巧用手機(jī)開(kāi)展探究提高學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)

2022年11月，教育部頒布了《教師數(shù)字素養(yǎng)》標(biāo)準(zhǔn)，要求教師具有適當(dāng)利用數(shù)字技術(shù)獲取、加工、創(chuàng)作、使用、管理和評(píng)價(jià)數(shù)字信息和資源，發(fā)現(xiàn)、分析和解決教育教學(xué)問(wèn)題，優(yōu)化、創(chuàng)新和變革教育教學(xué)活動(dòng)的意識(shí)、能力和責(zé)任。對(duì)師生群體而言，智能手機(jī)是普及率最高、使用最頻繁的移動(dòng)智能終端。筆者指導(dǎo)學(xué)生利用智能手機(jī)實(shí)驗(yàn)程序Phyphox中的光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，繪制高鐵列車(chē)的速度—時(shí)間圖像，實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果與高鐵列車(chē)實(shí)際運(yùn)行狀況十分吻合。一、智能手機(jī)可助力運(yùn)動(dòng)學(xué)探究實(shí)驗(yàn)智能手機(jī)內(nèi)置多種傳感器，為師生開(kāi)展數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)提供了極大便利[1]。但是不少師生囿于思維定式，常常將手機(jī)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)束縛在狹小的范圍內(nèi)。例如光度計(jì)神通廣大，但不少師生認(rèn)為光度計(jì)只能用于探究光學(xué)現(xiàn)象[2]。其實(shí)，光度計(jì)是感知它所處位置光強(qiáng)變化的利器，只要某種物理運(yùn)動(dòng)或者物理現(xiàn)象引發(fā)了光傳感器所處位置的光強(qiáng)變化，人們就能利用光度計(jì)對(duì)這種運(yùn)動(dòng)或現(xiàn)象進(jìn)行探究[3-5]。筆者以利用智能手機(jī)光度計(jì)探究高鐵列車(chē)運(yùn)行規(guī)律為例，探討光度計(jì)在運(yùn)動(dòng)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。師生可利用智能手機(jī)實(shí)驗(yàn)程序Phyphox中的光度計(jì)，感知高鐵兩側(cè)接觸網(wǎng)立柱在陽(yáng)光下形成的影子掃過(guò)車(chē)窗引發(fā)的車(chē)內(nèi)光強(qiáng)變化，繪制車(chē)廂內(nèi)光強(qiáng)隨時(shí)間變化的關(guān)系圖像，測(cè)量光強(qiáng)變化曲線中相鄰的兩個(gè)向下的尖峰之間的時(shí)間差，得到列車(chē)駛過(guò)兩個(gè)相鄰立柱間距所用時(shí)間，結(jié)合高鐵接觸網(wǎng)立柱間距數(shù)據(jù)，即可計(jì)算高鐵列車(chē)運(yùn)行速度。二、利用智能手機(jī)光度計(jì)繪制高鐵列車(chē)速度—時(shí)間圖像目前，師生利用智能手機(jī)探究高鐵列車(chē)這類(lèi)運(yùn)動(dòng)距離長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)速度快的物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其中使用智能手機(jī)實(shí)驗(yàn)程序Phyphox中的GPS定位傳感器進(jìn)行測(cè)算這一技術(shù)比較成熟。人們借助GPS定位傳感器可以繪制高鐵列車(chē)這類(lèi)運(yùn)動(dòng)物體的位移—時(shí)間圖像和速度—時(shí)間圖像，從而確定高鐵列車(chē)這類(lèi)運(yùn)動(dòng)物體的位置和速度[6-7]。但是從教學(xué)的角度來(lái)看GPS定位傳感器的應(yīng)用也有不足——直接繪制出位移—時(shí)間圖像和速度—時(shí)間圖像，無(wú)法呈現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)繪圖、數(shù)據(jù)分析”等具體科學(xué)探究流程，學(xué)生參與度低，操作體驗(yàn)少，不利于培養(yǎng)學(xué)生正確的運(yùn)動(dòng)觀，亦不利于增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)探究的意識(shí)?；谝陨峡紤]，筆者另辟蹊徑。2023年7月17日，筆者和學(xué)生乘坐由焦作發(fā)往北京西的G1585次列車(chē)外出研學(xué)，在焦作至鄭州東行車(chē)區(qū)間開(kāi)展利用智能手機(jī)光度計(jì)繪制高鐵列車(chē)速度—時(shí)間圖像的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，以增強(qiáng)學(xué)生使用智能手機(jī)開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)的意識(shí)，提高智能移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能力、信息搜索和篩選能力、數(shù)據(jù)分析和利用能力、信息管理和處理能力，提高其數(shù)字素養(yǎng)。（一）利用光度計(jì)測(cè)定接觸網(wǎng)支柱間距筆者和學(xué)生坐在高鐵列車(chē)上靠車(chē)窗的座位上。高鐵兩側(cè)的接觸網(wǎng)支柱（如圖1）相對(duì)于車(chē)廂迅速向后方運(yùn)動(dòng)。那時(shí)太陽(yáng)剛剛升起，陽(yáng)光透過(guò)車(chē)窗玻璃斜射入車(chē)廂內(nèi)，向陽(yáng)一側(cè)的接觸網(wǎng)支柱的影子從車(chē)窗上不斷掃過(guò)，車(chē)廂內(nèi)有一種忽明忽暗的感覺(jué)。筆者指導(dǎo)學(xué)生將智能手機(jī)平放在列車(chē)窗臺(tái)上，打開(kāi)智能手機(jī)實(shí)驗(yàn)程序Phyphox，運(yùn)行“光度計(jì)”實(shí)驗(yàn)樣例，光度計(jì)自動(dòng)繪制光強(qiáng)隨時(shí)間變化的關(guān)系圖像（如圖2）。觀察圖2發(fā)現(xiàn)，光強(qiáng)變化曲線中分布著許多向下的尖峰。接觸網(wǎng)支柱的影子周期性地從車(chē)窗上掃過(guò)，照進(jìn)車(chē)廂內(nèi)的光強(qiáng)隨之發(fā)生周期性強(qiáng)弱變化。光強(qiáng)變化曲線中的每個(gè)向下的尖峰所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻正是柱影掃過(guò)車(chē)窗的時(shí)刻。學(xué)生將光強(qiáng)變化曲線展至全屏，點(diǎn)擊“平移和縮放”按鈕，將圖像平移和縮放到合適位置；接著點(diǎn)擊“獲取數(shù)據(jù)”按鈕，拖動(dòng)手指從第一個(gè)尖峰移動(dòng)到第六個(gè)尖峰，測(cè)得高鐵列車(chē)連續(xù)駛過(guò)五個(gè)支柱間隔所用的時(shí)間為4.533s（如圖3），計(jì)算得出高鐵列車(chē)駛過(guò)一個(gè)支柱間隔平均耗時(shí)0.9066s。筆者隨即用智能手機(jī)拍攝記錄車(chē)廂內(nèi)電子屏上滾動(dòng)顯示的列車(chē)瞬時(shí)速度值，其值為191km/h（如圖4）。學(xué)生根據(jù)高鐵列車(chē)在兩個(gè)接觸網(wǎng)支柱之間運(yùn)行的時(shí)間和運(yùn)行的速度，算出高鐵接觸網(wǎng)支柱間距為48.10m。資料顯示，高鐵接觸網(wǎng)支柱間距為50m。據(jù)此可以計(jì)算出此次測(cè)量的相對(duì)誤差僅為3.8%。光度計(jì)繪制車(chē)窗內(nèi)的光強(qiáng)變化曲線的實(shí)驗(yàn)操作在前，拍攝車(chē)廂內(nèi)電子屏上顯示的瞬時(shí)速度值在后，兩者有時(shí)差，以及高鐵速度可能變化等，這些因素也會(huì)影響測(cè)量精度?？傮w來(lái)講，此次利用光度計(jì)測(cè)量高鐵接觸網(wǎng)支柱間距還是比較可靠的。（二）利用光度計(jì)探究高鐵列車(chē)運(yùn)動(dòng)規(guī)律在驗(yàn)證利用光度計(jì)測(cè)量高鐵接觸網(wǎng)支柱間距比較可靠后，筆者和學(xué)生立刻利用光度計(jì)繪制了光強(qiáng)隨時(shí)間變化的關(guān)系圖像（如圖5）。這次實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，采集的數(shù)據(jù)較多。師生嘗試?yán)L制高鐵列車(chē)速度—時(shí)間圖像，并利用速度—時(shí)間圖像探究高鐵列車(chē)運(yùn)行規(guī)律。學(xué)生將光強(qiáng)隨時(shí)間變化的關(guān)系圖像擴(kuò)展至全屏，點(diǎn)擊“平移和縮放”按鈕，將圖像平移和縮放到合適位置；接著點(diǎn)擊“獲取數(shù)據(jù)”按鈕，拖動(dòng)手指從第一個(gè)尖峰移動(dòng)到第二個(gè)尖峰，測(cè)得高鐵列車(chē)駛過(guò)第一個(gè)相鄰的支柱間隔距離所用的時(shí)間為1.467s（如圖6）。用相同的方法，測(cè)得高鐵列車(chē)駛過(guò)每個(gè)支柱間隔距離所用的時(shí)間。師生打開(kāi)筆記本電腦，以接觸網(wǎng)立柱間距50m為長(zhǎng)度單位，將利用光強(qiáng)曲線測(cè)得的每次通過(guò)50m距離對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔錄入電子表格（見(jiàn)表1）。學(xué)生利用表1中的位移和時(shí)間數(shù)據(jù)，算出每段時(shí)間的中間時(shí)刻，再算出每段時(shí)間內(nèi)的平均速度。由于高鐵通過(guò)接觸網(wǎng)支柱間距的時(shí)間較短，可以將平均速度看作時(shí)間中點(diǎn)的瞬時(shí)速度。學(xué)生以時(shí)間中點(diǎn)速度為縱軸、以中間時(shí)刻為橫軸繪制散點(diǎn)圖，得到高鐵列車(chē)速度—時(shí)間圖像（如圖7）。觀察高鐵列車(chē)速度—時(shí)間圖像可以發(fā)現(xiàn)，高鐵列車(chē)整體呈現(xiàn)減速趨勢(shì)，但是存在一定的波動(dòng)。根據(jù)乘坐高鐵列車(chē)的親身體驗(yàn)，筆者認(rèn)為高鐵列車(chē)速度—時(shí)間關(guān)系圖像出現(xiàn)波動(dòng)并不意味著列車(chē)速度有劇烈變化，曲線波動(dòng)是由于光度計(jì)的采樣頻率比較低、高鐵列車(chē)通過(guò)相鄰支柱所需時(shí)間的測(cè)量誤差較大導(dǎo)致的。為此，筆者和學(xué)生對(duì)圖7中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到方程式y(tǒng)=-0.1552x+32.241。將線性擬合方程式與勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度—時(shí)間公式進(jìn)行比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究的這段時(shí)間內(nèi)，高鐵列車(chē)做初速度為32.24m/s（約116.07km/h）的勻減速運(yùn)動(dòng)，高鐵列車(chē)的加速度為-0.155m/s2。三、借助智能手機(jī)探究真實(shí)問(wèn)題全面提升了素養(yǎng)師生在乘坐高鐵出行時(shí)，可以根據(jù)高鐵列車(chē)運(yùn)行的時(shí)間和方向，預(yù)訂車(chē)票，盡量選擇朝陽(yáng)靠窗的座位。如果乘車(chē)時(shí)發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)立柱的影子掃過(guò)車(chē)窗，且沒(méi)有高樓、樹(shù)木等障礙物，就可以利用智能手機(jī)開(kāi)展此項(xiàng)科學(xué)探究活動(dòng)。筆者組織開(kāi)展此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，涵蓋位移、時(shí)間、時(shí)刻、平均速度、瞬時(shí)速度、加速度、速度—時(shí)間圖像等眾多運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)利用平均速度代替時(shí)間中點(diǎn)瞬時(shí)速度的實(shí)驗(yàn)技巧，掌握了利用電子表格線性擬合從大量離散的、波動(dòng)的、復(fù)雜的數(shù)據(jù)點(diǎn)中尋找事物變化規(guī)律的科學(xué)方法，使其親身體驗(yàn)基于智能手機(jī)的數(shù)字化、生活化、特色化科學(xué)探究的無(wú)窮魅力。在筆者的指導(dǎo)下，學(xué)生利用智能手機(jī)光度計(jì)自主探究高鐵列車(chē)運(yùn)行規(guī)律，親身經(jīng)歷了“實(shí)驗(yàn)選題、方案設(shè)計(jì)、文獻(xiàn)檢索、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)繪圖、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果運(yùn)用”等基本科學(xué)探究過(guò)程，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、探究問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。這與教育部教育考試院倡導(dǎo)的“注重考查學(xué)生對(duì)基本實(shí)驗(yàn)原理的理解、基本實(shí)驗(yàn)儀器的使用、基