科技輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué) 促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)①
——以“實(shí)驗(yàn)：探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”教學(xué)為例

丁 松 鄭宏偉 方 晨

(江蘇省清江中學(xué)，江蘇 淮安 223001)

比較人教社2004年出版的物理必修2中“實(shí)驗(yàn)：研究平拋運(yùn)動(dòng)”與2019年出版的物理必修第二冊(cè)中“實(shí)驗(yàn)：探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”，[1-2]2019年版教材把平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)放在“拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”之前，突出了探究性實(shí)驗(yàn)的重要性。2019年版教材中實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)的是“探究”，2004年版教材實(shí)驗(yàn)突出的是“驗(yàn)證”。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》將“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”定為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一。本教學(xué)設(shè)計(jì)兼顧了新教材中探究的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮团f教材中驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)軌跡為拋物線的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)創(chuàng)新

1.1 實(shí)驗(yàn)器材和軟件

“自編軟件”(自動(dòng)獲取運(yùn)動(dòng)物體的軌跡及相關(guān)坐標(biāo))、實(shí)心球、電腦、智能手機(jī)以及支架(拍攝視頻用)、希沃授課助手(學(xué)生數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)投屏)等。

利用自編軟件可獲取生活中的拋體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后學(xué)生可自主得出結(jié)論：平拋物體在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)，且可求出重力加速度g。用實(shí)驗(yàn)同時(shí)探究出了平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向上和豎直方向上的規(guī)律，這一點(diǎn)比教材上設(shè)計(jì)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案更優(yōu)越。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作步驟

① 將里面注滿沙子的網(wǎng)球從離地面高度約為1.5米的桌邊(桌面事先已經(jīng)用水平儀調(diào)節(jié)水平)水平拋出，利用手機(jī)的攝像功能記錄這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程(圖1)。

圖1

② 然后對(duì)這段視頻進(jìn)行處理，每隔相等的時(shí)間截取1幀畫面，共30幀，并導(dǎo)入自編軟件進(jìn)行處理，通過(guò)調(diào)節(jié)，使實(shí)際小球的運(yùn)動(dòng)軌跡與軟件中的模擬小球運(yùn)動(dòng)軌幀跡重合、步調(diào)一致。

③ 點(diǎn)開(kāi)軟件中的“坐標(biāo)紙功能”，就可以實(shí)時(shí)讀出每一幀圖片中小球的坐標(biāo)。如圖2所示，為每隔2幀讀取一次小球的坐標(biāo)，因?yàn)橐曨l為每秒30幀，所以是每隔Δt=0.1 s 讀取一次小球的坐標(biāo)。

圖2

1.3 實(shí)驗(yàn)誤差分析

① 模擬曲線與實(shí)際平拋運(yùn)動(dòng)曲線無(wú)法完全重合且同步，所以在模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，總會(huì)有誤差。例如，同一個(gè)平拋運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)幾次的模擬，同一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)會(huì)略有不同。

② 在相機(jī)拍攝的每一幀圖片中，小球的圖像由于延時(shí)曝光形成了輕微的拖影，會(huì)影響坐標(biāo)的精確性。

③ 拍攝的視頻由于視角問(wèn)題，導(dǎo)致手機(jī)鏡頭不可能在小球的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程始終與小球相平行，會(huì)導(dǎo)致小球的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和視頻中小球的運(yùn)動(dòng)略有差別。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新

將“數(shù)據(jù)計(jì)算”交給平板電腦，將“創(chuàng)造性的勞動(dòng)——實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)器材操作”交給學(xué)生，然后觀察表格中灰色區(qū)域的數(shù)據(jù)，從而總結(jié)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

表1說(shuō)明：視頻已經(jīng)轉(zhuǎn)換成30幀，每隔2幀(間隔為0.1 s)取一個(gè)坐標(biāo)，從中可以發(fā)現(xiàn)：相同時(shí)間內(nèi)水平位移相同，相鄰相同時(shí)間內(nèi)豎直位移之差為定值。根據(jù)時(shí)間間隔可很容易求出水平速度和豎直方向上的加速度g。

表1 利用軟件處理平拋運(yùn)動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)(驗(yàn)證水平、豎直方向上的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn))

表2說(shuō)明：由于初速度相同的平拋運(yùn)動(dòng)和拋物線都具有對(duì)稱性(圖3)。我們假設(shè)拋出點(diǎn)為拋物線的頂點(diǎn)，所以我們只要驗(yàn)證坐標(biāo)都滿足：y=kx2。從y與x2的圖像(圖4)可以看出，y與x2成正比，即軌跡為拋物線。

表2 平拋運(yùn)動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)處理(驗(yàn)證軌跡是否為拋物線)

圖3

圖4

3 小結(jié)

筆者研讀新課標(biāo)，對(duì)新教材和舊教材進(jìn)行比較，獲取各自的長(zhǎng)處，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

美國(guó)卡布里洛大學(xué)道格拉斯·布朗教授開(kāi)發(fā)的Tracker軟件是OPS項(xiàng)目中的一個(gè)很重要的開(kāi)源軟件。該軟件突破了以往視頻只能播放不能分析的限制,它可以自動(dòng)跟蹤視頻中的特定目標(biāo),捕捉其位置、速度和加速度等數(shù)據(jù),并內(nèi)置了統(tǒng)計(jì)及擬合等相關(guān)數(shù)據(jù)分析功能,很多物理專業(yè)期刊介紹了此軟件的優(yōu)點(diǎn)。[3-5]在這里主要談?wù)勛跃庈浖鄬?duì)于Tracker軟件在使用中所具有的優(yōu)勢(shì)。

(1)誤差對(duì)比：如果自編程序軟件導(dǎo)入的視頻中物體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡和模擬小球的軌跡完全重合，并且所有的數(shù)據(jù)計(jì)算盡量精確，那么此實(shí)驗(yàn)幾乎沒(méi)有誤差。自編程序軟件抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，使實(shí)驗(yàn)更直觀、更精確。但是使用Tracker軟件時(shí)，誤差來(lái)源很多，不容易控制。

(2)筆者自編軟件的界面交互性比Tracker軟件更簡(jiǎn)潔明了。使用者可以編輯自己需要的數(shù)據(jù)，把不需要的數(shù)據(jù)去掉。例如本實(shí)驗(yàn)中只需要物體的某一位置的坐標(biāo)(x,y)，其他的數(shù)據(jù)都可以隱去，讓界面簡(jiǎn)潔明了。

(3)使用自編軟件核心程序的注意點(diǎn)：真實(shí)視頻的播放和自編程序軟件中的模擬動(dòng)畫播放的幀數(shù)必須為每秒30幀。