文献综述：Phyphox在中学物理实验探究活动中的应用进展

经过40多天的酝酿，20多天的文献检索、翻译、研读与梳理，连续14昼夜马不停蹄的撰写，经过南京师范大学、河南师范大学数位教授的悉心指点，长达52页、2万4千字的文献综述《Phyphox在中学物理实验探究活动中的应用进展》初稿新鲜出炉。

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简要介绍

与中学生科学探究活动和中学物理实验教学整合度非常高的手机物理工坊（Phyphox）由德国亚琛工业大学第二物理研究所于2016年推出，供全球用户使用，免费，开源，支持用户根据需要自由开发。截止到2020年1月，Phyphox的全球用户已经超过100万。

在新冠疫情防控期间，Phyphox随着全球线上教学盛行而风靡全球。世界各地大中小学生利用Phyphox居家开展科学探究实验活动的报道频繁出现。Phyphox问世虽然不足6年，但仅在中国知网上、仅以Phyphox为主题词，就检索到相关国内外文献近百篇。

Phyphox智能手机实验的技术进步

从2016年至今，经过6年的时间，Phyphox先后实现了3个技术突破，使Phyphox功能越来越强大，与中学生物理探究性学习活动的联系越发紧密。

2016年，德国亚琛工业大学第二物理研究所发布了Phyphox的初级版本，附带的实验样例已经十分丰富。但是当智能手机用于实验时，特别是智能手机处于运动状态时，对智能手机的操控十分不便。

2017年，开发组添加了“远程控制”功能，在同一个WIFI或无线热点下，可以通过另一台静止的设备访问处于运动状态的手机，可以浏览处于运动状态的手机屏幕画面，亦可对运动状态的手机进行操控，十分方便。开发组还实现了用户的自定义功能，用户只需要登录https://phyphox.org/editor页面，就可以自定义自己的个性化手机实验，非常方便。

2020年，开发组实现了Phyphox与Arduino开发板、ESP32开发板之间的蓝牙连接。利用Arduino开发板或者ESP32开发板采集智能手机无法采集或不便于采集的压强、温度、电压、电流、电阻、电容、电感信号，根据需要进行运算后，通过蓝牙发送给智能手机，智能手机接受到Arduino开发板或者ESP32开发板发送的信号后，由Phyphox调用、并参与智能手机内部各种传感器数据的运算和数据或函数图像输出，从而实现了智能手机内部传感器和Arduino开发板或者ESP32开发板外接的各种传感器的完美整合。

这种整合极大地拓展了Phyphox的应用范围，几乎涵盖了初、高中物理学科的各个模块和章节，在中学物理实验教学和探究性学习活动中，具有极其广阔的应用前景。

Phyphox智能手机实验的技术缺陷

不能开展与力相关的实验。由于智能手机中没有力传感器，所以利用Phyphox智能手机实验程序无法开展与相互作用有关的实验。

无法准确地测量位移和速度。由运动的相对性可知，智能手机中没有位移传感器，无法直接测量自身的位置改变；虽然利用GPS定位可以测量智能手机的位移和速度，但是长距离运动还可以，实验中常常遇到的短距离运动，利用GPS定位测位移和速度，误差极大，不能使用。

还有一种测量位移和速度的方法，就是利用加速度计测量智能手机的加速度，对加速度积分得到速度，对速度积分得到位移。这种方法测位移和速度，随着实验时间的延长会积累出极大的误差，非常不可靠，也不能使用。

其实，有一种变通的方法，就是用小磁铁或者LED灯沿着直线或者曲线等间距分布，利用磁力计或光度计感知智能手机经过这些小磁铁或者LED灯附近的磁场或光照强度，从而确定智能手机运动的规律。但是，这种利用空间周期性研究物体运动的方式与教材中常用的利用时间周期性研究物体运动的方式不一致，这不但加大了实验操作难度，而且加大了实验数据的分析和处理难度。

重力加速度预设值与当地重力加速度不严格相等。在Phyphox智能手机实验程序中，开发组对重力加速度的预设值是9.81m/s^2，并以该值作为线性加速度计的设计参考。由于全球各地的重力加速度的值并不严格一样，这导致智能手机在静止条件下输出的线性加速度并不等于零，而是存在一个微小的加速度输出值。

如果仅仅是研究智能手机的加速度，这个微小的加速度输出值或许可以视为实验误差；但是当利用加速度积分求速度的时候，这个微小的加速度值就会累计出极大的速度测量误差，从而导致实验失败。

不便于开展电路相关实验。由于智能手机中没有电压和电流传感器，所以利用Phyphox智能手机实验程序无法开展与电压、电流相关的探究实验。

虽然Phyphox目前可以与Arduino或ESP32利用蓝牙技术进行技术融合，利用Arduino或ESP32采集电压、电流信号，把电压、电流信号通过蓝牙技术传输给智能手机，用于开展与电压、电流相关的探究实验，但是Phyphox与Arduino或ESP32利用蓝牙技术进行的技术融合存在较高的技术门槛，这会把绝大部分师生拒止在技术门槛之外。

智能手机在中学物理实验中的应用展望

尽管Phyphox智能手机实验程序已经在2016年发布，尽管Phyphox智能手机实验程序已经随着新冠疫情的全球蔓延而风靡了世界，但是人们对Phyphox智能手机实验程序的应用大多是浅层次的，大多是对Phyphox智能手机实验程序自带样例的生搬硬套；基于Phyphox智能手机实验程序自带样例的创新应用的报道不太多；基于Phyphox智能手机实验程序的自定义个性化创新实验的报道比较少；由于存在Arduino编程和蓝牙运用的技术门槛，将Phyphox智能手机实验程序与Arduino或ESP32通过蓝牙技术相互融通，开展拓展性高端物理探究实验的报道就更少了。

目前，河南省焦作市第十一中学的张怀华老师、北京市和平街第一高级中学的梅晓璇老师、安徽省池州市第一高级中学的詹善生老师和重庆市西南大学附中银翔学校的苏翔老师已经于2020年9月组建了国内第一个Phyphox蓝牙实验研发组，在“创客焦作”微信公众平台上搭建了“智能技术在自主学习中的运用研究”专栏，已经初步打通了Phyphox与Arduino或ESP32技术通道，开发出了一大批基于Phyphox与Arduino或ESP32技术融合的物理探究实验。

可以预见，在不久的将来，在全球范围内，必将掀起一场利用Phyphox智能手机实验程序开展自定义个性化创新实验的浪潮，也必将涌现出一大批研究Phyphox与Arduino或ESP32技术融合的探究爱好者。

利用Phyphox智能手机实验程序开展物理探究实验已经成为一种趋势，不可阻挡。

| 创客焦作 | 

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