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这是10多年前的实践，智能手机和平板电脑中都有一些传感器，如陀螺仪、声、光、磁、摄像头、GPS等传感器，仅仅是因为少数的这些传感器，开发人员设计了上千的APP来应用它们。现在已经使人不知不觉中变成了传感器。在物联网和大数据的人工智能时代，手机虽小，却无所不能。用起来吧！本篇就是指引。
引用：吴向东.智能手机传感器在小学科学探究教学中的应用[J].教育导刊,2014(09):85-87.DOI:10.16215/j.cnki.cn44-1371/g4.2014.09.016. [摘 要] 智能手机在社会上有相当高的普及率，将内置其中的传感器用于科学探究教学具有重要的实践价值。本文从新的探究目标、探究内容、探究形态和探究活动的设计等方面，探讨了其教学应用问题，有助于教师对智能手机传感器在科学教学中的应用有更深入的理解。 但是，一些教师在应用手机传感器于小学科学探究教学的过程中，出现了一些新的问题，本文的目的就是期望通过我们多年的实践①，总结经验，提高手机传感器在小学科学教学中的应用效果。 一、在探究目标上，要渗透计算思维的教育 在当今数字化设备日益融入生活的方方面面的情况下，华裔计算机科学家周以真提出每一位学生不仅要具备阅读、写作和算术（Reading, wRiting, and aRithmetic——3R）的能力，还要学会计算思维。正如印刷出版促进了3R的普及，数字化或曰计算设备也以类似的正反馈促进了计算思维的传播。周以真认为，计算思维是人类求解问题的一条新的途径，结合计算设备的优势，我们可以用自己的智慧去解决那些在计算时代之前不敢尝试的问题，实现“只有想不到，没有做不到”的境界。计算思维已经被美国K-12科学教育框架和新一代科学教育标准纳入为“科学与工程实践”中的一个重要内容，我们在需要把它作为科学教育的一个新的目标渗透到探究教学中。 比如测量心率，在小学科学教材中一般采取数脉搏的方式。但利用手机摄像头同样可以起到监测的效果。在应用商店里可以下载“我的心跳”，该软件是通过监测面部的微弱颜色变化规律来测量心跳速率的。其原理是，心脏收缩时会挤压出大量血液，面部皮肤颜色变深，心脏舒张时，血流减少，面部皮肤颜色变浅，这种微弱的变化是人眼无法识别的，但通过对摄像头的成像的分析，却可以把这种微弱的变化区分出来。还有一个应用了类似原理的来测量心跳速率的应用软件Cardiograph，将摄像头贴着食指头，测量时手机会自动打开LED灯照射，皮下的血流随心脏收缩和舒张而产生颜色深浅的变化，从而获取心跳的速率。这两款软件与医院临床应用中监测心跳的仪器的算法是一致的，从应用中可以让学生感受到新的解决问题的方式，受到计算思维的潜移默化的教育。 再如认识星座。传统的方式是要有懂得星座的人指着天上的星星来教。现在，在手机中安装星图软件如星图（Star Chart）或Google星空等即可方便解决。这些软件的原理是，利用GPS定位手机持有人的地理位置，再结合磁场传感器的修正，获取陀螺仪测得的手机屏幕指向方位的数据，确定手机屏幕背对着的天空方向，实时显示这个方向的星座，也就是说，屏幕上显示什么星座，顺着屏幕的方向望向星空就可以看到什么星座。所以到了野外，即便身边没有认识星座的人，也可以自己用手机去认识星座了。这些软件也体现了用计算思维解决问题的方式。 当然，对于真正地用计算思维解决问题来说，小学生还难以达到抽象出计算模型并自己设计数字产品解决问题的程度，但这些应用软件的常态化使用，会起到一定的潜移默化的作用，让学生从小就知道如何应用现有的数字或计算设备去巧妙地解决问题。 二、在探究内容上，要超越传统的教材设计 手机传感器的应用对于传统的教材内容来说是全新的，相应地，一些新的教学内容需要得到补充，教材的内容设计也需要重新设计。 1．传感器原理要纳入教学内容。要将手机传感器应用于科学探究，就需要让学生大致懂得传感器的原理，以及应用软件是如何利用传感器的。曾经有老师用Google星空教学生认星座，当学生打开软件举起手机屏幕时，每个人看到的星图竟然相差很大，致使课堂难以继续开展下去。这主要是老师没有搞清楚Google星空设计的原理造成的。这节课是在室内进行的，因无法获得GPS卫星定位的数据，就需要在该软件的设置里输入当地的经纬度，如广州、佛山可以输入纬度值+23，经度值+113，还需要在设置里选择磁力修正，甚至在空中划8字校准罗盘。有些智能手机由于缺少相应的传感器或者因质量问题，也会导致无法准确显示星空的问题。所以，教师和学生只有都对手机传感器的知识有一定的了解，知道该软件应用的大致设计原理时，才好方便用它。 2．新的物理量要增加进教材。比如测量材料的隔音效果，要让学生知道噪音的单位分贝（dB） ，以及不同环境的噪音强度大致是什么范围，多大的噪音会对人体健康产生什么影响。再比如测量光照强度（照度），要知道其单位勒克斯（Lux或Lx），黑暗处和正午阳光直射时的照度范围。 3．重新设计教材内容。将手机传感器纳入教学内容，为传统实验条件而设计的教材就需要做相应的重新设计。比如在比较电磁铁磁力的大小的实验中，同样的电磁铁每次能吸引的回形针数量往往是不一样的，甚至会有不小的差异，我们可以教学生尝试用Smart Tools（智能工具箱）软件，接近电磁铁的两极测量比较磁场强度的大小来进行区分。又如学生相当喜欢的有关星座的教学内容，有些版本的教材认为星座教学难教就删减得较严重，现在有了Google星空和星图Star Chart这样的软件应用，让学生认识星座、学习天象观测就变得相当容易。实际教学中，这部分的教材内容完全可以根据这些软件应用进行重新设计。再如，教材中有关食物营养、饮食和运动健康方面的内容往往是分开设计的，估算摄取的食物热量和运动消耗热量方面的内容更是缺乏的，但这些内容对于学生控制体重、避免肥胖是有实际意义的，结合大卡运动、咕咚运动这类应用软件，我们可以将这些内容综合起来进行教材设计，让学生通过体验活动，亲身感受多少运动可以消耗多少热量，让学生初步学会规划健康的生活方式。 三、在探究形态上，要注重定量研究和统计分析 1．转变当前科学教学中定性研究多、定量研究少的状况。手机传感器为定量研究提供了新的条件，一方面需要学生注重将观察结果用物理量来表示，另一方面还要让学生学会将一些难以直接观察的物理量转化为其它物理量来间接反映。比如池塘水和珠江水在玻璃杯中很难用肉眼分辨出哪一个杂质少、更干净，我们可以启发学生转化一下思路，用一个手机的手电筒（应用商店里有这类功能的软件应用）透过水照射另一个手机的光线传感器的方法，通过比较两者的照度值来做出区分，照度值低说明更浑浊，其中的杂质多，可能更不干净。“转化”是科学研究的重要思想，比如对获得了诺贝尔奖的希格斯粒子的发现并不是直接观察的结果，而是根据质子在接近光速的高速对撞时产生的特征信号进行大量观察统计而获得验证的。 2．注意让学生理解基本统计量的意义。测量了物理量，还必须能对物理量做力所能及的统计分析，让学生正确理解实验误差和平均数的意义。在小学甚至初中的科学教材中，只涉及到了反映数据的集中量平均数，没有涉及到反映数据离散量的标准差，标准差的学习到了高中数学的统计部分才学，这就给学生统计分析数据带来了问题，学生只知道求多次测量的平均数来作为最终测量值，但不知道为什么要这样做，不知道平均数的统计意义，也造成了难以真正理解误差。希格斯粒子的发现是对数以万亿计的撞击数据进行统计分析，发现在质量125~126G伏左右出现了特征信号，置信度大于99.99994%，达到了5个标准差，从而确认了希格斯粒子的存在。懂得了这个道理，建议教师在指导学生测量前，多提醒严格控制实验条件，以减少误差；如果多次测量的值相差较大，说明误差大，实验控制可能出现了问题，要重新改进实验；在正式测量前要多练习，在熟练了后再取测量值，增加测量的可信度，等等。此外，诸多软件应用在测量时会实时绘制曲线图，教学生根据曲线图进行分析也是一个重要的内容。 3．初步学习应用统计建立科学模型。为什么医学上把人在安静时的正常心率范围定在60~100次/分钟？教学时，可以让学生先安静下来，然后用“我的心跳”等软件应用或结合数脉搏来测量，然后汇总每个人的心率在execl中绘制成散点图或条形图，看每个人的心跳是否集中在60~100次/分钟的范围，大多数同学的心率又集中在什么范围，从而建立清晰的模型，理解医学上的正常心率范围是怎么来的。科学模型往往离不开数学的表征，这也是定量研究的精髓所在。 四、在探究设计上，突出其优势，改善概念理解和解决方案的设计 按照美国K-12科学教育框架和新一代科学教育标准，科学学习可以分为科学和工程两大部分。科学强调回答为什么，寻求对问题的解释，以使学生形成科学概念。工程强调回答怎么做，寻求对难题的解决方案，以培养学生的实践能力。在教学设计时，教师要注意这两者的区别，采取不同的策略将传感器纳入到教学活动中。 1．用测量数据让学生正确认识事实。在学习眼的结构和功能时，教材上一般有让学生观察不同亮度的光线下瞳孔放大缩小的内容，学生会以为人眼对亮暗环境变化的适应是瞳孔的功能，与其它结构无关，从而容易形成前概念。如果我们打开手机光线传感器，让学生从黑暗到几十Lux的地方走到太阳下上万Lux的地方，学生会对如此巨大的照度差异感到惊奇，从而产生疑问：仅仅一个瞳孔就能起到全部的自适应作用吗？其实视网膜本身就有调节功能，它与瞳孔是相互配合的。再举一例，学生对红外线、紫外线等的认识由于受眼的“限制”，往往仅存在于想象中，我们可以用摄像头对光谱的宽广感应能力，让学生“看见”遥控器发出的红外线，有利于学生对光形成更丰富的认识。 2．用动态图示减轻认知负荷，避免形成前概念。学生对声音的大小和高低很容易混淆，认为声音越大也会越高或者相反，这是常见的关于声音的前概念。为了避免让学生形成这个前概念，可以借助Oscilloscope（示波器），让学生对着麦克风如音乐课练声时那样持续发出不同的a声，通过观察波形的变化来理解什么是声音的大小和高低，以及它们之间的区别。 3．用精确数据让学生获取反馈和检验工程成效。手机传感器测量的数值与仅凭感官感受相比，具有无与伦比的精度，用在检测工程成效时可以减少感官的“误判”。在进行隔音装置的设计时，为弄清隔音装置的效果，可以让学生打开Smart Tools（智能工具箱）中的声级计，将手机放入隔音装置中静置一段时间，然后看声级计上显示的最低值和记录曲线，检验隔音的成效，为进一步的改进提供证据，同时也为评价最终设计的成效提供精确的证据，避免传统实验条件下“靠耳朵听”的不准确。 参考文献 ①吴向东.数字时代的科学教育——鸢尾花（IRIS）数字化探究之旅[M].广州：华南理工大学出版社,2012. 成果来源：广东省教育科研“十二五”规划2012年度研究项目重点课题《小学科学劣构问题的设计和实施策略研究》，批准号：2012ZQJK010 |
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