《運(yùn)用Phyphox軟件進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)研究》16000字（論文）

PAGE 運(yùn)用Phyphox軟件進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)研究摘要隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，智能手機(jī)已經(jīng)從只具備通訊功能，變成如今生活中的一部分近乎無所不能。如今的智能手機(jī)集成了多種多樣的物理傳感器供手機(jī)應(yīng)用調(diào)用其中的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)各種功能。使用智能手機(jī)來進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)相比于傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)器材有著非常多的優(yōu)勢。本論文旨在研究運(yùn)用“Phyphox”軟件進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，搜集整理了相關(guān)文獻(xiàn)資料，總結(jié)概括了智能手機(jī)運(yùn)用于物理實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀，闡述了運(yùn)用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的可行性，設(shè)計(jì)了幾個(gè)智能手機(jī)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)際案例，概括了智能手機(jī)運(yùn)用在物理實(shí)驗(yàn)中的幾個(gè)特點(diǎn)，對運(yùn)用phyphox進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)與思考。關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；物理實(shí)驗(yàn)；Phyphox目錄第一章引言 11.1選題背景 11.2研究現(xiàn)狀 21.2.1國外研究現(xiàn)狀 21.2.1國外研究現(xiàn)狀 21.3研究意義 41.4研究目的 51.5研究方法 5第二章使用智能手機(jī)開展物理實(shí)驗(yàn)的可行性分析 62.1基于智能手機(jī)設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ) 62.2.1戴爾經(jīng)驗(yàn)之塔學(xué)習(xí)理論 62.2.2有意義學(xué)習(xí)理論 62.2.3建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論 72.2使用智能手機(jī)開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性分析 82.3Phyphox軟件功能介紹 92.3.1加速度傳感器 102.3.2壓強(qiáng)傳感器 102.3.3旋轉(zhuǎn)傳感器 102.3.4聲音傳感器 112.3.5磁場傳感器 112.3.6光傳感器 11第三章智能手機(jī)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)中的案例設(shè)計(jì) 123.1加速度傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 123.1.1加速度傳感器的原理及應(yīng)用 123.1.2基于加速度傳感器測重力加速度 123.1.3基于加速度傳感器探究超重與失重現(xiàn)象 153.2聲音傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 193.2.1聲音傳感器的原理與應(yīng)用 193.2.2基于聲音傳感器探究影響音調(diào)高低的影響因素 19第四章基于智能手機(jī)的物理實(shí)驗(yàn)分析 224.1適用性 224.2創(chuàng)新性 224.3可重復(fù)性 234.4直觀性 23第五章總結(jié) 24致謝 25參考文獻(xiàn) 26 -PAGE11-

第一章引言1.1選題背景在現(xiàn)在光速發(fā)展的現(xiàn)代社會，為全面落實(shí)立德樹人這一課程改革任務(wù)，培育出能適應(yīng)社會發(fā)展的新型人才，2019年2月，中共中央、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化實(shí)施方案（2018-2022）》，文件中提出了十項(xiàng)推進(jìn)教育現(xiàn)代化的任務(wù)，其中第六項(xiàng)特別強(qiáng)調(diào)：要大力推進(jìn)教育信息化，推動以互聯(lián)網(wǎng)等信息化手段服務(wù)教育教學(xué)全過程，加快推進(jìn)智慧教育創(chuàng)新發(fā)展，設(shè)立“智慧教育示范區(qū)”，開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目等建設(shè)，實(shí)施人工智能助力教師隊(duì)伍建設(shè)行動[1]。教育信息化的進(jìn)程不斷推進(jìn)，我們的教學(xué)方式方法也需要得到改變和升華，在物理實(shí)驗(yàn)中融入信息化的進(jìn)城也是一個(gè)值得探討的議題。在新物理課程標(biāo)準(zhǔn)中，三維目標(biāo)的教學(xué)目標(biāo)已經(jīng)一去不復(fù)返，取而代之的是更加高大上的四大核心素養(yǎng)，那么如何培養(yǎng)我們的物理學(xué)科核心素養(yǎng)呢，其中固然有著廣大教育工作者的辛勤努力，開發(fā)出新型的適合不斷發(fā)展的社會的學(xué)習(xí)方式方法也同樣非常重要，利用如今社會不可或缺的信息技術(shù)，開創(chuàng)出融合信息技術(shù)的學(xué)習(xí)方式方式方法，定可事半功倍，一舉成效地提高學(xué)生的物理學(xué)習(xí)能力和物理探究素養(yǎng)。物理實(shí)驗(yàn)在我們的物理教學(xué)中是非常重要的一環(huán)，物理是一項(xiàng)從生活中誕生的學(xué)科，通過總結(jié)大自然的現(xiàn)象，我們才能得出物理規(guī)律，物理不是空中樓閣，而是建立在大量的物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的過程中間，不光是為了重現(xiàn)前人的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更重要的是體會物理實(shí)驗(yàn)的過程，只有我們親身實(shí)踐了物理實(shí)驗(yàn)，我們才能夠真正理解基于這些物理實(shí)驗(yàn)的物理知識，同時(shí)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)還可以潛移默化學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)出學(xué)生的科學(xué)探究能力。標(biāo)準(zhǔn)中還提到對于某些用常規(guī)方法難以完成的實(shí)驗(yàn)，可以借助數(shù)字實(shí)驗(yàn)或云技術(shù)平臺來解決實(shí)驗(yàn)難題，或借助手機(jī)等信息工具便捷地解決某些物理學(xué)習(xí)問題[2]。我們所熟知的數(shù)字化信息系統(tǒng)DIS（DigitalInformationSystem）由于其具有靈敏度高、操作簡單采集數(shù)據(jù)便利等特點(diǎn)，被各大高校采用來進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)或者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化，雖然DIS傳感器系統(tǒng)有這樣的優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)也是不可忽視的，那就是DIS傳感器系統(tǒng)相較于普通的物理實(shí)驗(yàn)器材來說要更加的昂貴，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)不可忽視的問題，那就是不是每一個(gè)學(xué)生都能夠使用DIS來進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。因?yàn)檫@樣的原因，哪怕?lián)碛蠨IS傳感器系統(tǒng)的學(xué)校中，大量的學(xué)生也不能夠運(yùn)用到這樣與時(shí)俱進(jìn)的物理實(shí)驗(yàn)器材，只能使用古老陳舊的物理實(shí)驗(yàn)器材來進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。智能手機(jī)在近些年發(fā)展速度非常迅猛，在10年間已經(jīng)變得面目全非，無法將十年前的手機(jī)與現(xiàn)在的手機(jī)相提并論，現(xiàn)代社會的智能手機(jī)，已經(jīng)配備了各種各樣的傳感器，同時(shí)也擁有了許多能夠調(diào)用這些智能手機(jī)的內(nèi)置傳感器的應(yīng)用程序，需要感謝這些手機(jī)相關(guān)的開發(fā)者的努力，智能手機(jī)受到了越來越多來自學(xué)術(shù)界的關(guān)注，其中就包含不少物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的學(xué)者?？梢灶A(yù)見在不久的將來，智能手機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，將智能手機(jī)和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合將是一個(gè)新興熱點(diǎn)話題，這樣的新穎的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式自然而然的將會受到源源不斷的關(guān)注。與此同時(shí)，有國內(nèi)外大量的學(xué)者已經(jīng)開始研究如何將智能手機(jī)傳感器應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)，也已經(jīng)有了不菲的成效，在物理實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用智能手機(jī)正在變成如今的研究趨勢。在本文中，我們將研究如何運(yùn)用智能手機(jī)內(nèi)置傳感器對物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)字化和信息化的探索，并提供了一些可參考的實(shí)驗(yàn)案例和具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，希望能為智能手機(jī)運(yùn)用于物理實(shí)驗(yàn)中提供一點(diǎn)微不足道的思路。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀從收集整理的相關(guān)文獻(xiàn)我們可以看出，在物理實(shí)驗(yàn)中使用智能手機(jī)進(jìn)行研究這方面國外開展的要更早一點(diǎn)。國外學(xué)者Vogt和Kuhn最早基于智能手機(jī)加速度傳感器開發(fā)設(shè)計(jì)了自由落體[3]、單擺[4]和彈簧擺[5]實(shí)驗(yàn)，并針對這三個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)表了相應(yīng)的文章。這些文章被國內(nèi)外學(xué)者廣泛引用，隨著引用量的不斷增加，在智能手機(jī)上進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)也開始從定性研究向定量研究發(fā)展。美國物理教師協(xié)會旗下《ThePhysicsTeacher》雜志還開設(shè)“IPhysicsLab”專欄，征集將智能設(shè)備運(yùn)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的想法，每個(gè)月都會推出一篇有關(guān)這方面的文章[6]。2013年起，除了《ThePhysicsTeacher》雜志外，被英國皇家物理學(xué)會文獻(xiàn)庫所收錄的《EuropeanJournalofPhysics》和《PhysicsEducation》這兩本雜志也開始陸續(xù)發(fā)表智能手機(jī)傳感器應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)文章[7]?，F(xiàn)如今在智能手機(jī)上進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)種類已經(jīng)十分繁多，例如聲學(xué)、力學(xué)以及電磁學(xué)這三個(gè)大類的物理實(shí)驗(yàn)都已經(jīng)比較成熟，還有一些拓展類實(shí)驗(yàn)也有相當(dāng)不錯(cuò)的進(jìn)展。1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀在對資料進(jìn)行整合分析后，我們可以發(fā)現(xiàn)智能手機(jī)對于物理課堂的幫助是方方面面的，例如智能手機(jī)通訊、物理測量、演示投屏等等功能都有不俗的表現(xiàn)。相關(guān)期刊文獻(xiàn)中，如葉峻銘運(yùn)用“希沃授課助手”輔助物理課堂教學(xué)[8]；孔少輝介紹了測量類APP在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[9]；吳海明借助手機(jī)屏幕演示光的偏振現(xiàn)象，通過手機(jī)實(shí)驗(yàn)感受聲波的干涉與衍射現(xiàn)象等[10]。四川師范大學(xué)郭曉昌在其碩士論文《智能手機(jī)在農(nóng)村中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用與研究》中針對農(nóng)村欠發(fā)達(dá)地區(qū)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備奇缺的狀況，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)器材缺乏的農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)中學(xué)提供新的教學(xué)思路[11]；南京師范大學(xué)貢玉佳碩士論文《手機(jī)輔助初中物理教學(xué)的實(shí)踐研究》以蘇科版八年級物理第一章《聲現(xiàn)象》為例，總結(jié)手機(jī)輔助初中物理教學(xué)的原則和優(yōu)點(diǎn)[12]。福建師范大學(xué)李雅芬在其碩士論文《基于移動智能設(shè)備探究初中物理實(shí)驗(yàn)》中利用手機(jī)、平板、小型集成無線傳感器PocketLab等移動智能設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)驗(yàn)，突破教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)，為中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的教學(xué)策略[13]?？偨Y(jié)以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，針對手機(jī)傳感器的相關(guān)實(shí)驗(yàn)可以分為以下幾類：運(yùn)用加速度傳感器探究自由落體、物體的超重與失重現(xiàn)象[14]以及探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系[15]；運(yùn)用磁性傳感器測量重力加速度[16]以及測量單擺運(yùn)動的周期[17]；智能手機(jī)近程傳感器驗(yàn)證牛頓第二定律[18]；利用光線傳感器拓展單擺實(shí)驗(yàn)[19]；聲音傳感器探究聲音的特性以及多普勒效應(yīng)[20]。在了解了國內(nèi)外關(guān)于使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀后，可以看出關(guān)于智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)較多，但關(guān)于智能手機(jī)對于物理實(shí)驗(yàn)效果的驗(yàn)證方面的研究屈指可數(shù)。把智能手機(jī)引入物理實(shí)驗(yàn)中固然有一定的創(chuàng)新性，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的好壞才是最為重要的。我們可以看到智能手機(jī)上搭載的不同傳感器都只適用于它所屬類別的實(shí)驗(yàn)，且由于國外的相關(guān)研究進(jìn)展要更快，所以大部分智能手機(jī)應(yīng)用都是外文版本的，相比較中文軟件在閱讀和使用上需要一定的外語基礎(chǔ)，如果有能將各類傳感器APP的優(yōu)點(diǎn)整合于一體設(shè)計(jì)開發(fā)出一款優(yōu)秀的中文版本傳感器應(yīng)用軟件，那么這樣的應(yīng)用程序能對我們的物理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生不小的作用。當(dāng)前利用智能手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的研究已經(jīng)有了許多成果，因此如何將這類實(shí)驗(yàn)融入當(dāng)下的教學(xué)體系中，進(jìn)而發(fā)展成一種教學(xué)策略或教學(xué)手段等問題，是值得我們進(jìn)行深入探討的[21]。在經(jīng)過幾年的深耕后，現(xiàn)在使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的研究已經(jīng)非常的繁雜和多樣化了。在現(xiàn)代社會，智能手機(jī)已經(jīng)成為我們生活的必需品，在大城市如果一個(gè)人沒有手機(jī)，這是非常難以想象的。在這樣的大環(huán)境下，在物理實(shí)驗(yàn)中加入信息科技技術(shù)，不僅能培養(yǎng)我們在新時(shí)代下的信息技術(shù)能力，還能讓我們太丑傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)觀念，拓寬我們的眼界和思維深度，這樣新穎的物理實(shí)驗(yàn)方式，豐富了教學(xué)活動，還能幫助學(xué)生形成更好的人機(jī)交互的學(xué)習(xí)模式，拓展學(xué)生的創(chuàng)造能力，養(yǎng)成學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行探究的思想。1.3研究意義在物理學(xué)史觀中，物理學(xué)的每一次發(fā)展都是與實(shí)驗(yàn)和探索活動密不可分的，現(xiàn)如今普羅大眾對于物理學(xué)的理解都是建立在對實(shí)驗(yàn)事實(shí)的驗(yàn)證的基礎(chǔ)上的。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、著名的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué)家丁肇中認(rèn)為，每一個(gè)理論都是基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的，如果我們沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)，那么該理論將毫無意義；如果實(shí)驗(yàn)推翻了現(xiàn)有的結(jié)論，就將會有一個(gè)新的理論，但是該理論不可能推翻實(shí)驗(yàn)。物理實(shí)驗(yàn)對物理基礎(chǔ)知識的建立，以及對基本概念和基本理論的理解都有著非常重要的作用，在提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)動手操作能力方面，也是具有其他任何手段不可替代的作用[23]?，F(xiàn)在的智能手機(jī)越來越便宜，智能手機(jī)由于其搭載的各種各樣的傳感器以及多種應(yīng)用程序可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這些都使得智能手機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著非常大的可能性，同時(shí)它的未來發(fā)展也會隨著智能手機(jī)本身的發(fā)展而發(fā)展，可以說是有非常光明的前途。同時(shí)它的便捷性也是物理實(shí)驗(yàn)器材所無法比擬的，這樣一個(gè)可用的物理實(shí)驗(yàn)平臺有助于豐富物理室內(nèi)外的教學(xué)活動。可與預(yù)見隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)中的傳感器類型越來越多，未來我們能夠使用手機(jī)進(jìn)行更多的物理實(shí)驗(yàn)，也將會有越來越多的應(yīng)用程序通過調(diào)用手機(jī)中的傳感器來收集數(shù)據(jù)。手機(jī)不僅為我們的日常生活帶來便利，而且為我們的教學(xué)創(chuàng)造了一個(gè)更加廣闊的世界，使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的操作步驟很簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也可以非常直觀地看到。我們可以在有限的教室中進(jìn)行更加廣闊的探索，在手機(jī)上更直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也更有助于學(xué)生理解和掌握。本文在縱覽國內(nèi)外相關(guān)資料和研究后，捕獲到一個(gè)信號，那就是在大部分高校，依然選擇使用原有的物理實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，很少有對使用移動手機(jī)來進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的課程研究的先導(dǎo)者。在這樣的背景下，結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和相關(guān)的教學(xué)原則，提出了智能手機(jī)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐可能性，提出了幾個(gè)基于智能手機(jī)的物理實(shí)驗(yàn)，開發(fā)了基于智能手機(jī)的示例。實(shí)驗(yàn)示例包含在特定的教學(xué)概念中，突出了智能手機(jī)教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題，最后，基于智能手機(jī)的發(fā)展和課外實(shí)驗(yàn)活動的設(shè)計(jì)，可以為師生和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展提供參考，進(jìn)一步促進(jìn)研究。1.4研究目的在如今日新月異的大時(shí)代下，我們的社會發(fā)展越來越快，越來越多的舊事物正在悄無聲息的被淘汰，更多的新事物在蓬勃發(fā)展，將如今正成為我們生活中必不可缺少的信息技術(shù)和我們的物理研究教學(xué)緊密聯(lián)系在一起，推陳出新將這兩個(gè)有機(jī)結(jié)合成為一體，服務(wù)于我們的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，這樣的課題是非常有意義值得我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)展的。在當(dāng)今社會中，智能手機(jī)已經(jīng)成為我們生活的一部分，可以說如果我們現(xiàn)在出門如果沒有手機(jī)，夸張點(diǎn)說寸步難行，不夸張的說我們會遇到各種各樣的困難，在這樣的社會浪潮之下，研究智能手機(jī)在各種領(lǐng)域中的用途已經(jīng)成為現(xiàn)今的熱點(diǎn)話題，吸引大批的學(xué)者投入這片領(lǐng)域。使用智能手機(jī)傳感器進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，一方面增加了學(xué)生做物理實(shí)驗(yàn)趣味性，有別于過去一成不變的物理實(shí)驗(yàn)器材，在智能手機(jī)上進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)是一個(gè)新鮮的題材，這豐富了我們研究物理實(shí)驗(yàn)規(guī)律的方式方法，同時(shí)使用智能手機(jī)還可以讓學(xué)生在課后也可以進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)⑽锢韺?shí)驗(yàn)融入到我們的日常生活中。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開創(chuàng)性地使用智能手機(jī)，把學(xué)習(xí)和生活有機(jī)融合在一起。學(xué)生在經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究的過程中，不光可以重新經(jīng)歷一遍先賢的物理研究經(jīng)歷，還能將新學(xué)會的知識融入到自己原本的知識體系中融合升華。進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)固然是為了幫助學(xué)生明白物理實(shí)驗(yàn)中隱含的理論規(guī)律，更重要的是讓學(xué)生能夠從中總結(jié)出實(shí)驗(yàn)探究的一般方法，培養(yǎng)出自主探究的良好素養(yǎng)。1.5研究方法本文主要運(yùn)用文獻(xiàn)分析法和案例分析法。在前期準(zhǔn)備過程中，觀察分析國內(nèi)外智能手機(jī)用于物理實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀和未來可能的發(fā)展前景，在相關(guān)領(lǐng)域檢索有關(guān)于智能手機(jī)被用在物理實(shí)驗(yàn)課程中或者物理教學(xué)中的相關(guān)參考資料或者文獻(xiàn)，從中分析出目前本研究具體的研究思路和研究現(xiàn)狀的不足之處。與相關(guān)學(xué)習(xí)理論配合，總結(jié)運(yùn)用智能手機(jī)來進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)際操作，基于這樣的理論和實(shí)踐相結(jié)合，做出智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用，演示了如何運(yùn)用智能手機(jī)的傳感器來做物理實(shí)驗(yàn)。最后通過理論分析和具體數(shù)據(jù)分析總結(jié)出智能手機(jī)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢和其不足之處。

第二章使用智能手機(jī)開展物理實(shí)驗(yàn)的可行性分析2.1基于智能手機(jī)設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)2.1.1戴爾經(jīng)驗(yàn)之塔學(xué)習(xí)理論戴爾的“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論是由美國視聽教育家戴爾(EdgarDale)在《視聽教學(xué)法》中提出的理論。他在書中認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)不光有由直接方式得來的，還有由間接方式得來的。這些經(jīng)驗(yàn)根據(jù)它的抽象程度，分為三個(gè)大類、十個(gè)層次。三個(gè)大類是按照經(jīng)驗(yàn)抽象程度來劃分的，分別是“抽象的經(jīng)驗(yàn)”、“觀察的經(jīng)驗(yàn)”、和“做的經(jīng)驗(yàn)”。此理論的主要觀點(diǎn)是這樣的：教育應(yīng)從具體經(jīng)驗(yàn)入手，逐步過渡到抽象經(jīng)驗(yàn)。有效的學(xué)習(xí)方法，應(yīng)首先給學(xué)生豐富的具體經(jīng)驗(yàn)。讓學(xué)生分組進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生能夠通過動手操作能獲得最直接的經(jīng)驗(yàn)，即“做的經(jīng)驗(yàn)”。在物理實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生加深了對于物理實(shí)驗(yàn)的印象，對知識的理解和掌握也達(dá)到了一個(gè)更高的層次，還可以激發(fā)學(xué)生對于學(xué)習(xí)物理的熱情。而例如演示實(shí)驗(yàn)此類，通過觀察老師進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的過程，再經(jīng)過自己的思考和教師的講解，這些會加強(qiáng)學(xué)生對于物理實(shí)驗(yàn)中的知識的認(rèn)識，加深對物理知識的理解，鞏固對于物理知識的記憶。在觀察實(shí)驗(yàn)的過程中學(xué)生獲得了“觀察的經(jīng)驗(yàn)”。還有一類在現(xiàn)有情況下很難進(jìn)行操作的實(shí)驗(yàn)，有些是危險(xiǎn)性過大的物理實(shí)驗(yàn)例如爆破，也有些事實(shí)驗(yàn)器材過于昂貴難以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)例如原子對撞，教師可以通過放映物理實(shí)驗(yàn)視頻，并隊(duì)視頻中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行解惑和補(bǔ)充，這所對應(yīng)的分別是“觀察的經(jīng)驗(yàn)”和“抽象的經(jīng)驗(yàn)”，這些經(jīng)驗(yàn)并不具備直接性。據(jù)教育學(xué)家研究表明，視覺和聽覺是我們獲取和接受知識的主要信息渠道。從比例上來看，視覺占其中的83%屬于大頭，聽覺僅占其中的11%。在記憶方面，光聽不看，三天后能夠留下的大概只有15%；而一邊聽一邊看的，三天后能夠留下的印象則高達(dá)75%。在我們實(shí)際操作過程中，如果想要發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)的作用和意義，就是要盡量多的實(shí)際操作，不要成為空中樓閣，只有體驗(yàn)到完整的實(shí)驗(yàn)過程，才能夠真正的獲得相關(guān)物理知識，加深對已有知識的理解，才能夠體會到嚴(yán)謹(jǐn)與美妙的物理學(xué)。2.1.2有意義學(xué)習(xí)理論有意義學(xué)習(xí)理論是美國心理學(xué)家奧蘇伯爾經(jīng)過研究和實(shí)驗(yàn)后，確認(rèn)了人學(xué)習(xí)擁有哪些特點(diǎn)，具體來說是學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)。他認(rèn)為學(xué)習(xí)應(yīng)該著重三個(gè)主要特點(diǎn)。其中最主要的特點(diǎn)是主觀能動性，教師應(yīng)當(dāng)激發(fā)出學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力以及對于學(xué)習(xí)的熱情，讓學(xué)生能夠自發(fā)地進(jìn)行學(xué)習(xí)。其次，學(xué)生過去的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)也就是學(xué)習(xí)基礎(chǔ)也是非常重要的。知識不是空中樓閣，打好了學(xué)習(xí)基礎(chǔ)才能夠繼續(xù)學(xué)習(xí)下去，沒有一定的基礎(chǔ)，學(xué)生學(xué)習(xí)就很難收到成效，最后，通過語言的編制把知識串聯(lián)起來也是非常重要的。知識不是一個(gè)個(gè)鼓勵(lì)的島嶼，而是一串連續(xù)的珍珠，正是因?yàn)檎Z言把知識編制串聯(lián)起來，學(xué)生才能夠比較輕易的理解知識。在現(xiàn)代社會中，日常生活中使用智能手機(jī)是一件司空見慣的事。在如今的信息時(shí)代，作為信息時(shí)代下生長起來的新一代，我們非常了解智能手機(jī)，這些都是我們已有知識和經(jīng)驗(yàn)的一部分。物理實(shí)驗(yàn)在物理中是非常重要的一部分，物理實(shí)驗(yàn)的作用不可小覷，它可以讓學(xué)生自主探究，用科學(xué)的方式進(jìn)行探究，同時(shí)還有一定的創(chuàng)新性。在智能手機(jī)上進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，正符合有意義學(xué)習(xí)的理論，可以讓學(xué)生建立起與已有經(jīng)驗(yàn)之間的聯(lián)系，使物理實(shí)驗(yàn)不成為空中樓閣。用手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，非常的新穎，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)物理知識。2.1.3建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論是20世紀(jì)80年代以來對西方的科學(xué)哲學(xué)、社會學(xué)、教育及教育思想發(fā)展等產(chǎn)生的一種具有巨大影響的教育心理學(xué)理論[22]。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)是積極主動的意義建構(gòu)過程，而且這個(gè)過程是一種與社會互動的過程。在教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有的知識經(jīng)驗(yàn)體系對學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行有意義的建構(gòu)過程，而不是把建構(gòu)好的知識體系強(qiáng)加給學(xué)生。智能手機(jī)作為現(xiàn)代生活的一部分，是學(xué)生已有的知識經(jīng)驗(yàn)體系，使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，對于學(xué)生來說是比較積極的一種實(shí)驗(yàn)方式，能激發(fā)起學(xué)生的興趣愛好，同時(shí)使用智能手機(jī)在戶外進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，也是與社會生活的一種有機(jī)互動。而這些用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)所展現(xiàn)出來的特點(diǎn)，就非常符合架構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，學(xué)生通過智能手機(jī)來觀察我們周圍的世界，了解我們的世界，是一個(gè)行之有效的方式。學(xué)生經(jīng)歷利用智能手機(jī)對具體物理實(shí)驗(yàn)問題的研究過程，能夠提升學(xué)生的各方面素養(yǎng)。2.2使用智能手機(jī)開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性分析智能手機(jī)是指具有移動操作系統(tǒng)，可通過安裝應(yīng)用軟件、游戲等程序來擴(kuò)充功能，并可以通過移動通訊網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)接入手機(jī)類型的總稱[23]。智能手機(jī)從一開始的通訊慢、功能稀少，到如今的高速通訊以及眼花繚亂的功能，在不久的將來，5g手機(jī)普及后還會有更廣闊的前景和應(yīng)用。在現(xiàn)在飛速發(fā)展的通訊技術(shù)下，智能手機(jī)已經(jīng)產(chǎn)生了本質(zhì)性的變化，如今功能多樣的智能手機(jī)已經(jīng)成為了一件必需品，沒有智能手機(jī)寸步難行。2月3日，中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC）正式發(fā)布了第47次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》。報(bào)告中提到截至2020年12月，我國網(wǎng)民規(guī)模達(dá)9.89億，較2020年3月增長8540萬，互聯(lián)網(wǎng)普及率達(dá)70.4%，我國手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)9.86億，較2020年3月增長8885萬，網(wǎng)民使用手機(jī)上網(wǎng)的比例達(dá)99.7%，如下圖2-1所示。眾所周知，青年人是網(wǎng)絡(luò)世界的主力軍，所以在現(xiàn)在這樣的大環(huán)境下，如果能夠利用智能手機(jī)巨大的市場，將之應(yīng)用于我們的物理實(shí)驗(yàn)之中，將得到巨大的成功。由此可見，把智能手機(jī)運(yùn)用于物理實(shí)驗(yàn)是一件非常有意義的，使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)為我們的物理實(shí)驗(yàn)器材增加了一個(gè)新的品類——智能手機(jī)，這是一個(gè)開拓性的發(fā)展，一個(gè)大膽的思路，也是一次巨大的創(chuàng)新。同時(shí)智能手機(jī)作為日常生活的一部分，能在不經(jīng)意間讓學(xué)生感受到物理實(shí)驗(yàn)也是生活中的一部分。同時(shí)在智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)可以不受到時(shí)間空間的限制，例如之前的疫情期間，學(xué)生大可在家中進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，省去了實(shí)驗(yàn)器材的繁瑣之處，同時(shí)學(xué)生還能使用智能手機(jī)在課外進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，這是傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)器材所做不到的。圖2-1手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模及其比例2.3Phyphox軟件功能介紹Phyphox軟件運(yùn)用智能手機(jī)自帶的多種傳感器，在智能手機(jī)上創(chuàng)設(shè)了一個(gè)可用于簡單物理實(shí)驗(yàn)的平臺，不同于傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)器材，智能手機(jī)擁有攜帶方便、成本適中、老少皆宜這樣的優(yōu)點(diǎn)。phyphox軟件在慢慢被運(yùn)用于到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中,為物理教學(xué)提供了一種新的思考方式。phyphox是由德國亞琛工業(yè)大學(xué)在2016年發(fā)行的一款手機(jī)應(yīng)用軟件,安卓設(shè)備和IOS設(shè)備均可下載，phyphox全稱“physicalphoneexperiments”，包含：加速度傳感器、磁力傳感器、陀螺儀(旋轉(zhuǎn)傳感器)、光傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器,最新設(shè)備還有溫度、濕度傳感器。目前可實(shí)現(xiàn)29種內(nèi)置功能,如加速度、角速度、光照強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度、壓力和聲音的振幅、頻率、周期等基本物理量的測量[24]。Phyphox不光可以調(diào)用智能手機(jī)自帶的傳感器，還基于這些傳感器開發(fā)出軟件所獨(dú)有的功能，比如秒表(聲學(xué)秒表、運(yùn)動秒表、光學(xué)秒表)、角度測量儀、音頻發(fā)生器等。phyphox軟件同時(shí)也對傳感器進(jìn)行模塊化處理,如轉(zhuǎn)動、滾動、單擺、彈性碰撞、彈簧振動等多種基本運(yùn)動,另外phyphox軟件內(nèi)置了一個(gè)在生活中比較常見的實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生自主進(jìn)行探究，不必等待老師進(jìn)行指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，非常方便，例如電梯實(shí)驗(yàn)[25]。在擁有可量化以及圖像化展示數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的優(yōu)點(diǎn)，phyphox還可直接作為測量工具測量某些物理量，一機(jī)多用，是對實(shí)驗(yàn)器材的一次大整合。2.3.1加速度傳感器加速度傳感器可以通過獲取手機(jī)分別在各個(gè)坐標(biāo)面上的位移變化來測量手機(jī)本身運(yùn)動時(shí)的加速度。Phyphox軟件中的加速度傳感器還能獲得傳統(tǒng)方法不能獲得的各方向面上運(yùn)動情況的連續(xù)信息,手機(jī)在振動過程中有可能出現(xiàn)不同方向的微小振動,因此加速度傳感器清晰記錄所有方向的數(shù)據(jù)有助于學(xué)生研究主要方向上的加速度。例如教師和學(xué)生利用加速度傳感器探究關(guān)于彈簧振子的實(shí)驗(yàn)[26]：把手機(jī)固定在一個(gè)彈簧的下面，這樣做出一個(gè)簡易的豎直方向上的彈簧振子，此時(shí)我們再開啟phyphox軟件中的Acceleration(withoutg)模塊,值得一提的是,在彈簧振子靜止的時(shí)候，該軟件顯示的加速度為零，如果要測量帶重力加速度的加速度，則可以使用Acceleration(withg)模塊進(jìn)行測量重力加速度,phyphox軟件中的Spring(彈簧)可以使用彈簧進(jìn)行測量重力加速度[27],甚至可以用phyphox軟件研究彈簧阻尼問題,Spring比起加速度傳感器還有一個(gè)優(yōu)勢，那就是通過軟件計(jì)算可以對彈簧振子的頻率進(jìn)行測量。2.3.2壓強(qiáng)傳感器智能手機(jī)中的攜帶的壓強(qiáng)傳感器可以測量出電梯上升和下行的速度和高度,還可以研究電梯上下行過程中產(chǎn)生的失重和超重現(xiàn)象，探究其中存在的物理規(guī)律，如果將手機(jī)綁在無人機(jī)上一起隨行上天，還可以測量出無人機(jī)的上升速度。根據(jù)phyphox軟件測算出的大氣壓值，可以從中推導(dǎo)出高度信息。除了壓強(qiáng)之外,加速度計(jì)記錄加速度值進(jìn)行數(shù)值積分,也可獲得垂直速度和高度。在經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)后可以發(fā)現(xiàn),用加速度傳感器獲得加速度與實(shí)際參考值還是有非常大的差異，其中一個(gè)原因是經(jīng)過大量的計(jì)算后會產(chǎn)生計(jì)算誤差，另一方面由于重力加速度各地不同導(dǎo)致在數(shù)據(jù)本身就產(chǎn)生了問題，這個(gè)時(shí)候想試用壓強(qiáng)傳感器就可以避免以上問題。對比大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可得出一個(gè)結(jié)論，壓強(qiáng)傳感器相比較加速度傳感器而言，要更加的準(zhǔn)確和有效,同時(shí)壓強(qiáng)傳感器因?yàn)椴恍枰馟PS一樣接收衛(wèi)星信號，所以在一些封閉區(qū)域或者信號不好的區(qū)域壓強(qiáng)傳感器會派上大用場。壓強(qiáng)傳感器不光在力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域有著不錯(cuò)的建樹，在一定情況下，壓強(qiáng)傳感器還可以當(dāng)做氣壓計(jì)來使用。2.3.3旋轉(zhuǎn)傳感器Phyphox軟件中的Gyroscope(陀螺儀),Centripetalacceleration(向心加速度),Roll(滾動)都具有旋轉(zhuǎn)傳感器。在傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中,角速度和向心加速度是比較難以運(yùn)用一般的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行測量的，但phyphox軟件就可以很輕松的測出各個(gè)方向面上的角速度以及絕對角速度。Centripetalacceleration(向心加速度)可直接測量出角速度和角加速度之間的數(shù)量關(guān)系:a=ω2r。在生活中有許多可以旋轉(zhuǎn)的物體，像小朋友最喜歡玩的小風(fēng)車，社區(qū)花園中的健身器材和游玩設(shè)施多半也有旋轉(zhuǎn)的物體，在這樣的課外時(shí)間也可以使用phyphox軟件對向心力進(jìn)行驗(yàn)證,phyphox軟件在學(xué)生課外實(shí)踐中的使用，把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從抽象的概念轉(zhuǎn)變成了一個(gè)具象的問題，更方便理解其中的物理問題。2.3.4聲音傳感器Phyphox軟件中的聲音傳感器，可以測量音頻的振幅、單音的頻率、音頻信號的頻譜、聲納和多普勒效應(yīng),功能非常多樣，不光可以作為音頻的接收端，phyphox還內(nèi)置了音頻發(fā)生器，可以發(fā)出聲音，使用兩個(gè)加載了phyphox軟件的智能手機(jī)可以測量出聲速，頻率變化等等。使用phyphox內(nèi)置的聲學(xué)秒表功能，還可以通過軟件內(nèi)置的計(jì)算功能測量出物體經(jīng)過彈性碰撞后的能量損失、自由落體的時(shí)間和高度等等物理常量。

第三章智能手機(jī)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)中的案例設(shè)計(jì)本章內(nèi)容設(shè)計(jì)了幾個(gè)基于Phyphox軟件的物理實(shí)驗(yàn)。分別介紹了智能手機(jī)自帶的加速度傳感器和聲音傳感器的原理及應(yīng)用，并運(yùn)用了這兩個(gè)智能手機(jī)自帶的傳感器來進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)反思這幾個(gè)方面。3.1加速度傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3.1.1加速度傳感器的原理及應(yīng)用加速度傳感器在受到力的作用下會發(fā)生形變，在形變作用下，則會產(chǎn)生電壓變化，而加速度傳感器就是通過產(chǎn)生的電壓變化計(jì)算出所受到的作用力，從而能夠得出加速度的大小。我們經(jīng)常用到的微信記步、QQ運(yùn)動這類應(yīng)用就是通過加速度傳感器測出每天我們大概所走的步數(shù)。Phyphox應(yīng)用中的Accelerationwithg功能和Accelerationwithoutg功能，通過使用智能手機(jī)的加速度傳感器，可以采集到手機(jī)在現(xiàn)實(shí)世界中的運(yùn)動情況。因此使用Phyphox軟件可以測量記錄下手機(jī)運(yùn)動過程中的加速度變化。3.1.2基于加速度傳感器測重力加速度在物理學(xué)中，重力加速度是一個(gè)至關(guān)重要的物理量，重力加速度一定程度上會影響這個(gè)地區(qū)的許多物理常數(shù)。在我們的傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中，我們使用最經(jīng)典的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器作為實(shí)驗(yàn)器材，運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄物體在自由下落的過程中產(chǎn)生的位移變化，再對這些位移變化的點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，我們就能夠得出該地區(qū)的重力加速度的值，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器由于存在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，還有空氣阻力的影響這兩方面的因素影響，常常會導(dǎo)致我們實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論與理論上的重力加速度值有一定的偏差。而另一種比較新的實(shí)驗(yàn)方法，則是使用頻閃相機(jī)對自由落體的物體進(jìn)行拍攝，然后再對拍攝得到的圖像進(jìn)行分析，得出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎怠６l閃相機(jī)對于拍攝環(huán)境也有比較苛刻的要求，如果環(huán)境不是很適合拍攝，那么我們后期也很難得到清晰的可用于實(shí)驗(yàn)的圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。而如果我們使用智能手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，省去了人工操作的繁雜，一定程度上降低了人工操作的誤差，同時(shí)手機(jī)可以比較直觀地展示出自由下落中加速度隨時(shí)間變化的關(guān)系，比起前面這兩種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，運(yùn)用智能手機(jī)進(jìn)行重力加速度實(shí)驗(yàn)誤差更小，也更加直觀。【實(shí)驗(yàn)原理】Phyphox軟件調(diào)用智能手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器，測量出手機(jī)自由下落過程中的加速度大小變化情況【實(shí)驗(yàn)裝置】緩沖墊，下載phyphox軟件的手機(jī)。【實(shí)驗(yàn)過程】開啟Phyphox，按下Accelerationwithg按鈕，從高處釋放手機(jī)使其自由下落，手機(jī)落在緩沖墊后再次點(diǎn)擊按鈕停止，得到所記錄得數(shù)據(jù)如下圖3-1所示。圖3-1加速度變化圖像【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】圖3-2軟件所記錄的Absoluteacceleration值，即絕對加速度值為9.78m/s2。截取Z軸的數(shù)據(jù)如圖3-3，容易看出放手前，Z方向加速度約為9.8m/s2；下落過程中Z方向加速度大小為零，說明自由落體過程中手機(jī)處于完全失重狀態(tài)；手機(jī)與海綿墊接觸后先做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動，再做加速度逐漸增大的減速運(yùn)動，最后加速度再次回到9.8m/s2，即手機(jī)靜止在緩沖墊上。圖3-2絕對加速度值圖3-3Z軸加速度變化圖【實(shí)驗(yàn)反思】本實(shí)驗(yàn)中，有一個(gè)比較特殊的點(diǎn)，就是智能手機(jī)是實(shí)驗(yàn)器材的同時(shí)也是記錄數(shù)據(jù)的工具，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常簡潔方便，同時(shí)也不太容易產(chǎn)生誤差，因?yàn)樗缘脤?shí)驗(yàn)工具緊急一只手機(jī)而已，沒有類似傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)容易產(chǎn)生的觀測誤差。這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常清晰的展示了智能手機(jī)作為實(shí)驗(yàn)器材的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)也易于學(xué)生在生活中進(jìn)行探究，也非常的直觀。3.1.3基于加速度傳感器探究超重與失重現(xiàn)象電梯時(shí)我們生活中時(shí)非常尋常的運(yùn)載工具，同樣隱含其中的超重失重現(xiàn)象也是我們普通人最常遇到的物理問題。在傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中，通常會使用彈簧測力計(jì)作豎直方向上的運(yùn)動來進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，在對彈簧測力計(jì)示數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析測得加速度的變化來進(jìn)行歸納總結(jié)，而我們使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，則不需要進(jìn)行復(fù)雜的操作，非常簡單易懂，可非常直觀地展示出加速度的變化曲線?！緦?shí)驗(yàn)原理】運(yùn)用Phyphox軟件記錄下蹲起立過程中加速度變化曲線圖，手機(jī)在運(yùn)行中的電梯所記錄的加速度變化曲線圖。分析手機(jī)在不同運(yùn)動情況下與所對應(yīng)的加速度變化趨勢，歸納總結(jié)出物體的超重與失重現(xiàn)象。【實(shí)驗(yàn)裝置】智能手機(jī)?！緦?shí)驗(yàn)過程】打開Phyphox軟件，按下Acceleration（withoutg）按鈕；將手機(jī)正面向上保持穩(wěn)定，點(diǎn)擊按鈕開始實(shí)驗(yàn)，先迅速蹲下然后靜止一段時(shí)間，然后再迅速起立，最后完成記錄。在電梯中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將手機(jī)正面向上保持穩(wěn)定，點(diǎn)擊按鈕開始實(shí)驗(yàn)，然后在電梯停下時(shí)完成記錄。。【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】Phyphox軟件記錄了三個(gè)方向上的加速度變化圖像，但在該實(shí)驗(yàn)中只需研究豎直方向上的加速度變化情況，所以只呈現(xiàn)了Z軸上加速度大小隨時(shí)間的變化曲線圖。圖3-4下蹲、起立過程加速度變化圖從圖3-4可以看出在下蹲起立的整個(gè)動作中，一開始手機(jī)是靜止的，然后加速度先為負(fù)后為正，接著加速度為零，最后一段加速度先為正后為負(fù)。電梯上升是一個(gè)先加速再勻速最后減速靜止的過程，由于電梯向上運(yùn)動，故加速時(shí)加速度的方向是向上的，減速時(shí)加速度方向是向下的，這個(gè)過程與圖3-5相對應(yīng)加速度先為正后為負(fù)，所以電梯在上升過程中先超重后失重；同樣電梯的下降過程也是一個(gè)先加速再勻速最后減速靜止的過程，但由于此時(shí)是向下運(yùn)動的，所以加速度的方向是先向下再向上的，對應(yīng)圖3-6加速度先為負(fù)后為正，是一個(gè)先失重后超重的過程。圖3-5電梯上升過程中加速度變化圖圖3-6電梯下降過程中加速度變化圖【實(shí)驗(yàn)反思】超重和失重現(xiàn)象本質(zhì)上是在豎直方向上加速度產(chǎn)生了變化，使用手機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了量化可視化，通過對加速度的加減變化進(jìn)行直觀的展示，對超重現(xiàn)象和失重現(xiàn)象進(jìn)行分析。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不光可以作為課堂上的實(shí)驗(yàn)活動，還可進(jìn)行課外探討，比如在小區(qū)內(nèi)的電梯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，甚至在游樂場玩過山車時(shí)也可以進(jìn)行探究。同時(shí)實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行時(shí)，由于是手握著手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的記錄，手的抖動難免會影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以要盡量讓手機(jī)和身體相對靜止，同時(shí)只測量豎直方向上的數(shù)據(jù)以免誤差。3.2聲音傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3.2.1聲音傳感器的原理與應(yīng)用聲音傳感器中內(nèi)置敏感的電容式駐極體話筒，當(dāng)電容式駐極體話筒的駐極振動膜遇到聲波振動時(shí)，會引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓[29]。手機(jī)中類似于示波器、聲吶、聲音秒表等應(yīng)用都是基于聲音傳感器設(shè)計(jì)而來的，借助聲音傳感器可以探究聲音的特性、測量聲速大小、探究彈性碰撞的能量損失、間接測量重力加速度等。3.2.2基于聲音傳感器探究影響音調(diào)高低的影響因素聲音有三大特性：音調(diào)、響度和音色。傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中主要使用音叉來作為實(shí)驗(yàn)器材來研究聲音的幾個(gè)因素，但是在很多情況下，音叉產(chǎn)生的聲音不為學(xué)生們所熟悉，所以很容易對聲音的三大要素產(chǎn)生混亂或者誤解，使用智能手機(jī)模擬鋼琴的聲音作為實(shí)驗(yàn)所用到的聲音，易于分辨也廣為熟知。【實(shí)驗(yàn)原理】實(shí)驗(yàn)要用到兩只手機(jī)作為發(fā)聲源和接收端。一端使用軟件發(fā)出音符的聲音，在另一端用phyphox的聲音傳感器接收數(shù)據(jù)并分析。在對接收到的信息進(jìn)行二次加工后，可以得出這樣的結(jié)論：聲音振動頻率的高低和音調(diào)呈現(xiàn)正相關(guān)的特性?！緦?shí)驗(yàn)裝置】兩只智能手機(jī)?！緦?shí)驗(yàn)過程】打開模擬音符聲音的應(yīng)用軟件依次點(diǎn)擊四個(gè)不同的音符，分辨這幾個(gè)音符是否相同；打開Phyphox軟件，點(diǎn)擊AudioAutocorrelation模塊，開始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊按鈕進(jìn)行記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，再打開另一只手機(jī)進(jìn)行模擬音符發(fā)出聲音，直到AudioAutocorrelation模塊展現(xiàn)的音符和模擬發(fā)聲的音符為同一個(gè)時(shí)，則為成功?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)果】如圖3-7所示，測得“E3”音符頻率是165.10Hz；如圖3-8所示，測得“A3”音符頻率是220.90Hz；如圖3-9所示，測得“E4”音符頻率是325.72Hz；如圖3-10所示，測得“A4”音符頻率是440.78Hz。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，音調(diào)的高低和頻率的高低呈現(xiàn)為正相關(guān)，頻率越低則音調(diào)越低，頻率越高則音調(diào)越高。圖3-7“E3”音符頻率圖圖3-8“A3”音符頻率圖圖3-9“E4”音符頻率圖圖3-10“A4”音符頻率圖【實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新】通過使用一臺手機(jī)模擬鋼琴音符發(fā)聲，可從主觀上感覺聲音的高低不同，再使用另一臺手機(jī)上的AudioAutocorrelation模塊可以從客觀上展示聲音頻率的不同，再通過數(shù)據(jù)計(jì)算判斷上哪一個(gè)音符。主觀的感受高地不同的音調(diào)，再加上客觀事實(shí)顯示的頻率高低，主客觀相統(tǒng)一，通過實(shí)驗(yàn)可以更清晰的感受到聲音頻率和音調(diào)的不同。不光是在教學(xué)過程中領(lǐng)悟了這些運(yùn)用方式，在自己的生活中，也可以對這些現(xiàn)象進(jìn)行研究音調(diào)以及頻率之間的關(guān)聯(lián)，例如用手指撥動一把尺時(shí)，頻率以及音調(diào)之間的關(guān)系等等。第四章基于智能手機(jī)的物理實(shí)驗(yàn)分析任何運(yùn)用于物理實(shí)驗(yàn)的器材都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，把智能手機(jī)作為實(shí)驗(yàn)器材也逃不出這個(gè)原則，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要發(fā)揮實(shí)驗(yàn)器材的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避掉智能手機(jī)本身的缺點(diǎn)，如何設(shè)計(jì)一個(gè)能突出智能手機(jī)優(yōu)點(diǎn)的物理實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)需要著重思考的問題。我們在設(shè)計(jì)一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，要選擇比較合適的智能手機(jī)所搭載的傳感器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣才能夠更好的理解物理實(shí)驗(yàn)本身所蘊(yùn)含的物理知識點(diǎn)。在物理實(shí)驗(yàn)的過程中，我們要把物理實(shí)驗(yàn)融入到我們的生活中去，把物理帶到我們的生活中，這樣更可激發(fā)對物理實(shí)驗(yàn)的興趣，達(dá)到事半功倍的效果。4.1適用性智能手機(jī)并不是萬能的，并不能將每一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)都做得面面俱到。如果一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)所需要的數(shù)據(jù)是智能手機(jī)所搭載的傳感器所不能夠檢測到的，那么這樣的物理實(shí)驗(yàn)顯然就沒有智能手機(jī)發(fā)揮的空間。所以如果使用智能手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先要對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)，使其更加適用于智能手機(jī)之上，不光要考慮實(shí)際操作，還要綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)際意義來考慮，不能舍本逐末。舉一個(gè)小小的例子，比如說非常著名的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測量運(yùn)動中的物體，這個(gè)實(shí)驗(yàn)有其歷史意義，不能夠輕易的將其變?yōu)槭謾C(jī)實(shí)驗(yàn)，要考慮歷史的進(jìn)程，這樣的實(shí)驗(yàn)不光是為了培養(yǎng)動手能力，還是讓學(xué)生了解物理史觀。4.2創(chuàng)新性傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)有其不可取代優(yōu)點(diǎn)，所以一直被用于物理教學(xué)之上，很難寒冬傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。而智能手機(jī)物理實(shí)驗(yàn)雖然不如傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)來得純粹，但也有其不可忽視的優(yōu)點(diǎn)。智能手機(jī)有著傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)所沒有的創(chuàng)新性，智能手機(jī)擁有一般的物理器材沒有的強(qiáng)大功能，還可以定制功能，例如抓捕瞬間產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)這樣的場景使用智能手機(jī)就非常合適。同時(shí)還可以設(shè)計(jì)僅限于智能手機(jī)才能完成的物理實(shí)驗(yàn)，豐富物理實(shí)驗(yàn)的想象力，例如在運(yùn)動中進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，普通物理實(shí)驗(yàn)器材沉重很難發(fā)揮，而智能手機(jī)則可以輕易發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)豐富了物理實(shí)驗(yàn)的種類，可以開拓學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，可以產(chǎn)生和前人不同的智慧，面對同樣的物理規(guī)律，使用不同的物理實(shí)驗(yàn)器材，可能得到不同的感悟，還能培養(yǎng)學(xué)生在面對問題時(shí)，學(xué)會使用不同方法解決問題的創(chuàng)新精神。4.3可重復(fù)性運(yùn)用智能手機(jī)展開物理實(shí)驗(yàn)研究，可以激發(fā)學(xué)生對于物理實(shí)驗(yàn)的熱情，在課上進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生還可以在課下也使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，不會因?yàn)闆]有物理實(shí)驗(yàn)器材的原因而無法進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。學(xué)生使用自己的智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，這樣不僅體會到了實(shí)驗(yàn)中的樂趣所在，理解了物理實(shí)驗(yàn)，還體現(xiàn)了生活中的物理這一理念。舉一個(gè)例子，例如打點(diǎn)計(jì)時(shí)器這樣的測量物體加速度的物理實(shí)驗(yàn)器材，雖然并不是一個(gè)很貴很難買到的實(shí)驗(yàn)器材，但是學(xué)生自己一般也不會特意購買一個(gè)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，但是智能手機(jī)就不一樣了，如果學(xué)生在課上對這個(gè)物理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了興趣，他可以在課下隨時(shí)所地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)器材因?yàn)椴灰讛y帶的原因，很多時(shí)遏制了學(xué)生的想象力和興趣，而使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以無限次的進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)樂此不疲，這樣不停地重現(xiàn)一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)的操作，一方面加深了對于物理知識的學(xué)習(xí)理解，另一方面還會加強(qiáng)學(xué)生的興趣和信心，能幫助學(xué)生學(xué)好物理實(shí)驗(yàn)。4.4直觀性傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)是對前人所做的物理實(shí)驗(yàn)的一種重現(xiàn)，在物理實(shí)驗(yàn)的過程中，我們可以復(fù)刻前人的操作，從中體會到前人通過實(shí)驗(yàn)得出物理結(jié)論的過程，但是在我們實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)操作過程中，因?yàn)榉N種原因，可能無法像前人一樣能夠從中挖掘出一半物理規(guī)律，半知半解最后填鴨式地理解了這個(gè)實(shí)驗(yàn)揭示了什么樣的物理結(jié)論和物理規(guī)律。而通過智能手機(jī)進(jìn)行某些物理實(shí)驗(yàn)，可以更直觀地看到物理實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果，例如在研究重力加速度的實(shí)驗(yàn)中，通過智能手機(jī)可以直接看到手機(jī)下落過程中每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)手機(jī)所受的加速度的變化，智能手機(jī)用圖表和曲線的方式表現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以很輕易的看出物體的超重與失重現(xiàn)象。

第五章總結(jié)如今社會的智能手機(jī)擁有非常繁多的功能，同時(shí)也內(nèi)置了很多傳感器用于程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)，在這基礎(chǔ)上誕生了許多可以使用內(nèi)置傳感器來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析的應(yīng)用程序，這些都給使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了可能。使用智能手機(jī)可以代替一部分只需要運(yùn)用智能手機(jī)上已有的傳感器就可以做的傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)，和一般的物理實(shí)驗(yàn)器材相比，智能手機(jī)現(xiàn)在人手一個(gè)，價(jià)格低廉，同時(shí)還可以隨身攜帶，有著不可忽視的優(yōu)點(diǎn)，對開展課堂上的物理實(shí)驗(yàn)研究以及課外物理實(shí)驗(yàn)研究都有著十足的促進(jìn)作用。使用基于phyphox手機(jī)應(yīng)用所設(shè)計(jì)的物理實(shí)驗(yàn)，操作過程比較簡潔明了，會使用手機(jī)基本功能就可以進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)，省去了熟悉實(shí)驗(yàn)器材的時(shí)間，同時(shí)測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是有手機(jī)自帶的傳感器測量，無需人工測定，在一定程度上減少了實(shí)驗(yàn)誤差，相比手工測量有著巨大的優(yōu)勢，同時(shí)還可以在課堂外進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，這些都方便理解和掌握我們的物理實(shí)驗(yàn)。在前期整理國內(nèi)外關(guān)于使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的文獻(xiàn)資料，查閱到使用手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)正在慢慢成為一種研究趨勢，已有許多學(xué)者正在研究跟進(jìn)這個(gè)話題，說明這個(gè)課題是一個(gè)有意義有效果的課題；然后根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，從中總結(jié)出了使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)邏輯和開發(fā)特點(diǎn)；在經(jīng)過如上分析論述后，設(shè)計(jì)了幾個(gè)用到了智能手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器和聲音傳感器的物理實(shí)驗(yàn)；通過實(shí)際演示了這幾個(gè)運(yùn)用phyphox應(yīng)用的物理實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中總結(jié)提煉出使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的一些優(yōu)勢。使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，這是一種全新的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，相比較于傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)來說，這種物理實(shí)驗(yàn)方式突破了時(shí)間和空間的限制，可以做到隨時(shí)隨地進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，這是以往任何一種物理實(shí)驗(yàn)方式都無法做到的，這是在信息時(shí)代下才能產(chǎn)生的進(jìn)步，將物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)代化和信息化了。同時(shí)使用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，打破了傳統(tǒng)的觀念，可以讓學(xué)生領(lǐng)悟到手機(jī)也是可以用于學(xué)習(xí)活動的。我們常常說物理要融入到生活中去，但往往很難做到這一點(diǎn)，其中一部分原因就是大部分的物理實(shí)驗(yàn)器材脫離了生活，很難讓人感到親切感，創(chuàng)新性的使用了phyphox應(yīng)用在手機(jī)上進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生真正感受到生活中的物理，真真正正地領(lǐng)悟到物理知識與我們的日常生活是緊密相連不可分割的。在肉眼可見的未來，手機(jī)還會飛速發(fā)展，5G手機(jī)正在慢慢普及。智能手機(jī)的舞臺只會越來越大，未來的物理實(shí)驗(yàn)也許會為之而顛覆，產(chǎn)生一套全新的基于智能手機(jī)的物理實(shí)驗(yàn)方式也并非不可能。

致謝轉(zhuǎn)眼間就要畢業(yè)，在大學(xué)里這些年，從剛剛成年到如今二十出頭的年紀(jì)，時(shí)間過的很快，也很漫長，一切過眼云煙仿佛剛剛過去，又好像已經(jīng)離我很遠(yuǎn)。在這些年里，很多人曾幫助過我，我也幫助過很多人，如今即將畢業(yè)，需要感謝每一位曾幫助過我的人，沒有他們的幫助，我走不到今天。首先需要感謝我的導(dǎo)師王瑩老師，從課題的選擇，到具體的框架結(jié)構(gòu)，再到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，都離不開導(dǎo)師的指導(dǎo)和幫助，在導(dǎo)師的幫助下，我才能夠比較順利的完成這篇論文，不至于像一個(gè)無頭蒼蠅一樣到處亂飛沒有頭緒。除了在論文設(shè)計(jì)上花費(fèi)了巨大的心思，導(dǎo)師還不忘關(guān)心我的生活狀況，給我?guī)砹藷o微不至的關(guān)懷。除了要感謝我的導(dǎo)師，還需要感謝大學(xué)中每一位任課老師，正所謂萬丈高樓非一日之功，沒有誰的成就是一蹴而就的，沒有每位任課老師進(jìn)行傾心的指導(dǎo)，讓我獲取了知識，把整個(gè)理論框架架構(gòu)了起來，我沒法完成這篇論文。正是有了他們的悉心教導(dǎo)，我才能比較順利的完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，在此向上海電力大學(xué)，應(yīng)用物理系的全體老師表示由衷的感謝，感謝這幾年大學(xué)生涯的辛勤指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)[1]王弘揚(yáng)，龍?jiān)?人工智能助力高等教育發(fā)展的動因、特征和方向[J].中國高等教育，2019(20):57-58.[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.[3]PatrikVogt,JochenKuhn.Analyzingfreefallwithasmartphoneaccelerationsensor[J].ThePhysicsTeacher,2012，50:182-183.[4]PatrikVogt,JochenKuhn.AnalyzingSimplepend-ulumphenomenawithasmartphoneaccelerationsensor[J].ThePhysicsTeacher,2012，50：43