智能手机在物理教学中的应用

——以多普勒效应实验为例

欧剑雄

（福建省PG电子·(中国)官方网站 福建 莆田 351100）

摘要：传统的多普勒效应演示实验声源杂音大且无定量测量的实验仪器，实验结果可信度低。利用App软件“音频发生器”和“FreqCounter”及智能手机iPhone的声音传感器可以实现对不同条件下多普勒效应的定量测量，这能够极大提高教学的有效性。而智能手机多大数十颗的传感器和开放性的操作系统为这类创新实验设计提供了无限广阔的应用前景。

关键词：智能手机；传感器；多普勒效应；物理实验

引言

智能手机开放性的操作系统使得其功能可以得到无限扩展，而支持这些强大功能的，是总数多达数十颗的传感器，如触摸传感器、光线传感器、加速度传感器、陀螺仪、温度传感器、地磁传感器、压力传感器、生物特征传感器等。^[1]将这些传感器作为实验资源为物理教学服务，既能够解决物理实验资源短缺的问题，又能体现“从生活走向物理”的新课程理念。相比于普通的实验器材，用智能手机做实验更容易让学生认识到物理与生活的密切联系，更容易激发学生的学习兴趣和探究欲望。本文将以《多普勒效应》一节课为例来探讨智能手机在物理教学中的应用。

一、 传统实验的不足之处

多普勒效应是指由于波源和观察者的相对运动而使观察者接收到的频率发生变化的现象。如何让学生通过实验感受“多普勒效应”是这一节课的教学难点。

教材中多以汽车或火车鸣笛从身边疾驶而过为例。然而实际教学中，教师不可能把学生带到马路边或铁轨旁，因此基本上都是播放录制好的视频，而且由于汽车、火车靠近（或远离）时声音强度的变化远远比声音频率（即音调）的变化更易引起学生的注意，教师往往需要多次提示才能让学生注意到音调的变化。这样既无法给学生带来亲身感受，又有教师明显暗示的实验，说服力自然大打折扣。

传统的改进方法一般是采用蜂鸣器，具体做法是将蜂鸣器系于绳子一端，用手拉住绳子另一端，转动绳子使蜂鸣器在头顶的水平面上做圆周运动，然后让学生观察在此过程中音调的变化情况。这个实验能够在教室中演示，而且实验过程中学生听到的声音强度的变化较小，因此比“汽车鸣笛”实验更具说服力。当然，这个实验仍存在两个不足之处，其一是蜂鸣器的杂音较大，对实验造成较大干扰；其二是无法具体研究观察者接收到的频率在什么情况下变大（或变小）。

传统的实验除了上文所陈述的这些不足之外，还有一个致命的缺点，那就是以人的耳朵作为观察者和测量仪器。以人耳作为观察者，主观性太强，这会极大降低实验结果的可信度。而且，通过调查我们发现，不少学生、教师（包括物理教师）在声音的音强和音调同时变化时不能很好地将两者区分开。基于上述的这些考虑，笔者借助智能手机iphone设计了如下实验过程。

二、 基于智能手机的创新实验设计

(一) 实验准备

1. App软件简介

从“App Store”下载软件“音频发声器”和“FreqCounter（下文称频率计）”至iPhone手机。其中“音频发声器”将作为本实验的声源，该软件工作界面如图1所示，它可发出单一频率的声音，且具有频率在之间连续可调、无杂音等优点。

“频率计”将作为本实验测量声音频率的仪器，其工作界面如图2-甲、图2-乙所示。图2-甲为频率计的“Wave”工作模式，在此模式下，软件可实时显示声音的波形，分析输入的音频信号的频率构成和强度。图2-乙为频率计的“FFT”工作模式，在此模式下，软件可通过快速傅立叶变换（fast Fourier transform）频谱分析出选定频段内最强的5个频率。两种工作模式可通过点击左下角的“FFT”或“Wave”切换，测量中点击屏幕任意其他位置可使画面暂停。

      图2-甲 频率计“Wave”模式工作界面

图2-乙 频率计“FFT”模式工作界面

2. 声源制作

打开音频发声器，调节滑块至某一特定频率（如）并点击播放，利用电脑自带的录音器录制一段时长1分钟左右的音频并保存。为了消除录制过程中的杂音和失真，提高音质，可用专门的声音处理软件（如GoldWave）对所录制的音频文件进行滤波、外形音量调节等操作。将处理好的音频软件储存至MP3播放器中作为声源。

(二) 实验设计

1. 音调变化与音量变化的区分

实验操作步骤：

（1）打开iPhone手机中的“音频发声器”软件，将频率调至某一频率（如）并点击播放。（实验中可采用实物投影仪或者软件“iTools”的“实时桌面”功能让学生看到iPhone的实时画面）

（2）不改变声音频率，调节音量的大小，让学生感受音量的变化。

（3）保持音量大小不变，将声音的频率逐渐提高，让学生感受音调的变化。

实验结果：

通过本实验，学生能够清楚地区分音量变化和音调变化的不同，为后面的实验和教学做好铺垫。

2. 感受多普勒效应

实验操作步骤：

（1）将存放有预先录制好的音频文件的MP3播放器用布袋装好，把布袋口子系好并将布袋固定于鱼竿的一端。

（2）播放MP3播放器中的音频文件，让学生感受：声源不动时接收者接收到的声音频率是不变的。

（3）拉住鱼竿一端，将鱼竿另一端伸出，迅速挥动鱼竿，使MP3播放器在学生头顶快速移动，让学生感受：声源运动时接受者接收到的声音频率是变化的。

实验结果：

相比于传统用细绳甩等方式，利用鱼竿来完成本实验，实验效果更加明显。借助本实验，学生能够切身感受多普勒效应，为学生建立多普勒效应的概念提供事实依据，并引入本节课的教学重点问题——接收者接收到的频率变化与波源与观察者的相对运动之间的关系。

3. 测量多普勒效应

实验操作步骤：

（1）播放MP3播放器中的音频文件。

（2）打开iPhone手机中的“频率计”软件，调至“FFT”工作模式。

（3）保持MP3播放器和iPhone手机均不动（即波源和观察者均不动），测量此时接收到的声音频率。实验结果如图3所示。

图3 波源和观察者均不动

（4）保持iPhone手机不动，分别让MP3播放器靠近或远离（即波源靠近或远离观察者），测量在MP3播放器靠近或远离时接收到的声音频率。实验结果如图4甲、乙所示。

图4甲   观察者不动，波源靠近         图4乙   观察者不动，波源远离

（5）保持MP3播放器不动，分别让iPhone手机靠近或远离（即观察者靠近或远离波源），测量在iPhone手机靠近或远离时接收到的声音频率。实验结果如图5甲、乙所示。

图5甲   波源不动，观察者靠近         图4乙   波源不动，观察者远离

（6）引导学生分析讨论实验结果，并归纳多普勒效应的规律：当波源和观察者相互靠近时，观察者接收到的频率比波源的频率高；当波源和观察者相互远离时，观察者接收到的频率比波源的频率低。

实验结果：

借助iPhone手机及App软件“频率计”，本实验实现了对多普勒效应的定量研究，并得到了与实验预期完全一致的结果。这克服了传统实验以人耳为观察者的缺点，极大提高了实验的说服力。通过控制不同的实验条件，得到对应的实验现象，然后让学生归纳总结得出多普勒效应的规律，这样的处理方法避免了“填鸭式”教育的枯燥与单调。

三、 智能手机在物理教学中的应用前景

(一) 利用智能手机做物理实验的优点

相比于传统实验，利用智能手机做物理实验有以下优点：

（1）实验内容更贴近生活。利用智能手机做实验更有利于激发学生学习物理的兴趣，更有利于培养学生观察、思考、体验生活的习惯，体现了“从生活走向物理”的新课程理念。

（2）实验器材更容易获得。伴随着智能手机的广泛普及，智能手机无疑已经成为我们生活中的日常用品，用智能手机做实验很好了诠释了信息化时代背景下朱正元教授“坛坛罐罐当仪器,拼拼凑凑做实验”的物理实验教学思想。

（3）实验数据处理更方便。利用智能手机做实验，实验结果数字化实时显示，而且可以根据需要导入电脑或直接在手机上做进一步处理。更简单的数据处理过程既可以减少课堂演示实验的时间，也可以降低数学内容对学生学习的干扰，让学生专注于物理知识本身，取得更好的教学效果。

（4）实验结果可信度更高。基于智能手机中的传感器来做一些传统实验器材无法测量而需要用人的直观感觉来测量的实验，无疑实验测量结果的可信度将大大提高，这也体现了物理实验的科学性。

(二) 智能手机在物理教学中的应用展望

利用智能手机做物理实验有着许多传统实验不可睥睨的优势，其应用前景是广阔而美好的。上文仅仅讨论了智能手机中的“声音传感器”在《多普勒效应》一节课的应用，其实利用“声音传感器”还可以完成声波的干涉、声波波长、波速的测量等实验。而智能手机中还有十多颗的传感器，每一颗传感器都可以开发出许许多多对应的物理实验，如利用加速度传感器来研究牛顿第二定律、向心加速度的方向和大小等。智能手机开发性的操作系统为这些功能的实现提供了可能性。

除了可以利用智能手机中的传感器为物理教学服务外，智能手机的其它功能也可以在教学中得到很好的利用，比如利用智能手机进行课堂规划和管理、进行更好的教学演示、实现积极的教学反馈和激励^[2]。作为一个实现信息交互的便利终端，智能手机还可以用于构建学习的新模式——移动学习，实现课堂教学的拓展和师生沟通的无缝对接。^[3]

总而言之，在信息化时代背景下，智能手机将在物理教学中发挥其不可替代的作用。作为教育的实践者，教师应紧跟时代潮流，合理利用智能手机为教学服务，积极融入信息化时代大潮中，争做勇于创新的时代弄潮儿。

参考文献：

[1]姚远.智能手机与传感器[J].新电脑,2011,(10):38-41.

[2]彭昊等.论智能手机iPhone在动物外科教学中的作用[J].西北医学教育,2012,20(1):198-200

[3]毕海涛.智能手机让物理学习更精彩[J].物理教学探讨,2011,29(430):64-67

Application of smart phone in Physics Teaching

-- Taking Doppler effect experiment for example

Ou Jianxiong

(Putian No.1 Middle School of Fujian Province  Putian Fujian 351100)

Abstract: There were many shortcomings with the traditional Doppler effect lecture experiment, such as no experimental apparatus for quantitative measurement．Quantitative measurement of Doppler effect under different conditions can be realized with the app “Audio generator”、 “FreqCounter” and the Sound sensor of the smart phone. This can greatly improve the effectiveness of teaching. The smart phone have dozens of sensors and operating system, which can provides an unlimited wide application prospects for this innovative design of experiment.

Key words: smart phone ; sensors ; Doppler effect ; Physical experiment

本文发表于《物理实验》（22-1144/O4）2015年第11期，全文转载于中国人民大学书报资料中心《中学物理教与学》（11-4303/G4）2016年第2期。