智能手机在压强系列实验中的教学应用.pdf

SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期信息技术与应用智能手机在压强系列实验中的教学应用范紫萍，李玉冰，王笑君（华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州 510006）摘要：信息技术有效融入物理教学，能创新教学方式，提高课堂效率。针对压强相关实验，利用智能手机中Phyphox软件具有的动态显示记录、高精度和直观显示图象等特点，探究压强与压力作用效果的关系，液体内部压强与深度、密度的关系，大气压与高度的关系，流体压强与流速的关系，弥补了传统压强相关实验中的不足。关键词：物理实验；压强；PhyphoxDOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.07.041义务教育物理课程标准（2022年版）提出“教师要充分发挥信息技术的优势，将信息技术有效融入物理教学，创新教学方式，提高课堂效率。同时，应鼓励学生将信息技术运用到物理学习中。”1 信息技术的发展已为物理实验教学带来了新的变化，既能增强实验的可视化和实验数据采集的实时化，还能指导学生开展拓展性实验，充分发挥实验在物理教学中的综合育人功能。针对压强相关实验，已有学者利用 DIS 压强传感器和手机内置气压计进行实验改进2-6，实现了从定性探究到定量研究的转变，使实验结论更具有说服力。然而，DIS数字传感系统受数据线的限制，无法自由地在室外进行数据探测，且需另外购买设备，不能在日常实验中使用。而手机内置气压计只能显示气压值，缺少图象显示和电脑远程控制的功能，无法直接将图象显示在多媒体设备上，且手机内置气压计多用于研究大气压强，尚未见到应用于压强和液体内部压强的研究。笔者从教学实际出发，设计利用智能手机Phyphox软件来探究初中物理压强相关内容的系列实验，既实现了从物理量测量到图象分析的一体化，还拓展了探究空间和探究场所，将更多的课堂时间聚焦于引导学生观察并分析实验图象，进而深入理解压强相关的物理概念和物理规律。物理实验是落实物理课程育人要求的重要载体1。在实际教学过程中，教师可以借助实验来培养学生的图象分析能力。下面将分别讨论“压强与压力作用效秀作品，并要求这些作品的作者分享自己的创作心得和创作过程中的收获与感悟。4教学效果分析为进一步验证基于网络学习空间的翻转课堂教学模式在语文教学中的实际效果，笔者以问卷、访谈的形式对教师和学生进行调查。对调查结果进行统计分析后可以得出结论，相较于传统教学方式，基于网络学习空间的项目化翻转教学模式更受师生的欢迎。这种教学模式打破了传统教学的局限性，结合多元化教学活动的设计，不仅能为学生营造轻松、愉悦的学习氛围，亦可在课前、课中、课后教学阶段强化学生自主学习与协作能力的培养。可以预见，通过教学模式的创新，提升学生核心素养及能力在未来应该是一条值得教育工作者探索的有效路径。参考文献1 尹瑞新，李袆.网络学习空间助力泛在化翻转课堂建设研究J.中国校外教育，2020（21）：92-93.2 张云岗，陈志新，高波.利用网络教学平台提升翻转课堂使用效果的实践研究 J.新一代：理论版，2020（8）：1.3 刘慧姝，段纪淼，徐硕，等.“互联网+”时代项目式翻转课堂的教学设计 J.教师，2021（8）：68-69.1062023 年第7期信息技术与应用果的关系”“液体内部压强的影响因素”“大气压随高度变化”和“流体压强随流速变化”4个探究实验，并结合Phyphox软件显示的过程图象，展开教学讨论。1压强与压力作用效果的关系教师在进行压强概念教学时，往往通过探究压力作用效果的影响因素实验，得出压力作用效果与压力、受力面积有关的结论，接着直接引入压强这一物理量，运用比值定义法建立压强概念。这样的教学设计符合学生的认知规律，但也存在一些不足。（1）学生容易产生概念误解，误认为“压力作用效果”完全等同于“压强”，但这两个概念既有区别也有联系。区别在于：压力作用效果指的是弹性物体在压力作用下产生形变的效果，压强指的是压力和受力面积的比值大小。联系在于：压力作用效果越明显，压强越大，压强是表示压力作用效果的物理量。（2）直接讲授“压力作用效果越明显，压强越大”，不利于学生形成直观认识，对于初学者来说也有突兀和不自然之感。针对上述不足，笔者利用智能手机设计了拓展实验，可用于拓展压强的概念教学。实验装置示意图如图1所示。先在教室的多媒体设备上连接手机热点，并打开浏览器输入 Phyphox 软件提供的远程访问网址。随后，将智能手机放入透明袋中，用打气筒充入空气，使密封袋保持膨胀状态。图1实验装置示意图传统的海绵-砝码实验只能用于探究压力作用效果与压力、受力面积的关系，无法探究压强与压力作用效果的关系。但利用Phyphox软件便能提供一个量化的图象来展示压强与压力作用效果的关系，如图2所示，纵坐标代表压强，横坐标代表时间（下同）。当实验者施加大小不同的力或者改变受力面积，甚至压力和受力面积同时改变时，塑料袋都会产生不同程度的形变效果。实验中发现，塑料袋的形变效果会逐渐明显，图象也相应地呈现3个逐渐增大的峰值。分析图象可知，不同峰值代表不同的压力作用效果，由此得到结论：在形变范围内，压力作用效果越明显，压强越大。压力p/hPa作用效果大作用效果小作用效果中等1 009.001 008.00012345678t/s图2压力作用效果与压强的对应关系图象在以往的压强概念教学中，常常忽略压强与压力作用效果的关系，且传统的海绵-砝码实验无法研究压强与压力作用效果的关系，因此，教师可以借助智能手机来讲授“压强与压力作用效果的关系”，帮助学生强化对压强概念的理解。根据Phyphox提供的图象，引导学生直接看出“压力作用效果不同，对应的压强值不同”，进而促使学生自主发现“压力作用效果越明显，压强越大”这一规律，由此深入理解压强的物理意义。2液体内部压强与深度、液体密度的关系“探究液体压强与哪些因素有关”是初中物理探究类学生必做实验1。针对这一实验，传统实验是将U形管压强计作为探测工具，通过比较U形管压强计两边液面的高度差来研究液体内部压强的大小。虽然传统实验运用转化法，将比较液体内部压强的大小转化为观察U形管液面的高度差，有利于教师演示，但在实际教学中仍存在一些不足。（1）演示过程需要改变深度、液体密度等要素，每一个规律的探究都需要做多次实验，同时准确读数和记录数据所需时间较长，导致课堂效率低。（2）液体内部压强的概念较为抽象，初中生难以直接感知和体会液体内部压强的存在。且学生刚刚接触压强的概念，对U形管压强计的应用原理仍一知半解，难以将U形管液面的高度差和液体内部压强的大小直接对应起来。为更好地达到探究效果，笔者利用智能手机代替U形管压强计，改进传统实验。实验开始前，将Phyphox软件的图象界面投影到多媒体设备上。随后将手机放入防水袋中并充入适量气体，接着将防水袋分别放入同种液体 107SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期信息技术与应用不同深度或同一深度不同密度的液体中。图3为改变深度的过程图象。当实验者将装有智能手机的防水袋缓缓放入水中时，压强值呈现一个平缓的上升趋势；当保持深度不变时，压强值趋于平稳；当深度逐渐减小时，压强值又呈现出一个明显的下降趋势。结合图象，可以分析出液体内部压强具有这样的特点：深度越深，液体内部的压强越大。压力p/hPa放入水中拿出水中1 035.001 030.001 025.001 020.001 015.00010203040t/s图3深度改变导致液体内部压强改变的图象图4为改变液体密度的过程图象。当实验者将装有智能手机的防水袋分别放入装有酒精溶液、稀释后的酒精溶液、水的容器中同一深度时，随着液体密度的改变，压强值也相应地发生了变化。结合图象，可以引导学生分析液体内部压强与液体密度的关系。将压强计作为探测工具，学生只能通过U形管液面高度差的不同来判断液体内部压强的不同，教师也只能定性讲解液体内部压强的规律。利用Phyphox软件，教师既可以提供实验图象，引导学生思考并解释图象变化的原因，调动学生在探究活动中的积极性和主动性，也可以给出不同密度、不同深度的液体内部压强实验数据，并为学生自主解释数据留出时间。除此之外，教师还可以鼓励感兴趣的同学课后选取不同密度的液体开展实验，获取实验数据，拓展课内探究，从而使液体内部压强影响因素的研究更为全面。3大气压随高度的变化Phyphox软件中的压强传感器灵敏度极高，仅仅用手将手机举起，便可以看到气压值在下降。图5为实验者将智能手机用手缓慢举起的过程中所产生的气压变化图象。结合使用软件中的远程控制功能，便能在教室里观测到大气压值会随高度的增加而减小。开始举起停止举手压力051015t/s1 007.701 007.601 007.50p/hPa图5气压在举手过程中的变化图象人教版教材在“想想做做”部分，设计让学生拿着自制气压计从楼下到楼上，观察玻璃管内水柱高度的变化情况，并给出解释7。由于要通过玻璃管中水柱高度的变化来推导气压差的变化，再推导出瓶外大气压的变化，推理能力差的学生难以弄懂其中的原理。而且自制气压计在使用过程中不能直接用手拿玻璃管，以免玻璃管受热，影响玻璃管气体压强8。针对以上问题，一部智能手机便能解决气压计的不足，辅助学生开展户外探究。打开Phyphox软件，点击气压功能，拿着智能手机从一楼走到六楼，并记录各楼层气压的具体数值。为避免走楼梯时数据浮动，可在走楼梯前后依次点击暂停和开始按键。过程图象如图6所示，每走上一楼层，气压值便会下降。从一楼走至六楼的过程中，总共出现了5次下降，且下降趋势近乎相同。1 017.001 016.00依次走上一层楼层01020304050t/s压力p/hPa图6高度改变导致气压改变的变化图象相较于用气压计进行探究活动，借助信息技术能极大地节约课后探究的时间成本，激发学生的探究热情。在实际教学中，教师可以提前布置任务，要求学生压力p/hPa1 007.201 007.001 006.80放入稀释后的酒精溶液放入酒精溶液放入水中0246810121416t/s图4密度改变导致液体内部压强改变的图象 1082023 年第7期信息技术与应用利用课余时间采集相关数据，如同一地点不同天气的气压值、同一建筑物不同楼层的气压值。然后在课堂教学中，组织学生分享采集到的气压数据和图象，交流实验过程中的发现，总结气压与海拔高度、晴雨天气之间的关系。还可以根据公式p=gh，查找空气密度和当地的重力加速度，粗略计算出不同楼层（如教学楼、住宅楼、商业区）的高度，并与国家标准的建筑楼层高度进行比较。根据教学实际，教师可不断创新教学手段，展现大气压强与人类生活的关系，充分体现“从生活走向物理、从物理走向社会”的课程理念。4流体压强与流速的关系对于“流体压强与流速的关系”一课，人教版教材设计了“口吹硬币跳越木块”和“手握纸张向下吹气”两个实验，由此猜想流体压强和流速的关系7。这两个演示实验现象明显，都可用于定性分析流体压强与流速的关系；但实验缺点也较为明显：持续时间短，学生没有充足的时间来体验和思考，不便于教师在有限的课堂时间内总结实验规律。因此在教学过程中，可尝试通过定量研究“流速大的位置压强小”来辅助学生形成正确的认知。借助Phyphox软件和一个吹风筒，便可在传统实验的基础上拓展定量演示实验，动态展现出不同流速下的压强变化。通过查阅文献得知，部分手机内置传感器的通气孔位置在手机听筒附近9。用吹风筒沿着手机听筒表面开启不同挡位的开关，过程图象如图 7所示。吹风筒未启动时，气压值保持平稳；开启吹风筒的大风挡位后，压强值迅速降低，不久压强趋于稳定；再调至小风挡位，压强值开始增大，不久再次趋于稳定。0.005.0010.00t/s1 007.601 007.401 007.20p/hPa压力小风状态无风状态大风状态图7流速改变导致压强改变的过程图象开展定性探究流体压强随流速变化的实验十分常见，若在此基础上拓展定量演示实验，更符合学生的认知规律，将微小的流体压强变化以图象的形式展示，促进学生实现从感性认识到定量分析理性认识的转化。在实际教学中，教师可在定性演示的基础上开展定量探究，直接测出不同流速下流体压强的大小，再引导学生观察图象并思考不同流速下流体压强的变化情况，总结流体压强与流速的关系，进而提升学生的图象分析能力。5结论在教学中，利用智能手机中的Phyphox软件开展物理实验，可充分挖掘图象的价值，促使学生通过分析图象来发现物理规律。在探究“压强与压力作用效果的关系”的过程中，可使学生直接认识压强与压力作用效果的对应关系，更好地理解压强的物理意义。在探究“液体内部压强的影响因素”的过程中，对比U形管压强计，可使学生直接定量观察液体内部压强的变化情况。在探究“大气压随高度变化”的过程中，可在教学楼内观察到大气压随高度变化的情况，而且采样方便，可使学生采集更多室外数据，用于课堂讨论交流。在探究“流体压强与流速的关系”的过程中，可使学生直接看出流体压强的具体数值，观测到“流速变大流体压强随即变小”这一瞬间的变化过程。参考文献1 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）S.北京：北京师范大学出版社，2022.2 徐梦莎，冯杰.DIS探究液体内部压强与深度关系实验方法的改进 J.物理通报，2019（S1）：111-113.3 王笑.“流体压强与流速关系”的实验改进 J.物理通报，2017（12）：64-66.4 曾心，刘健智.智能手机在中学物理课堂教学中的应用 J.实验教学与仪器，2019，36（9）：39-42.5 卢军委.智能手机内置传感器在物理实验中的应用 J.实验教学与仪器，2017，34（3）：29-31.6 刘红梅.智能手机软件在初中物理教学中的应用 J.中学物理教学参考，2019，48（21）：59-62.7 人民教育出版社，课程教材研究中心，物理课程教材研究开发中心.物理八年级下册 M.北京：人民教育出版社，2019.8 李蔚.一套自制教具引发的三个不同实验 J.中学物理，2015，33（10）：43.9 田川.关于手机传感器App的利用：以气压与沸点的定量关系为例 J.物理通报，2019（4）：94-96.109