以智能手机为实验工具的国际物理实验教学：实验设计、教学实践与探究

摘   要：智能手机的出现为物理教育提供了更多的可能性，研究智能手机支持下的国际物理实验教学研究现状，有利于推动智能手机在整个科学实验教学中的应用。本研究从实验设计和教学实践两个方面对Web of Science核心数据库中的文献展开分析，发现当前智能手机支持下的实验设计类论文数量呈上升趋势，同时覆盖的物理学领域不断拓宽;智能手机支持下的实验教学模式主要有传统实验教学与项目式学习两种;智能手机支持下的实验教学实施效果良好，在不影响学生学习成绩的情况下提高了学生的学习动机和实验技能。当前，物理实验教学需要辩证看待智能手机的使用风险、合理利用智能手机的功能性以及挖掘智能手机的独特性。

关键词：智能手机 物理实验 实验设计

物理学注重用“量”描述“质”，即通过测量获得速度、磁场强度等数量，并使用这些数量描述对象的形式和行为。[1]近年来，智能手机已经成为每个人身边不可或缺的移动设备。智能手机中集成了传感器、储存器、运行器、显示器等，可以作为可视化、交互式的数字化教学装备，为学生的数据采集、探究实践等提供丰富支持。以智能手机作为实验工具给物理教育提供了更多的可能性。[2]雷蒙德·F.维斯曼（Raymond F. Wisman）和凯尔·福里纳什（Kyle Forinash）在2008年第五届国际实践科学正规与非正规科学教育会议（The 5th International Conference on Hands-on Science Formal and Informal Science Education）上提出让学生使用智能手机在校内外开展物理实验。受其启发，2012年美国物理教师协会（AAPT）主办的《物理教师》（Physics Teacher）杂志创办了iPhysicsLabs栏目，在过去10年间该栏目收录了超过80篇使用智能手机开展物理实验的文章。[3]与此同时，我国科学教育界也开始不断探索将智能手机融入物理课堂的方法。2011年，毕海涛提出使用智能手机拍摄遥控器的红外光线发光二极管，让学生亲眼看到可见光波段以外的光源，加深其对电磁波谱的认识。[4]我国当前已有多位学者针对智能手机在物理实验中的应用进行综述[5][6][7][8]，内容包括梳理发展历程、介绍可用软件、分析典型实验等，然而当前研究多以智能手机为实验工具的国际物理实验教学展开综述，对其参与课堂所形成的教学方式与实施效果未有涉及。在此背景下，本研究对国外Web of Science数据库中所有将智能手机作为实验工具，并将教学场域聚焦于实验课堂教学的论文进行梳理，从更系统与宏观的视野分析国际研究现状与发展趋势。

一、理论基础

（一）情境认知与学习理论

近年来，智能手机已经成为每个人身边不可或缺的移动设备，情境认知与学习理论强调外部学习环境对于学习者学习的重要意义，要求提供现实情境作为学习者学习的起点，学习者应该解决遇到的实际的、真实的情境和与经验有关的事情。[9]在基于情境的科学教育中，情境可能由学生使用的技术媒介本身以及学生需要完成的任务两方面产生，产生的两种情境可称为材料情境（material context）和主题情境（topical context）。[10]使用智能手机开展物理教学与情境的创设存在双重关系。在材料情境层面，学生早已能够熟练地操作智能手机完成各种事情，在科学课堂上使用智能手机开展物理实验等实践活动，能让学生将技术媒介与生活经验紧密联系起来;在主题情境层面，智能手机功能性与便携性，使学生可以亲手开展许多与日常生活相关的科学实验[11]，而且智能手机能帮助学生随时随地获取知识，加强了学生与学习环境的交互[12]。因此，智能手机为情境认知与学习理论提供了技术支持，情境认知与学习理论也为智能手机支持下的物理实验教学提供了理论基础。

（二）认知负荷理论

研究者们共揭示了12种认知负荷效应[13]，本研究重点关注其中的通道效应（modality effect）、注意分离效应（split-attention effect），以探讨如何通过智能手机支持科学教学来减少学习的外在认知负荷。巴德利（Baddeley）通过研究发现，工作记忆对视觉信息和听觉信息的加工是分离的，这也意味着学习者的工作记忆事实上是通过不同的感官通道在发挥作用，综合使用多种信息呈现方式可以提高工作记忆的效率，降低外在认知负荷，这便是通道效应。[14]针对通道效应的研究表明，学生在多媒体学习中使用文本辅以解释性图片形式的材料来学习的效果，要优于只使用文本形式材料学习的效果。[15]目前，智能手机软件市场上有Phyphox等开源应用程序，可以将智能手机中传感器测量到的物理量在屏幕上实时生成数据和图表，学习者可以同时比对两种形式的信息，并将其联系起来。

与通道效应几乎相反，有研究表明当学生同时注意两个或更多信息来源时，会增加工作记忆的认知负荷，产生注意分离效应。[16]在科学教育中，目前以Arduino①为代表的开源技术有效地融合了物理知识，使用传感器等设备的接入帮助学生定量地探究生活中的物理知识。[17]智能手机中搭载了处理器与储存器，可以直接将测量的物理量计算与存储，因此，相比目前物理课堂中常用DIS传感器等设备，运用智能手机时学生需要注意的设备来源更少、信息获取的来源更集中，这降低了注意分离效应。智能手机中搭载的传感器类型多样，学生使用相同软件中的不同模块即可测量不同的物理量，减少了不同类型传感器使用学习给学生带来的外在认知负荷。

尽管与其他教育技术相似，将智能手机应用于科学教育中仍然面临着可能分散学生注意力的质疑[18]，但现有的相关实证研究表明，智能终端参与的实验教学总体而言是一种降低学生认知负荷的有效方式[19]。因此，智能手机为认知负荷理论提供了技术支持，认知负荷理论也为智能手机支持下的物理实验教学提供了理论基础。

二、实验设计

本文以Web of Science核心数据库为来源数据库，以“smartphone*”和“physics”作为主题检索词，最后一次检索时间为2022年3月6日，将文献类型限制在“articles”，并从美国《物理教师》杂志智能手机应用课堂栏目iPhysicsLabs 10周年回顾文章中提取87篇论文纳入检索范围，通过多轮筛选最终得到156篇实验设计类文章。

（一）实验领域

研究将智能手机支持下的物理实验设计类论文所属的物理学领域，按照国际物理教育界的分类标准，划分为力与运动、热物理、声音与波、光学、电与磁、能量、天体物理、平衡流体与流体力学、量子物理、相对论、核物理与放射性共11个实验领域。

智能手机作为实验工具的实验类论文总体呈上升趋势，在2012年仅发表8篇文章，2021年总发文量达20篇，说明国际物理教育界对于智能手机的热情逐步提升。研究覆盖的物理学领域也不断丰富，在2012—2013年仅覆盖四个物理学领域，主要以力与运动为主;从2015年开始，研究覆盖的领域开始不断增多，截至2017年共覆盖八个物理学领域，这说明研究者们对于智能手机的使用有了更深入的探索，能够将其运用于解决更多领域的物理问题当中。横向比较各个领域可以发现，力与运动、声音与波、光学三个领域的物理实验多于其他领域，而量子物理、相对论等领域未有涉及。这也意味着智能手机在物理教学中的应用有其特点，即聚焦于真实实验内容，物理学是一门以实验为基础的学科，在力学、声学、光学领域有大量的真实实验，因此智能手机的应用有很大的施展空间;而量子物理、相对论等相对更倾向于理想实验和理论推导的领域，研究者们暂时未关注到智能手机的有效融入方式。

（二）核心优势

智能手机相较其他电子设备的核心优势就是对多种传感器的集成，研究者在智能手机的支持下进行物理实验，有着更多可能的探索空间，特别是可以同时组合使用智能手机中多种传感技术开展物理实验。蒙泰罗（Monteiro）等人组合使用智能手机中的加速度传感器和磁场传感器，以测量通电线圈周围的磁场分布。[20]

该实验将智能手机安装在铝制轨道上，轨道上同时安装有一个通电线圈。智能手机最初在轨道上静止，实验开始时向前推动智能手机，同时使用加速度传感器和磁场传感器获取数据。加速度传感器捕捉到的小车瞬时加速度转换为小车位移的公式为：

vn+1=vn+anΔt

xn+1=xn+vnΔt

结合智能手机中的磁传感器获取的每个时刻的磁场强度，即可绘制磁场强度与位置的关系曲线，了解通电线圈周围的磁场分布。该实验最终的结果与理论模型的推导基本一致，说明组合使用智能手机中多种传感器开展实验可以在很大程度上保证实验结果的准确性。就该实验而言，因此使用的是同一台智能手机，所以可以确保加速度测量值与磁场测量值的测量时刻完全一致，减少测量误差。

总体而言，当前智能手机支持下的物理实验中，设计的实验装置较为简单，方便在中小学进行组装。智能手机充当测量工具，测量的数据较为准确，足够满足物理实验课堂的要求。

三、教学实践

（一）教学模式

有关智能手机在物理教学中的实证研究较少，现有的实证研究多为案例研究或准实验研究，在教学上主要分为传统实验教学和项目式学习两种教学模式。

1.传统实验教学

库恩（Kuhn）在使用智能手机完成声学实验的研究中，设计了教学流程——教师给出学习材料与实验问题，学生分小组计划他们的解决策略、解决实验问题、给出实验结论。[21]伊利亚基（Iliaki）提出在真实情境下的科学实验，让学生使用智能手机中的声传感器测量小提琴和录音机的声音音调、音色、响度等信息，理解关于声音的概念。尽管该研究使用了小提琴来提供真实情境，但在教学设计上仍然预设了8个实验问题按步骤开展。[22]

2.项目式学习

迪齐奥布（Dziob）提出项目式学习的教学模式，将项目分成三部分。引入，即教师介绍电磁波谱在地球观测中的作用，并介绍智能手机中的传感技术;数据获取与处理，即学生使用智能手机中的应用程序获取学校周围的卫星图像并做电磁波谱的分析;实地考察，即学生实地考察地形与智能手机获取的卫星图像的异同。研究者在宾夕法尼亚州立大学中开展了一个雪花项目，学生使用智能手机拍摄雪的照片，以调查降雪量、雪与液体的比例等信息，最终撰写有关降雪时间的论文和口头报告。[23]

3.传统实验教学与项目式学习的结合

穆斯维（Moosvi）设置了一个传统实验教学与项目式学习的结合教学方法，学生在前8周完成不确定度、趋势线等有关误差内容的学习，并使用智能手机完成单摆、静摩擦力等传统实验，在第9周开始自选一个研究问题开展项目式学习，但结果表明学生并不认可最终的项目，研究提出两个需要改进的问题：需要有数据分析环节，需要制定一个明确的问题。[24]

总体而言，当前研究者们仍在不断尝试将智能手机应用于其他常见的教学模式之中，作为信息时代最特别的移动设备之一，在其支持下的物理实验教学仍没有形成一套结构完整、应用普遍且具有自身特色的教学模式。

（二）教学效果

在积累了大量的物理实验设计类论文作为教学素材后，研究者也开始在科学课堂教学中开展实证研究，以探索使用智能手机支持下的物理实验教学究竟能产生什么样的教学效果。物理教学实践类论文共测评四类教学效果，分别是学业成就、实验技能、学习动机、高阶思维技能。

1.学业成就

关于以智能手机作为实验工具开展实验教学对学生学业成绩的影响，研究者们有不同的看法。库恩等人对德国十年级的学生开展了为期4周的教学干预，发现使用智能手机作为实验工具的学生4周内学习成绩的提升要远远高于传统课堂的学生[25]，而其他多数研究显示，学生使用智能手机作为实验工具开展实验相较于传统课堂对学习成绩的提升很小甚至没有[26]，但这种方式至少不会降低学生的学业成绩。