利用ＥＳＰ３２和Ｐｈｙｐｈｏｘ重构“超重和失重”教学

摘   要：在“超重和失重”的教学中，出现了研究对象的模糊、迷思概念的影响、测速工具的制约和已学规律的暗示等问题。将信息技术应用于“超重和失重”教学，可以提升教师的教和学生的学的效能。通过ＥＳＰ３２采集力和Ｐｈｙｐｈｏｘ测量智能手机速度，深研“蹲下与站起”时智能手机的ｖ－ｔ与F－ｔ图像、ａ－ｔ与F－ｔ图像，并重构“超重和失重”教学流程。构建信息技术支撑的新型教与学流程与评价指标体系，从“以评优教、以评促学、以评创和”方向对信息技术应用进行规范引导。

关键词：超重和失重；Ｐｈｙｐｈｏｘ；重构教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2025）3-0080-5

随着我国迈入教育信息化“３．０时代”，以数字化为代表的教育信息技术得到广泛应用，而且已经呈现燎原之势［１］，从高中物理必修一第四章第６节的“超重和失重”教学设计便能可见一斑。探究超重、失重条件与规律的技术有智能手机［２］、ＤＩＳ实验装置［３－４］以及自主设计“数字化”体重计［５］或电梯模型［６］等，这些技术的应用不同程度提升了教师的教和学生的学的效能。

１重构缘起

１．１研究对象的模糊

在以学生为研究对象描述“蹲下与站起”运动时，由于身体各部分运动的差异，难以准确描述学生运动过程中的速度和加速度。当以身体重心为研究对象时，蹲下与站起过程中的身体姿势变化也会导致重心的变化，使得重心运动的速度和加速度难以准确测量。因此，利用体重计或力学传感器研究“蹲下与站起”过程中的体重变化时，研究对象是明确的；而在研究速度和加速度时，研究对象却显得模糊，需要改进活动设计，以确保研究过程中的对象清晰明确。

１．２迷思概念的影响

迷思概念是指学生在学习相关科学知识的不同阶段（前、中、后）所形成的不完整或错误的认识，这些认识与科学概念存在差异［７］。学生在“蹲下与站起”的过程中，由于体验的影响，容易产生速度与失重现象之间的直接相关性迷思。传统的解答方法认为，蹲下过程的初始和末尾速度均为零，而运动过程中存在速度。因此，可以推理出蹲下过程是先向下加速，后向下减速；同样，站起过程也可以推理为先向上加速，后向上减速。结合体重计的读数，向下运动时的示数先减小后增大，向上运动时的示数则先增大后减小。因此，可以推论出速度与失重之间没有直接相关性。然而，这种推理仅是定性分析，缺乏定量论证的支持。

１．３测速工具的制约

研究文献指出，任虎虎老师让学生站在体重计上进行“蹲下与站起”活动，并通过智能手机投屏软件展示体重计指针的变化［３］。韦叶平老师则采用智能手机逐帧播放的方式呈现示数变化［２］。学生通过观察总结发现，缓慢下蹲和起立时示数保持不变，而正常下蹲时示数先减小后增大，正常起立时示数则先增大后减小。由此推理出，失重现象与速度之间没有直接相关性。然而，该过程缺乏定量研究的主要原因在于测速工具的限制。在高中阶段，速度的测量主要依赖打点计时器和光电门，这两种工具难以实时测量“蹲下与站起”过程中的速度变化，因此需要开发新的测速工具。

１．４已学规律的暗示

学生在学习“超重和失重”规律之前，已对牛顿第二定律有较深入的理解，尤其是力与加速度之间的关系。在组织学生探究超重、失重现象的产生条件时，学生容易受到先前学习内容的影响，联想到加速度相关的概念。一些教师在教学设计中也受到这种规律的暗示，导致在教学过程中对超重、失重现象与速度关系的半定量或定量研究较少。教师常常从速度迅速过渡到加速度的探究，这可能使学生在面对复杂问题时倾向于采取简单或忽视的处理方式。这不仅不利于提升学生的创新能力，也不利于培养他们面对困难时的科学态度。

２突破方法

２．１ＥＳＰ３２采集力和Ｐｈｙｐｈｏｘ测量速度

实验中，智能手机放置在自制测力计上，由学生手持测力计进行“蹲下与站起”运动。这样，测量的是智能手机及手掌运动过程的速度，同时确保研究对象在全过程中清晰明确。自制测力计利用ＥＳＰ３２与力传感器连接，并将采集的数据通过蓝牙发送给Ｐｈｙｐｈｏｘ，从而获得手机视重的实时变化图像。由于智能手机中没有速度传感器，Ｐｈｙｐｈｏｘ无法直接获取速度信息。为了直观展示“蹲下与站起”过程中的速度变化，Ｐｈｙｐｈｏｘ调用智能手机中的加速度传感器以获取运动过程中的实时加速度数据。通过Ｐｈｙｐｈｏｘ官网提供的在线软件编辑器，对加速度进行积分运算，从而得到速度与时间关系的图像。测量装置的搭建流程如图１所示，加速度积分运算程序的编辑如图２所示，Ｆ－ｔ与ｖ－ｔ的同屏呈现如图３所示。在图３中，速度取正值表示方向向上，取负值表示方向向下。学生通过ｖ－ｔ图像能够实现对“蹲下与站起”运动过程中速度变化的定量描述。

２．２深研ｖ－ｔ与Ｆ－ｔ图像

通过组织学生观察“蹲下与站起”过程的ｖ－ｔ图像，可以得出以下结论：在蹲下过程中，速度先增大后减小；当蹲下不动时，速度为零；在站起过程中，速度同样先增大后减小，而站起不动时速度仍为零。进一步观察“蹲下与站起”过程的Ｆ－ｔ图像，可以发现：在蹲下过程中，先经历失重状态，后进入超重状态；当蹲下不动时，视重等于重力；在站起过程中，先经历超重状态，后进入失重状态；当站起不动时，视重同样等于重力。从表１中可以看出，速度的大小与方向无法与超重、失重现象建立直接相关性。这一发现有助于解决学生基于体验形成的关于速度与超重、失重现象直接相关的迷思概念。

２．３深研ａ－ｔ与Ｆ－ｔ图像

在发现速度的大小和方向无法与超重、失重现象建立直接相关性后，教师引导学生从速度—时间图线斜率的角度探究与超重、失重现象的关系，随后自然而然地转向研究加速度。具体而言，学生利用Ｐｈｙｐｈｏｘ软件调用加速度传感器，对“蹲下与站起”过程中加速度随时间的变化进行实时绘图。图像中，正值表示加速度方向向上，负值表示加速度方向向下。同屏呈现的Ｆ－ｔ和ａ－ｔ图像如图４所示，学生可进行直观对比和分析。为了便于比较，可以利用双y轴坐标系将两图叠加在一起，如图５所示。由此可以得出，超重、失重现象与加速度的大小变化无直接相关性，但与加速度的方向存在直接相关，如表２所示。

３重构教学

３．１任务驱动

基于上述研究，对“超重和失重”教学流程进行重构，具体聚焦三项任务展开，流程如图６所示。

任务一：如何测出你的体重。

通过实际任务，学生将理解体重计的测重原理，并区分视重与重力。同时，让他们在体重计上进行“蹲下与站起”的体验，以感受“超重和失重”现象，分析指针示数变化的力学原因。

任务二：探究“超重和失重”规律。

（１）实验时，智能手机（质量为０．１７２ ｋｇ）放置在自制测力计上，由学生手持自制测力计进行“蹲下与站起”运动（图７）。学生分析ｖ－ｔ与Ｆ－ｔ图像，探讨速度变化、速度的方向和超重、失重情况，完成表１并进行全班交流；讨论速度的大小和方向与超重、失重现象之间是否存在直接相关性，最终得出无直接相关性。教师随后引导学生从速度—时间图线斜率的角度探究与超重、失重现象的关系。

（２）组织学生根据ａ－ｔ和Ｆ－ｔ图像分析加速度的大小变化和方向以及超重、失重情况，完成表２并进行全班交流，讨论加速度方向与超重、失重现象之间是否存在直接相关性。

（３）在定量探究视重与加速度的关系时，导出实验测得的Ｆ与ａ数据，利用Ｏｒｉｇｉｎ软件同时绘制Ｆ－ａ关系的实验点拟合的实验线和基于牛顿第二定律推得的Ｆ＝ｍａ＋ｍｇ的理论线，并同屏呈现（图８）。实验数据拟合后为直线，其斜率为０．１７６ ９９，理论直线斜率为０．１７２（等于手机质量），相对误差约为２．９％，实验直线截距为１．６５１ ５６，理论直线截距为１．６７５ ２８（当地重力加速度ｇ取９．７４后乘以手机质量），相对误差约为１．４％。数据分析表明，实验线与理论线在误差范围内重合，因此推理得出Ｆ与ａ之间的实验规律与理论规律一致。

任务三：解释航空航天和生活实际中的“超重和失重”现象。通过以航空航天为背景，设计与超重、失重相关的实际问题，例如，航天员在飞船发射、运行和着陆过程中的个人感受。组织学生运用超重、失重规律对这些问题进行解释，深化他们对规律的理解，并提升迁移规律的能力。

３．２拓展研究

在定量研究物体的超重或失重时，先测量实验手机的质量ｍ，再导出Ｆ－ｔ图像的数据，并利用Ｏｒｉｇｉｎ绘图软件绘制（Ｆ－ｍｇ）－ｔ图像。同理，借助ａ－ｔ图像数据绘制（ｍａ）－ｔ图像。将这两个图像同屏呈现（图９），在图中，正值表示超重数值，负值表示失重数值。组织学生观察这些图像，并讨论如何表达超重或失重的程度。通过交流和评估，学生可以得出结论：在误差允许的范围内，两图像重合。由此推导出物体超重或失重的数值为ｍａ，即物体质量和加速度的乘积。

４评价设计

随着信息技术与物理教学融合研究的深入，科学评估其效能有助于进一步优化教师的教学和学生的学习，并营造和谐的教学生态。具体评估时，可以从以下几个方面设计观察点：信息技术与教学融合的深度，科学探究过程的优化程度，推理论证的科学性，以及师生之间的和谐程度。在评估过程中，可以从以下维度进行多维度评估：优化教学设计，破解迷思概念，推动深度学习，提出物理问题，建构物理模型，获取与处理信息，关键数据的呈现，推动质疑与批判，新观点的提出，推理论证的规范性、严密性和逻辑性，对话的轮次，协商与互助，互动的范围等，如表３所示。

５反思与展望

重构后的教学中，师生充分体验到了信息技术带来的便捷与高效。然而，如果缺乏科学评估和规范引导，可能会不知不觉地对技术产生依赖，进而逐步丧失批判性使用的能力。这可能导致技术的滥用、误用或浅表使用，进而弱化师生之间以及学生之间的情感交流，削弱高阶思维的培养效果。本文尝试了从“以评优教、以评促学、以评创和”的方向对技术应用进行规范引导，但这样的思考与研究仍处于起步阶段，亟需更多同仁参与，进行持续深入的研究。

参考文献：

［１］何金伟．对信息技术环境下初中物理教学的研究［Ｊ］．科学咨询（教育科研），２０２２（２）：１５４－１５６．

［２］韦叶平．核心素养视域下深度学习课堂的重构——以“超重和失重”为例［Ｊ］．物理教师，２０２３，４４（６）：１１－１４．

［３］任虎虎． 指向物理观念的逆向设计与实施策略——以新教材必修１“超重和失重”教学为例［Ｊ］．物理教师， ２０２１，４２（７）：２３－２６．

［４］张雪，张静． 基于物理观念建构的５Ｅ教学模式研究——以新教材“超重与失重”为例［Ｊ］．物理教师，２０２０，４１（６）：７－１０．

［５］陈显盈，尤爱惠，谢作如．探究“蹲下站起”过程  演示“超重失重”实验——“数字化”体重计的创新设计与发明［Ｊ］．物理教师，２０２０，４１（８）：５５－５６，５９．

［６］贺福，韩田华．基于“素养立意，深度学习”的教学探索——以“超重和失重”为例［Ｊ］．物理教学探讨，２０２４，４２（１２）：６－１０，１４．

［７］许桂清．学生迷思概念与科学概念比对图模型的建构与应用［Ｊ］．课程·教材·教法，２０１６，３６（６）：９７－１０２．

（栏目编辑贾伟尧）

收稿日期：2024-03-12

基金项目：江苏省教育科学“十四五”规划重点课题“学科育人视阈下基于高中物理大概念的‘教学评’模式研究”（B/2022/03/84）。

作者简介：朱健（1977-），男，正高级教师，主要从事中学物理教学、课程与教学论研究。