數碼探在高中物理教學中的應用

黃紹琴

新課程實施以來，探究式教學在課堂教學中所占的比重越來越大。在高中物理課教學中，探究式教學應用廣泛，尤以實驗探究（通過實驗的方法獲取新知）和理論探究（將探究式組織形式和演繹推理相結合）為重。近年來，隨著手機、數碼相機、iPad、計算機、Internet在生活中的普及，科學的形態在實物實驗和數理邏輯之后，出現了基于計算機手段的第三種形態——計算，北京師范大學物理學系教授項華隨之提出了一種新的數據探究學習方式，即基于手機、數碼相機、網絡搜索引擎等信息技術的探究式學習方式，簡稱數碼探。下面我以單擺的課堂教學為例，談談數碼探在高中物理教學中的應用。

一、教材及教學分析

學習單擺之前，學生已經學習了簡諧運動及其圖像，了解到簡諧運動的圖像是一條正（余）弦曲線。單擺是作為簡諧運動的實例呈現的，知識點包括單擺的運動規律、受力情況和圖像特點，教學重點是單擺振動的特點和單擺周期公式的探究。

（一）關于單擺振動的特點——簡諧運動

教材呈現：在單擺的振動特點的學習中，教材先利用墨水擺的實驗讓學生定性認識單擺的振動圖像，初步認識單擺的運動是一種簡諧運動；然后對單擺進行受力分析，證明單擺的回復力F回=-kx，進而從理論角度證明了單擺確實是簡諧運動。

教學分析：在墨水擺的實驗中，由于墨水不斷滴下，單擺的重心在下降，擺長變長，周期會改變，此外，人拉白紙的過程也不能保證勻速，因而對應的圖像是否正（余）弦曲線按理說應該有不確定性。

（二）定性和定量探究單擺的周期公式

教材呈現：在單擺周期公式的探究中，教材采用了定性和定量相結合的方案。先是通過實驗演示和實驗觀察的方式，定性探究單擺的周期與振幅、質量、擺長等物理量之間的關系，得出單擺的周期只與擺長有關的結論；然后定量探究單擺的周期與擺長的關系，在周期的測量上采用累積法，以減小周期的測量誤差。

教學分析：受教室實驗條件限制，在演示實驗中，單擺的擺長在一米左右是比較容易操作的。但是，通過單擺周期公式計算可以發現，0.75米到1.5米之間的擺長，其擺動周期相差不大，相差在0.5s左右，學生憑肉眼觀察很難發現單擺的周期與擺長有多大關聯。在定量測量中，受各方面影響，學生用常規方法測量時間也會有一定誤差。

二、利用數碼探改進教學的嘗試

針對上述分析，為盡量減少實驗誤差，我決定利用數碼設備和相應的計算機軟件，對單擺的振動圖像的得出過程及對周期公式的定性、定量探究過程進行重新設計。

我們需要用到的數碼設備有：攝像頭，Mr.captor3.0頻閃截圖軟件，ACDSee6.0圖片處理軟件。

（一）單擺振動圖像的獲得

1.設備安裝。將一個攝像頭和電腦連接，對準單擺的擺球進行拍攝，以便在電腦屏幕上顯示擺球的運動；利用頻閃截屏軟件Mr.captor3.0，可以設定為每隔0.05秒到0.1秒截取屏幕上劃定區域的圖像，這樣就實現了時間和物體位置的同步測量，如圖1。

2.圖片截獲。實驗開始，我選用了0.1s來截取圖片。Mr.Captor3.0會在截圖的存放文件夾中自動命名一系列圖片文件，將這些圖片按照時間順序排序，如圖2。其中的每一幅圖片都詳細地記錄了擺球在某一時刻的準確位置。

3.圖片瀏覽。用圖片瀏覽器既可以單張逐個瀏覽圖片，也可以用自動播放方式整體觀察單擺的運動動態。

4.生成單擺的位移-時間圖像。用ACDSee6.0的圖冊功能即可生成一系列圖像的拼圖，這就是單擺的位移-時間圖像，如圖3。

學生既可以單張查看圖片，也可以放慢過程來觀察單擺的運動；利用拼圖來得到單擺的振動圖像，能有效地幫助學生建立感性認識。相對墨水擺實驗來說，數碼探的實驗方法顯然更加直觀明了。

（二）定性定量探究單擺的周期公式

1.圖片獲取與觀察。采用控制變量法，分別只改變振幅、質量、擺長等物理量，重復上述實驗操作，可得出一系列新的位移-時間圖像，供我們研究單擺的周期與振幅、質量、擺長等物理量之間的關系。圖4為改變同一小球的振幅后得出的兩張不同的位移-時間圖像，圖5分別是大小相同的鐵球和塑料球的位移-時間圖像，圖6是不同擺長的同一小球的位移-時間圖像。

同一小球，振幅不同。振幅A：T=1.67s，振幅B：T=1.68s

（注：由于選定的頻閃區域不同，大小有視差）

大小相同的鐵球和塑料球。鐵球T=1.68s，塑料球T=1.68s

同一小球，擺長不同。擺長0.85m：T=1.69s；擺長1m：T=1.82s

觀察以上圖像變化可以很明顯地發現，單擺的周期只與擺長有關，而與振幅、質量無關。清晰準確的演示實驗，可以讓學生獲得充分的感性認識，這就為學生進入下一個教學環節，對單擺周期公式與擺長的定量探究打下了心悅誠服的“信任基礎”。

2.定量探究單擺的周期與擺長的關系。采用以上方法獲取不同擺長下單擺的頻閃圖片，用Excel表格處理，得到數據，進而得出結論：T2=3.3984L，T2∝L。如圖7。

理論上：T 2=[4π2g]L[≈]3.9478L；在實驗誤差許可的范圍內，有T 2=[4π2g]L成立。上面的探究，不僅讓學生探究出周期的平方與擺長成正比，而且利用獲得的實驗數據與理論上的單擺周期公式做比較，從實驗的角度驗證了單擺的周期公式，進而加深了學生對單擺周期公式的認識。

數碼探在高中物理教學中的應用遠不止這一個案例。比如利用幾何畫板的測量功能、Mr.captor3.0頻閃截屏功能以及對應的圖片處理軟件（如ACDSee6.0）對高中階段的勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動等知識點展開數據探究，效果也很好。（作者為2011年本科畢業的青年教師） （責編 白聰敏）