烧录进arduino或esp32中，打开手机蓝牙添加所创设的实验；三是新建实验，即根据实验所需自行在手机Phyphox软件中组合手机传感器用于实验的测量．国外研究者们多是借助arduino扩充智能手机传感器的功能，事实上，esp32相比arduino的成本更低．

文献[38]利用arduino设计了在教室就能测量太阳能电池板功率的简易实验(图7)，探究“多云天气”“云挡在太阳前”“照射角度”对太阳能电池板功率的影响，实验数据通过蓝牙传送到Phyphox软件中，并以图像的形式呈现功率的变化．

图7 探究太阳能板功率实验

4 思考与展望

随着信息技术迅猛发展，信息技术对教育改革的影响也日益深化．Phyphox作为功能较为丰富的物理教育软件之一，将成为辅助教师开展物理教学的有效工具，可以与STEM教育、远程教育等教育模式有效整合．它支持自定义实验，有望成为低成本实验、提高实验测量精度的重要技术突破口．但Phyphox软件在物理教学上应用研究也存在一些问题，目前缺少教育性的实证研究，教育实效有待检验；缺少与传统物理实验教学的有效整合策略，教学价值有待进一步挖掘；缺少自定义创新实验的系统开发，受arduino编程技术门槛的阻碍；实验结果的精度不一，受手机自身传感器灵敏性影响较大．