基于現代信息技術的物理實驗對比研究

曹陽　張軼炳

摘 要：“測量重力加速度”實驗，是學習“自由落體運動”的概念及其運動規律的重要環節，該實驗實現了將物理概念的靜態表征向物理問題解決體系的動態表征的轉化，同時利用現代信息技術作為媒介進行實驗數據處理，使現代信息技術成為促進學習者學習的認知發展和激勵情感的工具，以達到培養學習者核心素養的目標.

關鍵詞：現代信息技術、物理實驗對比、重力加速度

文章編號：1008-4134（2019）13-0029 中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

基金項目：寧夏大學大學生創新基金項目“物理STEM實驗設計與開發”（項目編號：2019107490302）.

作者簡介：曹陽（1995-），女，黑龍江湯原人，碩士研究生，研究方向：物理學科教學.

通訊作者：張軼炳（1964-），女，寧夏人，碩士，教授，研究方向：中學物理教育.

教育部頒發的2017版《普通高中物理課程標準》中明確提出：“通過多樣化的教學方式，利用現代信息技術，引導學生理解物理學的本質，整體認識自然界，形成科學思維習慣，增強科學探究能力和解決實際問題的能力[1].”

近年來，隨著核心素養的提出以及課程改革的推進，知識的學習觀已經從事實本位轉向理解取向，而基于現代信息技術的物理實驗是實現物理學科知識觀轉變的橋梁.筆者以“測量重力加速度”的實驗為例，談談以現代信息技術為工具處理實驗數據，并且對比幾種測量重力加速度方法的優勢與弊端，選擇最利于學習者參與的物理實踐，經歷“自由落體運動”知識誕生過程，理解物理學科本質，培養學科實踐力的方法，并且在數據處理方面，在原有的圖象法的原理基礎上，經過公式推導，新增加了一種圖象的繪制方法，同時對逐差法與間隔平均法進行了誤差計算，為選擇處理數據的方法提供了更“好”的證據.

1 研究背景

1.1 教材分析

在整冊書的編排上，勻加速直線運動的教學重點在于規律的應用，自由落體運動的新課教學側重于培養學生的科學探究能力及邏輯思維能力，對促進學生的全面發展具有重要意義.

在教材的第二章中“自由落體運動”一節，編排在運動學的基本概念和勻加速直線運動等知識后，是勻加速直線運動的一個特例.通過對自由落體運動這種常見的、特殊的運動的研究，可以更好地對前面知識復習和鞏固，同時也加強了物理學習與實際生活的聯系.而且通過在授課過程中講授研究物理問題的基本思路和科學方法，為以后研究比較復雜的運動規律打下良好的基礎.

1.2 學情分析

1.2.1 知識水平

學生已具備了與本節課內容相關的實際生活經驗，并且知道加速度是描述速度變化快慢的物理量，了解勻加速直線運動的概念以及位移、速度、加速度、時間的關系及相應的公式，并且學生已經具備一定的實驗操作的理論知識、記錄實驗數據、繪制圖象的能力.

1.2.2 心理特征

學生思維活躍，求知欲強，但物理形象思維、抽象思維、逆向思維能力較弱.

1.2.3 學習需求分析

在學習本節內容之前，學生已經學習了利用打點計時器定量測量速度、加速度的方法，具備一定的實驗操作及數據處理的能力.此外，學生學習了勻加速直線運動的相關知識以及運動圖象的畫法，但是自由落體運動作為勻變速直線運動的一個特殊實例，學生此時仍因現實生活經驗導致學生的原有認知中存在錯誤的前概念，所以需要學習本節課的內容.

2 實驗對比實證研究

本節課擬采用實驗的方法幫助學習者進行意義建構，受美國普通高中物理教材《原理與問題》中提到的等效表示法的啟示，即運動圖、數據表、文字、圖象等描述運動的方法是等效的，以數據表格為橋梁將實物圖向運動圖象轉化[2]，培養學生用數形結合的思想解決實際問題，幫助學習者進行多重編碼，以實現信息的有效輸入及輸出.基于班級授課制的教學體制以及課時分配，筆者親身經歷了以下四種實驗過程，測量了寧夏回族自治區銀川市的重力加速度（真實值為9.7961m/s2），對本實驗進行實證分析，尋找最優方案.

2.1 打點計時器測量重力加速度

本實驗主要使用12005型自由落體儀（圖1）、紙帶、重物、刻度尺.按照實驗步驟進行3次實驗，對其中一條第1、2點之間的距離為2mm的有效紙帶（圖2）進行數據分析（見表1）.

優勢：將鋼球動態的運動過程變成靜態的暫留過程，更為直觀.

弊端：對實驗環境要求較高，需要在暗室進行實驗，并且閃光燈對人眼有一定的傷害，為提高準確度，需要分辨率較高的攝像設備，造價較高，不利于普遍推行.

2.5 視頻分幀技術測量重力加速度

視頻分幀技術與頻閃照相技術原理相似.前者是攝像機記錄下鋼球的下落過程.然后把視頻文件導入計算機，利用適當的播放軟件（如暴風影音）可以逐幀觀察鋼球在相應時刻的位置，而各幀照片之間的時間間隔可以通過說明書進行查詢.此外可以通過圖象處理將鋼球的逐幀照片粘貼到一張照片上，制成仿“頻閃”照片.而后者使用連拍功能，可以拍出在相同的時間間隔內，鋼球下落過程中的位置變化情況，也可經過圖片處理制成頻閃照片.寧夏大學鄭宇晴曾利用頻閃相機取得了很好的實驗效果[4].

3 結束語

在真正實踐中發現，很多時候實驗的結果與真實值之間存在較大差距.此時，學習者容易對知識存在誤解，所以在實際教學中教育者往往“避重就輕”，將實驗“講”給學生，“陳述”實驗絕不是好的教學方法，不利于學生進行知識建構，阻斷了學生經歷知識誕生的過程，不利于物理核心素養，即物理觀念、科學探究、科學思維、科學態度與責任四個維度的培養，學習者理應知道，物理的很多規律都是在經過大量的實驗之后，抓主要矛盾忽略次要矛盾，經過一系列的邏輯推理得來的，這也是理想模型存在的意義.所以，物理實驗在物理教學中的應用需要我們理性對待.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]齊澤維茨著，錢振華譯.原理與問題[M].浙江：浙江教育出版社，2008.

[3]楊嚴輝.用逐差法計算紙帶的加速度準確嗎？[J].物理教師，2014，35（3）：58-58.

[4]鄭宇晴，馬文婧，張軼炳等.基于現代信息技術的中學物理實驗改進——以“探究自由落體運動規律”為例[J].物理教師，2018（07）： 66-70.

（收稿日期：2019-04-02）