張懷華：河南省焦作市第十一中學(xué)教研督導(dǎo)處主任、正高級教師，教育部新時代中小學(xué)名師名校長培養(yǎng)對象，河南省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人、中小學(xué)教師教育專家、電化教育專家、中原名師。長期致力于青少年創(chuàng)客教育與中學(xué)物理創(chuàng)新實驗教學(xué)的融合研究，撰寫教育教學(xué)隨筆30000余篇，發(fā)表論文50余篇，指導(dǎo)1300多名學(xué)生取得國際、國家或省（市）科技創(chuàng)新成果獎，指導(dǎo)100多名學(xué)生申報并取得專利；被中央電視臺等媒體報道130余次。堅持“熱愛學(xué)生、立德樹人”的教育初心，“重教材但不唯教材”，專心致志做學(xué)問，一絲不茍做教育。將教學(xué)與生活有機融合，引導(dǎo)學(xué)生在研究、實踐、反思、表達、分享中螺旋式提升綜合能力。

當(dāng)前，智能手機全面、深遠地改變了人們的生活。學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下，科學(xué)、合理、有節(jié)制地使用智能手機及其搭載的應(yīng)用軟件（App）自主探究，提升創(chuàng)新意識和實踐能力。教師可以巧妙創(chuàng)設(shè)問題情境，運用智能手機開展實驗探究活動，讓學(xué)生在親身體驗和主動探究中逐漸轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式。當(dāng)下，世界各國的學(xué)校紛紛開展線上教學(xué)活動，一些App搭乘線上教學(xué)的快車成為新寵。手機物理工坊（Phyphox）是一款智能手機實驗程序，支持用戶根據(jù)需要自主開發(fā)。Phyphox平臺全面、系統(tǒng)地整合了智能手機中搭載的所有傳感器，預(yù)置了門類齊全、數(shù)量眾多的探究性實驗樣例。該軟件具有“遠程控制”功能，支持用戶自定義個性化智能手機實驗，具有很強的拓展性：能夠通過藍牙與物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板交換數(shù)據(jù)，將力、壓強、溫度、電壓、電流、電容、電感等智能手機不便于采集的數(shù)據(jù)，利用開發(fā)板進行采集（這些數(shù)據(jù)能與智能手機內(nèi)部傳感器采集的數(shù)據(jù)進行混合運算和輸出），實現(xiàn)智能手機內(nèi)部傳感器與外接傳感器的完美整合，便于教師將創(chuàng)客思維和信息技術(shù)融入物理實驗探究活動之中，擴大應(yīng)用范圍。Phyphox能在課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、習(xí)題教學(xué)、實驗探究、居家實驗、日常生活等方面發(fā)揮作用。筆者以該軟件為例，介紹如何科學(xué)應(yīng)用App開展實驗探究活動，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

一、App融入課堂教學(xué)使觀測更直觀

智能手機預(yù)置了多種傳感器，具有方便快捷的互動投屏功能。教師可以根據(jù)需要隨時隨地利用智能手機及App開展教學(xué)活動。例如，在“自由落體運動”教學(xué)中，筆者就利用智能手機帶領(lǐng)學(xué)生現(xiàn)場測量了當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

在做好智能手機安全防護的前提下，筆者調(diào)取Phyphox（以下稱軟件）中的“加速度（不含g）”傳感器，伸出一只手用拇指和食指輕輕捏著智能手機的上邊緣，讓智能手機自然下垂，確保長邊豎直；設(shè)置軟件定時運行，延遲3秒，運行2秒。開始計時后，筆者迅速松開拇指和食指，釋放智能手機讓其自由落下，軟件自動采集數(shù)據(jù)并繪制圖表。

軟件采用三維坐標系（如圖1）測量，手機頁面顯示重力加速度在三個維度上的分量（如圖2）。由于手機長邊豎直，所以在手機下落階段，x軸和z軸的加速度分量幾乎為0，y軸輸出的加速度可視為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

筆者單擊圖2中y軸線性加速度圖像左上角的雙箭頭，將y軸線性加速度圖像擴展至全屏，得到如圖3所示的圖像，引導(dǎo)學(xué)生觀察：在手機下落過程中，加速度圖像幾乎為一條水平直線，加速度值為9.80 m/s2，與實際高度吻合。

筆者利用手機投屏技術(shù)，將上述操作同步到大屏幕上，讓每個學(xué)生都見證實驗的全過程，目睹智能手機實驗的神奇。

測量當(dāng)?shù)刂亓铀俣葘嶒灴赡苁呛芏嗳说谝淮谓佑|這款軟件就會開展的探究實驗——這個實驗只需要讓智能手機在墊子上方自由下落一段距離即可完成。

在實驗中，為了方便觀測和操作，師生總是不自覺地用兩只手操作智能手機，讓智能手機屏幕水平朝上。這樣操作會給重力加速度測量帶來兩方面的負面影響：一是空氣阻力大，實驗測得的重力加速度值呈逐漸減小的態(tài)勢，為演示和分析帶來不便；二是雙手操作智能手機，由于手上難免有汗液、油脂等，使得智能手機兩側(cè)與兩只手往往不會同時分離，導(dǎo)致手機翻滾。這些都會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)異常，讓人對實驗的可靠性產(chǎn)生懷疑，從而降低實驗的可信度。

對于大多數(shù)師生而言，智能手機實驗是新鮮事物，需要逐漸摸索和嘗試；只有深入理解了工作原理，熟練掌握操作技能，才能真正體會智能手機實驗的無窮魅力。

二、App融入實驗系統(tǒng)帶來奇妙探究體驗

智能手機預(yù)置了各種傳感器，而軟件中又預(yù)置了很多實驗樣例，支持師生開展豐富多彩的實驗探究活動。但是，智能手機很難直接測量電壓和電流，師生在利用智能手機開展電學(xué)相關(guān)實驗時，可以利用智能手機中的磁力計探究電流磁場變化規(guī)律，繼而得到電流的變化規(guī)律。

（一）App連接傳統(tǒng)實驗器材煥發(fā)新活力

在探究電容器充放電規(guī)律的實驗中，筆者將線圈放置在智能手機的左上角，開啟軟件，運行“磁力計”傳感器，先用9 V碳性方塊電池對電容器充電，再用電容器對線圈放電，軟件自動繪制線圈磁場變化關(guān)系圖像。由于電流磁場與電流成正比，圖像也就反映了電容器充、放電過程中電流變化規(guī)律。

學(xué)生觀察圖像后發(fā)現(xiàn)，電容器放電時，電流逐漸減小，電流變化率逐漸減小。

特別需要指出的是，智能手機放置在水平桌面上時，受地磁場影響，磁力計的x軸和y軸分量一般不為0。如何解決這一問題呢？師生可以在桌面內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)手機，使x軸或y軸中的某個分量為0，然后以該軸為基準開展實驗探究活動即可。

除智能手機外，該實驗中筆者使用的電容器、線圈和電池均是物理實驗室配備的傳統(tǒng)器材。智能手機的加入使傳統(tǒng)實驗器材煥發(fā)新活力。

（二）App連接物聯(lián)網(wǎng)助力學(xué)生解決問題

師生使用物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板ESP32（如圖4、圖5）做實驗，通過軟件直接獲取真實的電流數(shù)據(jù)，繪制真實的電容器充、放電實驗圖像，就可以淘汰傳統(tǒng)笨拙的線圈。

筆者連接好電路，寫入適當(dāng)?shù)某绦?，借助開發(fā)板獲取電容器充、放電電流數(shù)據(jù)，通過藍牙發(fā)送給智能手機。智能手機中的軟件接收電容器充、放電電流數(shù)據(jù)后，以充、放電電流為縱軸，以充、放電時間為橫軸，精準繪制電容器充、放電電流—時間關(guān)系圖像（如圖6）。

在該實驗中，為了解決智能手機不能測量電流的問題，師生像科學(xué)家那樣去思考、去探究、去尋找解決方案，最后達成目標，獲得“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”的奇妙探究體驗。

三、App創(chuàng)設(shè)情境優(yōu)化習(xí)題教學(xué)

習(xí)題教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分。在習(xí)題教學(xué)中，教師可以利用軟件對習(xí)題涉及的真實場景進行還原，讓學(xué)生身臨其境，去體驗和分析。

2021年山東省高考選擇性考試物理卷第13題是一道以乒乓球在桌面上彈跳為真實情境的探究性實驗試題。為了講解此題，很多教師會利用智能手機內(nèi)的錄音機記錄乒乓球在桌面上彈跳時發(fā)出的聲音，通過測量和分析相鄰兩次撞擊聲的時間間隔，引導(dǎo)學(xué)生探究乒乓球的彈跳規(guī)律。

其實，對于該實驗而言，師生利用智能手機中的加速度計比用錄音機更加便捷。在講評此題時，筆者先將智能手機放置在桌面上，使軟件中的“加速度（不含g）”傳感器處于運行狀態(tài)，再讓小籃球在桌面上自由彈跳（如圖7），軟件自動記錄小籃球撞擊桌面造成的振動信息，生成加速度圖像（如圖8）。

圖8中的每個尖峰都對應(yīng)著小籃球?qū)ψ烂娴囊淮巫矒?。學(xué)生點按加速度圖像左上方雙箭頭，將加速度圖像展成全屏；點按屏幕下方“選取數(shù)據(jù)”按鈕，用手指從一個尖峰滑向另一個尖峰，讀取相鄰尖峰之間的時間間隔，即小籃球滯空時間。學(xué)生根據(jù)滯空時間和豎直上拋規(guī)律可計算反彈高度，也可計算相鄰兩次反彈最大高度的比值。

學(xué)生使用電子表格，以反彈高度為縱軸、以彈跳次數(shù)為橫軸，繪制散點圖，獲得反彈高度與反彈次數(shù)的關(guān)系圖像（如圖9）；以相鄰彈跳高度比為縱軸、以彈跳次數(shù)為橫軸繪制散點圖，獲得相鄰彈跳高度比與反彈次數(shù)的關(guān)系圖像（如圖10）。

學(xué)生觀察圖像后發(fā)現(xiàn)：反彈高度隨著反彈次數(shù)的增加按照指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減；相鄰兩次彈跳的高度比基本上為恒定值，約為0.765。

學(xué)生通過實驗發(fā)現(xiàn)，隨著彈跳次數(shù)的增加，彈跳時間間隔越來越短，時間間隔測量值相對誤差逐漸增大，圖10中數(shù)據(jù)點的分布越來越離散。筆者借此對這道高考題目的真實情境進行了高度還原。

四、App高效測算助力學(xué)生自主探究

學(xué)生自主開展科學(xué)探究活動，最大困難常常是缺乏測量工具，而智能手機及軟件為他們實時測量和分析各種常見物理量創(chuàng)造了條件。

鋁板琴是由長短不一的鋁板有序排列組合而成的打擊樂器，集科學(xué)性、思想性和趣味性于一體。利用鋁板琴開展器樂訓(xùn)練對提高少年音樂素養(yǎng)十分有益。學(xué)生用小槌敲擊鋁板琴，發(fā)現(xiàn)較長的琴鍵發(fā)出的低音醇厚、圓潤；中間的琴鍵發(fā)出的中音清脆、明亮；較短的琴鍵發(fā)出的高音尖銳、短促。

琴鍵的長度與其發(fā)聲頻率有什么關(guān)系呢？為了探究鋁板琴的發(fā)聲規(guī)律，筆者引導(dǎo)學(xué)生先用刻度尺測量每根琴鍵的長度，打開軟件，點擊“聲學(xué)”系列，運行“聲音頻譜”實驗程序；再一邊用小木槌敲擊鋁板琴上的某根琴鍵的中部，一邊用軟件檢測琴鍵被敲擊后發(fā)出的聲音，利用傅里葉變換動態(tài)繪制聲音頻譜。當(dāng)聲音最洪亮、譜線最尖銳的時候，學(xué)生點擊“暫停”圖標和“獲取數(shù)據(jù)”按鈕，用手指點按譜線尖峰，軟件自動顯示尖峰對應(yīng)頻率值，這個頻率值就是琴鍵振動的固有頻率。學(xué)生按照上述方法，逐一測量鋁板琴上每根鋁板在小木槌敲擊下發(fā)出的聲音的固有頻率。

學(xué)生使用電子表格，以發(fā)聲頻率為縱軸、以琴鍵長度為橫軸繪制散點圖，并用冪函數(shù)進行擬合，獲得琴鍵發(fā)聲頻率與長度的關(guān)系圖像（如圖11）。

學(xué)生觀察圖像發(fā)現(xiàn)，琴鍵敲擊發(fā)聲頻率隨著長度增大而減小。

本著化曲為直的數(shù)據(jù)處理原則，學(xué)生使用電子表格，以琴鍵長度平方的倒數(shù)為橫軸、以發(fā)聲頻率為縱軸再次繪制散點圖，并用一次函數(shù)進行擬合，獲得琴鍵發(fā)聲頻率與長度平方成反比的圖像。擬合曲線為一條過原點的傾斜的直線，這說明琴鍵敲擊發(fā)聲頻率與琴鍵長度的平方成反比。

原本是一次輕松愉悅的鋁板琴彈奏體驗，有了問題意識和探究手段，就轉(zhuǎn)化成了一項極具生活氣息的課題探究。

五、App居家實驗讓學(xué)生感受物理之美

眾所周知，質(zhì)點引力源、點電荷電場、光、聲、電磁或核輻射的點源的輻射強度均與到點源距離的平方成反比，被稱為平方反比定律。教師在線指導(dǎo)學(xué)生居家利用一把卷尺和兩部智能手機即可對這一規(guī)律進行實驗探究。

筆者指導(dǎo)學(xué)生將鋼卷尺倒置懸掛在架子邊緣，將智能手機甲的手電筒打開，朝下放置在架子上，并讓手電筒伸到桌子外面（如圖12）。智能手機的手電筒的發(fā)光區(qū)域非常小，可以看作點光源。

此實驗需要在黑暗環(huán)境中操作，學(xué)生拉上所有窗簾，關(guān)閉所有燈光，只保留實驗用智能手機甲的手電筒光源。

學(xué)生運行智能手機乙中的軟件，開啟“光”傳感器，使手機乙的感光器在手機甲的點光源下方，豎直正對，參考豎直懸掛的卷尺，在相距20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm……的位置依次保持3～5秒，軟件自動繪制光照強度隨時間的變化曲線。

學(xué)生將智能手機乙繪制的照度—時間關(guān)系曲線展成全屏，點擊“選取數(shù)據(jù)”按鈕，再依次點擊獲取照度—時間關(guān)系圖像上階躍變化時對應(yīng)的照度值，并與距離相對應(yīng)，將其錄入電子表格。

學(xué)生使用電子表格，以距離為x軸、以照度為y軸，繪制散點圖，得到照度與距離的函數(shù)圖像（如圖13），發(fā)現(xiàn)照度隨著距離增大而減小。

本著化曲為直的數(shù)據(jù)分析處理原則，學(xué)生使用電子表格，以距離平方的倒數(shù)為x軸、以照度為y軸，再次繪制散點圖，得到照度與距離平方倒數(shù)的關(guān)系圖像（如圖14），發(fā)現(xiàn)點光源的照度與距離的平方成反比。

物理是優(yōu)美的，她的美表現(xiàn)在物理規(guī)律的簡潔性和普適性。平方反比規(guī)律表達簡潔，內(nèi)容深邃，體現(xiàn)自然與思維的和諧統(tǒng)一。

六、App融入日常生活讓學(xué)生享受探究之樂

公共交通堵在“最后一公里”是城市居民出行的主要障礙，也是“建設(shè)綠色城市、倡導(dǎo)低碳生活”的主要挑戰(zhàn)。共享電動車的應(yīng)用補上了市民出行的最后一塊“拼圖”，騎共享電動車成為市民短距離出行的重要交通方式。

在筆者的指導(dǎo)下，學(xué)生以共享電動車為代步工具，選擇一個空曠的安全路段，在智能手機中打開軟件，運行“定位（GPS）”傳感器。學(xué)生駕駛共享電動車從靜止狀態(tài)滿功率啟動，待速度達最大值后，松開加速把手，使共享電動車無動力直線滑行，直至停止。軟件自動繪制速度—時間關(guān)系圖像（如圖15）。

學(xué)生觀察圖像發(fā)現(xiàn)，共享電動車在滿功率啟動過程中，速度逐漸變大，加速度逐漸減小。在共享電動車的無動力滑行階段，速度—時間關(guān)系圖像具有非常好的線性關(guān)系。學(xué)生在實驗頁面的下方選擇“選取數(shù)據(jù)”按鈕，用手指從勻減速運動的起始數(shù)據(jù)點滑向終點數(shù)據(jù)點，即可測量其斜率，得到共享電動車在無動力滑行中加速度為-0.185 m/s2。忽略空氣阻力影響，學(xué)生測量得到共享電動車與地面之間的動摩擦因數(shù)為0.0188。

此次實驗，學(xué)生使用的“定位（GPS）”傳感器，抗干擾能力強，手機無須手持，可以放在書包中，有利于安全騎行。

原本是一次普通的騎車戶外旅行，有了科學(xué)的活動預(yù)案，有了智能手機的加持，有了學(xué)生的操作體驗，就演化成一次別開生面的戶外科學(xué)探究活動。這是對新課程理念“從生活走向物理，從物理走向社會”的真正踐行。

教師指導(dǎo)學(xué)生利用以智能手機等智能終端為代表的智能技術(shù)作為探究工具，借助智能手機及實驗程序，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、合理地使用智能終端的生活習(xí)慣和學(xué)習(xí)習(xí)慣，通過開展豐富多彩的物理實驗探究活動，可以改變社會對智能手機的認知，從限制使用轉(zhuǎn)向科學(xué)使用。教師科學(xué)使用智能手機開展實驗活動，是對學(xué)校實驗教學(xué)的有益補充，可以打破學(xué)校實驗教學(xué)的時空限制，支持學(xué)生隨時隨地開展自主創(chuàng)新實驗探究活動，極大地降低數(shù)據(jù)獲取和分析的技術(shù)門檻，讓學(xué)生有更多機會和時間進行探究和思考。可以預(yù)見，在不久的將來，在全球范圍內(nèi)，必將掀起一場利用智能手機及應(yīng)用軟件開展自定義、個性化創(chuàng)新實驗的浪潮。利用數(shù)字化工具開展物理自主創(chuàng)新實驗探究活動是大勢所趨，教師需要順勢而為。

責(zé)任編輯：祝元志