李 捷 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 516000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和基礎(chǔ)教育課程的深化改革，以智能手機和個人電腦為核心的信息技術(shù)越來越多的進入到物理學(xué)科課堂的教學(xué)實踐中，因智能手機內(nèi)部搭載有多種傳感器和本身擁有搜集信息、傳遞信息、編碼信息的功能，體現(xiàn)出了便攜方便、普及率高、測量數(shù)據(jù)準確、功能廣泛的特點[1]，使得智能手機無論是在物理實驗方面，還是教育技術(shù)應(yīng)用方面都倍受現(xiàn)代教師群體的青睞.目前，國內(nèi)外利用智能手機進行實驗研究和教育技術(shù)研究正在蓬勃發(fā)展，具有良好的研究前景，本文擬對該領(lǐng)域近幾年的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行梳理和探討.

1 智能手機在物理教學(xué)中應(yīng)用研究的起始與發(fā)展

依據(jù)國內(nèi)可找到的文獻，其大致成逐年遞增的狀態(tài)，再結(jié)合國外的研究成果，智能手機在物理教學(xué)中應(yīng)用大致可分為如下幾個階段.

1.1 萌芽期(2005—2008年)

自1993年世界上第一部智能手機出現(xiàn)后，它強大的功能吸引無數(shù)人對其進行研究.但大多數(shù)的研究者都集中于手機本身的技術(shù)開發(fā)上，很少有關(guān)于教學(xué)方面的研究.一直到2005年劉庭華把智能手機聚焦到物理實驗教學(xué)領(lǐng)域中，最早利用智能手機來做實驗，演示了聲音的產(chǎn)生條件、電磁波能在真空中傳播和靜電屏蔽[2].Hammond 和Domelen也分別于2007年利用智能手機拍攝出清晰的實驗圖像和演示光的偏振現(xiàn)象[3,4].時隔一年，我國的教學(xué)研究者冷水英首次將智能手機應(yīng)用到教育技術(shù)上，展示了以智能手機為載體的教育信息技術(shù).其主要內(nèi)容是利用智能手機采集生活中的物理圖像；制作教學(xué)視頻；提供收集資料的快速方法[5].

在這一階段中，智能手機只是作為一個新型儀器引入到課堂教學(xué)，相關(guān)研究很少，同時也只利用了智能手機的一些基本功能.

1.2 起步期(2008—2014年)

基于上個階段的研究成果，國內(nèi)外關(guān)于智能手機在教學(xué)中的相關(guān)研究未艾方興，在物理實驗研究層面，我國學(xué)者不僅利用智能手機的內(nèi)置功能演示多種物理現(xiàn)象而且能嘗試利用手機里搭載的傳感器進行實驗教學(xué).與此同時，德國學(xué)者Vogt和Kuhn，于2012年發(fā)表首次利用智能手機里的加速度傳感器定量研究自由落體、彈簧、單擺的論文，此后他們在美國物理教師協(xié)會下的《The Physics Teacher》創(chuàng)辦專欄，征收大量有關(guān)將智能設(shè)備應(yīng)用到物理教學(xué)中的文章[6～9].除《The Physics Teacher》外，英國皇家物理學(xué)會文獻庫(IOP)收錄的《Physics Education》和《European Journal of Physics》自2013年起發(fā)表有關(guān)智能手機進行物理教學(xué)的文章.

在物理教育技術(shù)應(yīng)用研究層面，畢海濤(2011)首次將“移動學(xué)習(xí)”引入課堂，可利用智能手機及時在課堂上反映學(xué)生的表現(xiàn)，也可利用智能手機里的軟件與學(xué)生互動，實現(xiàn)師生溝通的無縫對接[10].程桂鵬(2012)、張丹彤(2014)各自在兩人的文章中提出利用手機拍照、錄屏功能在課堂上分享生活中的物理現(xiàn)象；利用相關(guān)軟件構(gòu)件虛擬化實驗室；通過手機內(nèi)傳感器和外擴傳感器測量數(shù)據(jù)，以及設(shè)置權(quán)限，禁止學(xué)生玩手機等方法和建議[11,12].

1.3 發(fā)展期(2014年至今)

從2014到2019年12月，本文搜索到國內(nèi)外有關(guān)智能手機的研究論文100多篇，其中大部分的文章是利用智能手機定性定量分析物理現(xiàn)象.小部分文章是研究智能手機在教學(xué)中的教育技術(shù)應(yīng)用，但從作者分布情況來看，其文章來源于世界上多個國家，說明有關(guān)智能手機在物理教學(xué)中的應(yīng)用正在受到人們的重視，相信在未來此研究領(lǐng)域會碩果累累.

2 智能手機在物理實驗中的應(yīng)用

智能手機在物理中的實驗研究范圍廣闊，其主要是通過安卓或iPhone手機上拍照、錄屏、慢動作回放功能以及手機上搭載的傳感器來進行實驗，近幾年來已涵蓋了力學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等多個領(lǐng)域，本文根據(jù)所查閱的相關(guān)文獻，對上述5個分類進行整理.

2.1 力學(xué)實驗

2.1.1 驗證性實驗

此類實驗巧妙利用了智能手機的內(nèi)置功能和搭載的傳感器測量角速度、加速度等物理量，演示或者證明物理學(xué)中的定理或定律.幫助學(xué)習(xí)者理解具體相關(guān)的物理知識.

如Asif Shakur和Jakob Kraft(2016)同時使用了智能手機的三軸陀螺儀測量角速度和加速度計的輸出功能，測速儀測量智能手機在旋轉(zhuǎn)軌道平坦部分滑動時所經(jīng)歷的加速度(如圖1所示).科里奧利加速度可利用公式計算

圖1 驗證科里奧利加速度實驗

發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與理論值吻合較好，定量驗證科里奧利加速度對旋轉(zhuǎn)軌跡角速度和滑動智能手機速度的依賴性[13].

Jesus和Sasaki(2016)利用手機里的加速度傳感器測量數(shù)據(jù)用相應(yīng)App軟件顯示圖像中速度數(shù)值，在手機前端固定環(huán)形彈片來驗證一條直線上的動量守恒(如圖2所示)[14].而Vanda Pereira等人將兩個智能手機攝像頭與Vid Analysis免費App軟件一起使用去追蹤三維運動空間兩個球在空氣中碰撞時的位置(如圖3所示).其速度的大小很容易從距離圖像中得到，再根據(jù)已知碰撞小球的質(zhì)量計算碰撞前后的動量，以此來驗證三維空間的動量守恒定律[15].

圖2 驗證一條直線上的動量守恒

圖3 三維運動空間中的碰撞

Salinas和Gimenez(2019)等人利用智能手機加速傳感器演示平行軸定理(如圖4所示)，利用公式推導(dǎo)出轉(zhuǎn)動角速度ω和轉(zhuǎn)動周期T的關(guān)系如下

圖4 演示平行軸定理

通過改變轉(zhuǎn)動角速度ω和測量周期T,并通過軟件繪出圖像發(fā)現(xiàn)T2與d2成正比，剛體的平行軸定理得以驗證[16].

2.1.2 觀察性實驗

此類實驗的重點是，利用智能手機對研究對象的特征進行觀察和記錄，并對相關(guān)實驗結(jié)果進行描述和對比分析.

如張坤華(2017)利用手機的攝像功能研究伽利略理想斜面實驗，并通過暴風(fēng)影音軟件逐幀播放，得到了小球在相鄰兩幀之間的距離相等，以此得到速度大小不變的結(jié)果，他還利用“加速度傳感器軟件”采集數(shù)據(jù)的功能讓學(xué)生進行下蹲和站起兩個運動，以此來觀察和研究超重和失重[17].Nicolas,Alexandre Goy等人(2017)利用手機照相功能觀察液體的表面張力，并通過測量照片中不同液體在懸滴時的直徑來定量觀察測量液體表面張力與液體種類的關(guān)系，幫助學(xué)生理解表面張力的概念[18].王蕾(2018)則通過手機拍攝視頻并用其慢動作功能分析研究平拋運動，很直觀地展示了平拋運動是水平方向的勻速運動和豎直方向的自由落體運動的合運動[19].

2.1.3 設(shè)計性實驗

此類實驗主要是在掌握了一定實驗技能和方法的基礎(chǔ)上，運用所學(xué)物理學(xué)知識，設(shè)計實驗方案，利用智能手機所搭載的傳感器測量記錄所需物理量并對數(shù)據(jù)進行整理分析，最終得出準確的研究結(jié)果.

如Unofre Pili和Renante Violanda(2018)將小磁鐵固定在在電風(fēng)扇的扇葉上(如圖5所示)，并利用智能手機搭載的磁傳感器所得到的時間函數(shù)和公式

圖5 圓周運動實驗

計算平均角速度，進而研究圓周運動[20].

Unofre Pili 通過吊墜小燈泡(2018)和小磁鐵(2019)的彈簧在豎直方向振蕩，設(shè)計利用手機搭載的光傳感器和磁傳感器得到相應(yīng)的振動圖像并通過公式

計算彈簧的勁度系數(shù)κ[21,22].

對于單擺運動國內(nèi)外近幾年的研究成果也相當(dāng)豐富，其主要是利用公式

在已知擺長和測量所得的單擺周期來計算重力加速度，我國學(xué)者是直接拿手機當(dāng)懸掛物體通過手機傳感器軟件直接獲取相關(guān)數(shù)據(jù)[23].國外學(xué)者有用小磁鐵代替手機運動，通過手機磁傳感器進行實驗；還有利用小鐵球和手機光傳感器進行實驗(如圖6所示)[24,25].綜上，無論是利用哪種傳感器，都是為了獲取單擺運動的周期，進而得出重力加速度.

圖6 單擺運動實驗

2.2 電磁學(xué)實驗

了解各個磁體的磁現(xiàn)象是研究電磁學(xué)的基礎(chǔ).對于天然磁鐵所產(chǎn)生的磁場，Enrique Arribas(2015)等人利用智能手機測定小磁鐵周圍磁感應(yīng)強度B與距離x的關(guān)系(如圖7所示)，并在圖紙上繪制B-x空間分布曲線[26].

圖7 測小磁鐵磁感應(yīng)強度

對于地磁場,曾心,劉健智(2019)借助手機自帶的指南針軟件，直接顯示地磁場的方向，再打開Smart Toolkit軟件，點擊金屬探測器，顯示出空間磁場隨時間的變化關(guān)系[27].

對于電流所產(chǎn)生的磁場，國內(nèi)外研究者(2019)利用磁傳感器，通過改變手機到通電線圈的距離分別深入研究了一根通電直導(dǎo)線、環(huán)形導(dǎo)線、環(huán)形線圈和一對相互平行的通電環(huán)形線圈，所產(chǎn)生的磁場方向、大小以及磁場的分布狀態(tài)(如圖8所示).而這些研究成果基本上包含了中學(xué)生需要了解和掌握的磁現(xiàn)象[28,29].

圖8 測通電導(dǎo)線磁感應(yīng)強度

2.3 聲學(xué)實驗

Lars Jochen Thoms(2018)等人利用智能手機和耳機做聽力測試，讓其呈現(xiàn)不同級別和不同頻率的聲音給測試者聽，讓他們指出自己的聽覺能夠感知的最小聲音，以此來確定每個頻率的最低級別(聽力閾值)[30].

在分析聲音特性的實驗中，Catalin Florea(2019)借助智能手機和能夠提供基本聲音分析的應(yīng)用程序，將頻率、響度、時間集于一張圖內(nèi)，識別分析出不同物體振動所發(fā)出的聲音[31].

在多普勒效應(yīng)實驗中，王靜(2019)等人則運用兩部手機，其中一部用 “Tone generator”功能發(fā)出固定頻率的聲音，另一部使用PhyPhox軟件里的“Doppler effect”功能對實驗的數(shù)據(jù)進行分析，測定多普勒效應(yīng)[32].

測量空氣中的聲速實驗中，惠宇潔(2018)利用PhyPhox軟件中的聲學(xué)秒表功能讓兩個學(xué)生分別持2部手機在距離為d的場地上，通過手機記錄的時間差值和最原始的速度公式測量聲速的大小[23].Simen Hellesund(2019)則利用管子和安裝有頻率分析軟件的智能手機測定復(fù)合音基頻f0并利用公式

v=4lf0

在已知管長l的條件下來計算聲速大小[33].

2.4 光學(xué)實驗

Giuseppe Colicchia(2015)利用智能手機里的與攝像機傳感器的視軸一致集成LED光源,通過瞳孔拍攝眼底(視網(wǎng)膜)的照片或視頻.解釋人眼的成像光學(xué)原理(如圖9所示)[34].

圖9 光學(xué)成像實驗

Chun Ming Chiang(2019)則借助手機的光傳感器定量地測量了光的偏振中的布儒斯特角度(如圖10所示)[35].

圖10 測量布儒斯特角度實驗

2.5 熱學(xué)實驗

由于手機里并無搭載溫度傳感器，但國內(nèi)外學(xué)者依然根據(jù)手機的其他功能去研究熱力學(xué)中的實驗，比如可以通過外接溫度傳感器測定溫度[36]；通過手機的延時攝影觀察氣體的擴散現(xiàn)象[19]；運用手機的拍照功能跟蹤冷卻體溫度，研究冷卻曲線(如圖11所示)[37].

圖11 研究冷卻曲線實驗

3 智能手機在物理教學(xué)方式方法中的應(yīng)用

3.1 智能手機在課前的應(yīng)用

我國學(xué)者提出可通過手機的搜取信息、識別信息、編碼信息的功能(如百度百科、云脈文檔識別、訊飛輸入法、WPS、HTML5)獲取教學(xué)資源進行備課[38].還可讓學(xué)生課前在家中通過智能手機移動終端獲取優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻(如慕課網(wǎng)站、優(yōu)酷客戶端的教育頻道板塊、知牛網(wǎng)、iH5)學(xué)習(xí)，教師則在課堂上指導(dǎo)幫助學(xué)生解決疑難，以實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式.

3.2 智能手機在課堂上的應(yīng)用

由于智能手機具有傳遞信息的功能，可利用智能手機下載遙控軟件(如茄子快傳、SeewoLink、獵豹免費Wi-Fi遙控、愛莫助手、希沃助手)或者利用手機連接同屏器打開同屏功能播放課件，擴大教師的活動范圍，同時可拍照課堂上學(xué)生的練習(xí)，進行有針對性的講解；下載相關(guān)軟件(如Total Control，QQ、微信的視頻功能)和利用手機的無線投影技術(shù)，直播演示實驗過程確保實驗可信度.

3.3 智能手機在課外的應(yīng)用

利用智能手機，一方面可隨時隨地開展實驗探究；另一方面可利用相應(yīng)軟件(如猿題庫、QQ的題庫功能)布置作業(yè)，監(jiān)測反饋學(xué)生們的作業(yè)情況，減輕教師評卷負擔(dān)以提高后續(xù)教學(xué)的目的性和有效性；還可通過創(chuàng)立教師的微信公眾號，定期發(fā)布知識點和物理方法供學(xué)生學(xué)習(xí)[39～41].

4 智能手機在物理教學(xué)中的優(yōu)勢

通過上述對智能手機在實驗和教育技術(shù)中的應(yīng)用介紹，不難看出手機的強大功能在教學(xué)中體現(xiàn)出它獨特的優(yōu)點[42].

4.1 價格適中 普及率高

目前市場中的智能手機功能完善且基本都搭載有十幾種傳感器，大部分滿足物理實驗的需求.且平均每部的造價在千元左右，比起數(shù)字實驗室里萬元左右的DIS數(shù)字傳感系統(tǒng)，智能手機在日常實驗中的使用就占有絕對的優(yōu)勢.

4.2 數(shù)據(jù)測量 快速便捷

智能手機是個獨立的個體，不受數(shù)據(jù)線的限制，且現(xiàn)在的傳感器軟件基本都趨于數(shù)字化.

測量數(shù)據(jù)，實驗者可以隨時隨地的去進行相關(guān)的物理實驗.

4.3 新型媒體 功能廣泛

智能手機是為了交互信息而產(chǎn)生的，因此在教學(xué)過程中，強大的手機功能可以為教師進行現(xiàn)代化教學(xué)提供必要的硬件支持，幫助教師將更多的精力聚焦在學(xué)生身上.

5 智能手機在物理教學(xué)中的應(yīng)用展望

近年來，智能手機在實驗中、教學(xué)中都表現(xiàn)出優(yōu)越性，但是否運用智能手機教學(xué)就一定能產(chǎn)生良好的教學(xué)效果呢，這就需要實證研究，Mazzella嘗試探討以智能手機為基礎(chǔ)的活動,研究學(xué)生對加速度概念理解的有效性.結(jié)果表明，基于智能手機的活動可以是傳統(tǒng)實驗環(huán)境的有效替代，對希望在中學(xué)階段開展實驗活動的教師來說是一種有價值的幫助.也就是說,運用手機進行實驗教學(xué)確實能在某些方面促進學(xué)生對概念的理解.由于智能手機是最近10年才在我國逐漸普及開，所以我國尚未開啟智能手機教學(xué)的實證研究，但是確實是個可深入研究的領(lǐng)域.另外，我們還可以嘗試把智能手機搭載的傳感器應(yīng)用到更多的物理實驗中去.

由最近幾年的手機使用群體大部分是年輕人的現(xiàn)象可以看出，手機的上網(wǎng)功能無論對于初中生還是高中生都充滿著誘惑，所以可以有針對性地加強學(xué)生在用手機上網(wǎng)時的權(quán)限限制，開發(fā)App去監(jiān)控學(xué)生在課堂上的手機使用狀況，保證課堂的教學(xué)效率.