(江苏省常州外国语学校，江苏 常州 213031)

1 引言

2016年9月教育部发布的“中国学生发展核心素养”研究报告里明确了培养学生的六大核心素养，其中特别指出学生需“具有数字化生存能力”，主动适应“互联网+”等社会信息化发展趋势。

智能手机中内置了很多功能强大的传感器，如磁传感器、加速度传感器、声压传感器、陀螺仪传感器、温度传感器、气压传感器等。将智能手机用于物理实验教学，可使教学更加便捷，效果更加直观。国外的一些手机APP已经可以支持手机传感器的数据调用，如苹果的Sensor Kinetics、安卓的Sensor Sense。德国的Patrik Vogt和Jochen Kuhn是研究手机传感器辅助物理教学的先驱，他们在研究中发现：使用智能手机辅助物理实验，能充分调动学生的积极性。笔者在初中物理现象篇的教学中，尝试运用智能手机的传感器，取得较好的教学效果。

2 声现象

苏科版物理教材将声现象作为初中物理的第一章内容，它是学生进入物理世界的第一步。初中声学的教学中要求学生知道并会比较响度、音调、音色。传统教学中主要是以课本、事例和板书简单的波形图来帮助学生理解。但是教师的讲授对于学生来说是间接经验，可信度不够高。所以在声学的课堂教学中引入实时可视的教学工具，对知识理解有重要的辅助作用。

智能手机上有丰富的声学元件，如音频输出设备—扬声器、音频输入设备—麦克风、声压传感器等。教学中可以通过在安卓手机上安装音频发生器APP(Frequency Sound Generator)使其发出不同音色的声音，通过调节频率旋钮可以使频率在20Hz—20000Hz之间变化，通过调节手机音量可以改变声音响度的大小。声音特性的分析可以借助在安卓手机上安装的示波器APP(Oscilloscope)软件实时收录环境中声音的波形，并可暂停截屏保存，具体应用如下。

2.1 利用手机中“示波器”比较乐音三要素

图1

教材中介绍音色时，提到了我们可以借助波形图来比较音色的不同。实际上波形图也可以帮助我们清晰地分辨响度、音调和音色。我们通过比较相同坐标系下的波形振幅大小，可以比较两个声音响度的大小(如图1)；比较声波的周期(疏密程度)，可以比较声音的音调高低；比较波形的形状包络，可以判断两个声音的音色是否一致(如图2)。在课堂上，借助手机“示波器”和手机同屏软件—“希沃授课助手”，可以让学生自主总结出这些规律。

图2

2.2 利用手机中“示波器”比较乐音与噪声区别

讲到噪声时，我们会首先回顾噪声与乐音的区分标准，其中在物理学上的区分标准就是基于二者波形图的差异。在课堂上用手机“示波器”收录小刀划木板的声音，与音叉声音做对比，学生可以明显看到区别。音叉等乐器的声音是有规律、有一定周期的，小刀刻划的声音是没有规律的(如图3)。

图3

2.3 利用手机中声压和气压传感器探究声音传播条件

在讲到噪声时会提到声强级的概念及单位，用声强级的大小来描述声音的响度大小。在教材第一章的实验中，有两处需要判断声强级大小，而人耳对于声强级的变化并不十分敏锐，如果能用智能手机实时监测声强级大小并投影在屏幕上，将大大提高实验的可操作性，达到理想的效果。笔者选用的是安卓官方的传感器软件—Sensor Sense，打开软件后，选择“声压”选项，就可以看到声强级数值和一段时间内的声强曲线。

在学习声音的传播条件时，我们都会做一个真空罩传声实验，把正在发声的闹钟吊在钟罩中，不断抽气，让同学们听声音响度是否逐渐减小。在实际实验中，由于钟罩的密封性有限，在抽气机停止后同学们并不能明显听出前后声音响度的变化。借助两个智能手机可以改进这个实验，增强实验效果。将一个智能手机和闹钟一起放在真空罩中(如图4)，打开手机Sensor Sense软件中的气压传感器，抽气后就可以看到手机显示的气压在逐渐减小。同时，利用在教室后部的另一个手机中的声压传感器，记录抽气前后的两个声强级数值(如图5)。

图4

图5

借助气压传感器，我们可以看到在抽气时气压在减小，也就是传声介质(空气)在变少，声压传感器的数值可以更加准确地告诉我们空气的减少导致了响度的减弱，进而可以得出结论：声音的传播需要介质。

3 热现象篇

有部分智能手机会内置温度传感器，不过这个微型传感器是焊接在主板上，只能用来检测手机主板上CPU或电池的工作温度。为了满足物理实验中液体或固体内部温度的测量要求，美国Dallas公司推出了DS18B20数字传感器，其精度高，体积小，成本低，被大量应用于智能家居、工业控制等领域。国内公司开发出了封装好的产品(type C接口)和配套的安卓手机APP，这套组合可以测量-55℃～125℃范围的温度，精度达到0.1℃。我们将安卓手机外接DS18B20传感器应用于物态变化的课堂教学中，提高了课堂效率，大大增强了实验的可视性。

3.1 利用温度传感器验证液体蒸发吸热致冷

教材关于蒸发现象的研究中，提到了将温度计玻璃泡蘸取酒精后，观察温度计的示数变化。如果利用手机与温度传感器的组合，我们可以更直观地展示蒸发作用导致的温度变化规律。利用手机、温度传感器、酒精、电风扇等进行实验，将温度传感器与手机相连，打开温度检测软件，将数据采集间隔设定为5s。

图6

图7

实验分两次进行，第一次探究在室温、无风的环境下，酒精蒸发对于温度传感器探头的影响(如图6)。第二次探究在室温、有明显气流(电风扇工作)的情况下，酒精蒸发对于温度传感器探头的影响(如图7)。从两个图像可以看出：最初在传感器探头未沾有酒精时，温度示数稳定不变。沾有酒精后，探头的温度迅速下降，1分钟左右降到最低点，再缓慢回升至室温。对比有风和无风状态，我们可以看到明显的区别：探头附近有空气流动时，蒸发导致的降温速度更快，而且降低的温度更大(有风时最高降温达到5.5℃，无风时最高降温3.5℃)，温度回升的速度也相对更快(有风时6分钟已由最低点回到初始室温，无风时要8分钟以上)。

通过上述实验探究，我们可以得出：蒸发有吸热致冷作用，可以降低物体表面温度。液体表面空气流速越大，蒸发的速度越快，效果也越显著。

3.2 利用温度传感器记录水沸腾过程中的温度变化

在水的沸腾实验中，学生会遇到测温不准确和计时误差等问题，影响实验数据的准确性。有些实验组从90℃到沸腾可能只需要2分钟的时间，采集的数据过少，画出的沸腾曲线不理想。

实验中将温度传感器探头与热水充分接触，打开温度检测软件，设置好采集数据间隔为10s，采集热水吸热升温至沸腾的温度变化(如图8)，可以看到水吸热升温直到98摄氏度左右，之后温度保持不变，且杯中气泡在上升过程中由小变大。

图8

通过实验图像，引导学生总结结论：水沸腾后持续吸热，温度保持不变，这个不变的温度就是液体此时的沸点。我们使用改进后的实验装置，可以在相同的时间内采集到更多数据，从而获得更准确的温度曲线。

3.3 利用温度传感器记录并比较晶体与非晶体熔化特点

教材上冰和烛蜡的熔化实验采用水浴加热，用两只温度计分别插入冰和烛蜡之中，每隔30秒记录一次温度，画出熔化曲线，存在实验可视性较差、节奏较慢等缺点。

我们在教学中改良了实验方法，将温度传感器的两个探头固定在细木棒上，分别插入海波和烛蜡之中，设置好数据采集间隔为10秒，打开“希沃授课助手”，将温度监控画面同屏至屏幕上。

图9

图10

实验可以在10分钟内完成，自动生成实验图线(如图9、10)。通过实验数据，我们可以总结得出：两种物质的熔化特点不同，海波在熔化过程中吸热但温度保持不变，烛蜡在熔化过程中吸热且温度不断上升。改进后的实验解放了教师的双手，在进行海波与烛蜡加热的同时，还可以带领学生一起总结实验的注意事项、加热方法等，大大提高了课堂效率。

4 结语

在教学中，我们尝试了上述新技术，获得了理想的效果。我们要主动融入信息化时代，选用更直观、高效的教学手段，与时俱进，不断创新，增强学生的数字化生存能力，培养学生的核心素养。