巧用手机开展探究提高学生数字素养

2022年11月，教育部颁布了《教师数字素养》标准，要求教师具有适当利用数字技术获取、加工、创作、使用、管理和评价数字信息和资源，发现、分析和解决教育教学问题，优化、创新和变革教育教学活动的意识、能力和责任。对师生群体而言，智能手机是普及率最高、使用最频繁的移动智能终端。笔者指导学生利用智能手机实验程序Phyphox中的光度计进行测量，绘制高铁列车的速度—时间图像，实验探究结果与高铁列车实际运行状况十分吻合。一、智能手机可助力运动学探究实验智能手机内置多种传感器，为师生开展数字化物理实验探究活动提供了极大便利[1]。但是不少师生囿于思维定式，常常将手机实验探究活动束缚在狭小的范围内。例如光度计神通广大，但不少师生认为光度计只能用于探究光学现象[2]。其实，光度计是感知它所处位置光强变化的利器，只要某种物理运动或者物理现象引发了光传感器所处位置的光强变化，人们就能利用光度计对这种运动或现象进行探究[3-5]。笔者以利用智能手机光度计探究高铁列车运行规律为例，探讨光度计在运动学领域中的应用。师生可利用智能手机实验程序Phyphox中的光度计，感知高铁两侧接触网立柱在阳光下形成的影子扫过车窗引发的车内光强变化，绘制车厢内光强随时间变化的关系图像，测量光强变化曲线中相邻的两个向下的尖峰之间的时间差，得到列车驶过两个相邻立柱间距所用时间，结合高铁接触网立柱间距数据，即可计算高铁列车运行速度。二、利用智能手机光度计绘制高铁列车速度—时间图像目前，师生利用智能手机探究高铁列车这类运动距离长、运动速度快的物体的运动规律，其中使用智能手机实验程序Phyphox中的GPS定位传感器进行测算这一技术比较成熟。人们借助GPS定位传感器可以绘制高铁列车这类运动物体的位移—时间图像和速度—时间图像，从而确定高铁列车这类运动物体的位置和速度[6-7]。但是从教学的角度来看GPS定位传感器的应用也有不足——直接繪制出位移—时间图像和速度—时间图像，无法呈现“实验原理、数据采集、数据绘图、数据分析”等具体科学探究流程，学生参与度低，操作体验少，不利于培养学生正确的运动观，亦不利于增强学生科学探究的意识。基于以上考虑，笔者另辟蹊径。2023年7月17日，笔者和学生乘坐由焦作发往北京西的G1585次列车外出研学，在焦作至郑州东行车区间开展利用智能手机光度计绘制高铁列车速度—时间图像的实验探究活动，以增强学生使用智能手机开展科学探究活动的意识，提高智能移动终端和网络应用能力、信息搜索和筛选能力、数据分析和利用能力、信息管理和处理能力，提高其数字素养。（一）利用光度计测定接触网支柱间距笔者和学生坐在高铁列车上靠车窗的座位上。高铁两侧的接触网支柱（如图1）相对于车厢迅速向后方运动。那时太阳刚刚升起，阳光透过车窗玻璃斜射入车厢内，向阳一侧的接触网支柱的影子从车窗上不断扫过，车厢内有一种忽明忽暗的感觉。笔者指导学生将智能手机平放在列车窗台上，打开智能手机实验程序Phyphox，运行“光度计”实验样例，光度计自动绘制光强随时间变化的关系图像（如图2）。观察图2发现，光强变化曲线中分布着许多向下的尖峰。接触网支柱的影子周期性地从车窗上扫过，照进车厢内的光强随之发生周期性强弱变化。光强变化曲线中的每个向下的尖峰所对应的时刻正是柱影扫过车窗的时刻。学生将光强变化曲线展至全屏，点击“平移和缩放”按钮，将图像平移和缩放到合适位置；接着点击“获取数据”按钮，拖动手指从第一个尖峰移动到第六个尖峰，测得高铁列车连续驶过五个支柱间隔所用的时间为4.533s（如图3），计算得出高铁列车驶过一个支柱间隔平均耗时0.9066s。笔者随即用智能手机拍摄记录车厢内电子屏上滚动显示的列车瞬时速度值，其值为191km/h（如图4）。学生根据高铁列车在两个接触网支柱之间运行的时间和运行的速度，算出高铁接触网支柱间距为48.10m。资料显示，高铁接触网支柱间距为50m。据此可以计算出此次测量的相对误差仅为3.8%。光度计绘制车窗内的光强变化曲线的实验操作在前，拍摄车厢内电子屏上显示的瞬时速度值在后，两者有时差，以及高铁速度可能变化等，这些因素也会影响测量精度。总体来讲，此次利用光度计测量高铁接触网支柱间距还是比较可靠的。（二）利用光度计探究高铁列车运动规律在验证利用光度计测量高铁接触网支柱间距比较可靠后，笔者和学生立刻利用光度计绘制了光强随时间变化的关系图像（如图5）。这次实验时间较长，采集的数据较多。师生尝试绘制高铁列车速度—时间图像，并利用速度—时间图像探究高铁列车运行规律。学生将光强随时间变化的关系图像扩展至全屏，点击“平移和缩放”按钮，将图像平移和缩放到合适位置；接着点击“获取数据”按钮，拖动手指从第一个尖峰移动到第二个尖峰，测得高铁列车驶过第一个相邻的支柱间隔距离所用的时间为1.467s（如图6）。用相同的方法，测得高铁列车驶过每个支柱间隔距离所用的时间。师生打开笔记本电脑，以接触网立柱间距50m为长度单位，将利用光强曲线测得的每次通过50m距离对应的时间间隔录入电子表格（见表1）。学生利用表1中的位移和时间数据，算出每段时间的中间时刻，再算出每段时间内的平均速度。由于高铁通过接触网支柱间距的时间较短，可以将平均速度看作时间中点的瞬时速度。学生以时间中点速度为纵轴、以中间时刻为横轴绘制散点图，得到高铁列车速度—时间图像（如图7）。观察高铁列车速度—时间图像可以发现，高铁列车整体呈现减速趋势，但是存在一定的波动。根据乘坐高铁列车的亲身体验，笔者认为高铁列车速度—时间关系图像出现波动并不意味着列车速度有剧烈变化，曲线波动是由于光度计的采样频率比较低、高铁列车通过相邻支柱所需时间的测量误差较大导致的。为此，笔者和学生对图7中的实验数据进行拟合，得到方程式y=-0.1552x+32.241。将线性拟合方程式与匀变速直线运动的速度—时间公式进行比对后发现，在开展实验探究的这段时间内，高铁列车做初速度为32.24m/s（约116.07km/h）的匀减速运动，高铁列车的加速度为-0.155m/s2。三、借助智能手机探究真实问题全面提升了素养师生在乘坐高铁出行时，可以根据高铁列车运行的时间和方向，预订车票，尽量选择朝阳靠窗的座位。如果乘车时发现接触网立柱的影子扫过车窗，且没有高楼、树木等障碍物，就可以利用智能手機开展此项科学探究活动。笔者组织开展此项实验探究活动，涵盖位移、时间、时刻、平均速度、瞬时速度、加速度、速度—时间图像等众多运动学知识点，引导学生学会利用平均速度代替时间中点瞬时速度的实验技巧，掌握了利用电子表格线性拟合从大量离散的、波动的、复杂的数据点中寻找事物变化规律的科学方法，使其亲身体验基于智能手机的数字化、生活化、特色化科学探究的无穷魅力。在笔者的指导下，学生利用智能手机光度计自主探究高铁列车运行规律，亲身经历了“实验选题、方案设计、文献检索、数据读取、数据记录、数据绘图、数据分析、结果运用”等基本科学探究过程，培养了学生发现问题、提出问题、探究问题和解决问题的能力。这与教育部教育考试院倡导的“注重考查学生对基本实验原理的理解、基本实验仪器的使用、基