李桂旺 耿宜宏

(江蘇省前黃高級中學 江蘇 常州 213161)

IYPT模式下利用“Trakcer與光電門”開展互補性探究*

李桂旺 耿宜宏

(江蘇省前黃高級中學 江蘇 常州 213161)

“IYPT” 目前在國內依然是具有創(chuàng)新性質的前瞻性項目．借鑒“IYPT”項目，通過學生匯報交流答辯的方式開展課堂教學，既能夠讓(部分)學生充分體驗開放式全真探究，也能夠讓所有同學通過聽取匯報感同身受，有利于激發(fā)學生的探究熱情，提升學生的學科核心素養(yǎng)．

IYPT tracker軟件 課堂教學 實驗探究

課堂教學具有相對集中，易于組織統一教學的特點．尤其是講授課更為適合，而現有的中小學教學中講授所占的比例非常大．隨著教學改革的不斷推進，出現了不少創(chuàng)新的課堂教學方式，但教師的講授在課堂教學中依然是最重要的角色．

物理是以實驗為基礎的自然學科，很多概念、規(guī)律的形成都是以實驗為基礎的，因此實驗教學便成了物理課堂教學的常態(tài)．從過去重知識的掌握到現在重知識的形成過程，從而使得“探究教學”廣泛存在于現有的課堂教學中．

1 常規(guī)實驗探究教學

物理課堂教學中的實驗一般有演示實驗、分組實驗等．限于時間與效率的制約，常態(tài)課中的實驗教學一般以演示實驗為主．一般在公開課、展示課中會看到有學生參與的演示實驗、或體驗性實驗或學生小組合作實驗．因為重過程的探究性實驗教學時間很難把控，可能會影響課堂效率．這就使得“探究實驗教學”停留在有想法、少做法的層面上．而且常規(guī)的實驗教學是在教師預設下展開的．如果出現環(huán)境、器材等外界因素的變化，超出了預設范疇，會產生事倍功半甚至失敗的局面．為了能夠使這種狀況得到改善，我們開展了創(chuàng)新嘗試．

2 借鑒IYPT模式嘗試創(chuàng)新探究

2.1 IYPT是什么

IYPT的中文全稱是青年物理學家錦標賽，這種模式是由物理學家尤諾索夫(Evgeny Yunosov)于1979年最早提出的，最初被莫斯科大學用于選拔優(yōu)秀學生．IYPT賽題都是貼近實際生活的開放性物理問題，其主要目的是訓練學生針對實際物理問題合作研究、發(fā)表觀點和進行辯論的能力，并特別強調團隊協作、開放思維和表達能力，流程如圖1所示．

圖1 IYPT比賽流程

IYPT是2010年后隨著我國部分高校認真研究了IYPT的理念和競賽方式等各環(huán)節(jié)，充分認識到這個活動對提高大中學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、協作精神和實踐能力具有積極的意義．此后IYPT的競賽模式在我國進行推廣，因而決定舉辦中國大學生物理學術競賽CUPT，后來延伸到中學生當中．

IYPT的實質是科學探究后通過匯報方式以團隊的形式進行的物理辯論對抗賽．提前一年公布需要探究的問題，賽題具有開放性、探究性，解決問題過程的多樣性和不確定性，需要學生具備一定的理論基礎、實驗技能及較強的合作意識．比賽中共分為3支隊伍(正方、反方和評論方)．

2.2 IYTP的借鑒

鑒于現有課堂中探究教學的不足和IYPT項目探究的特點，筆者在物理課堂教學中嘗試融入PT方式．限于時間與空間的約束，不完全照搬．主要是讓部分有條件學生利用課余時間親力親為，主動參與，開放式全真探究．然后在課堂中通過匯報交流答辯的方式開展教學，能夠讓所有同學感同身受．更重要的是，利用“IYPT”方式(筆者將這種方式開展的課稱為“PT”課型)的探究教學活動，能夠盡量排除很多教師經驗性的預設因素，讓學生在原生態(tài)環(huán)境中去感受探究的樂趣，包括探究過程中遇到的各種困難以及如何克服困難的體驗．真正意義上全方位培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)，提升學生探究能力和分析問題解決問題的能力．

3 IYPT模式在“探究碰撞中的不變量”中的嘗試

我校(江蘇省前黃高級中學)自2012年開始嘗試JSYPT(由江蘇省教育廳、江蘇省物理學會組織的創(chuàng)新學術辯論賽)項目，它與IYPT是同一種模式．開展至今，在各級比賽中都取得了優(yōu)異的成績[1]．2015年我校在這個項目的基礎上成功申報江蘇省“啟·創(chuàng)”物理實踐課程基地，使得項目活動的開展有了廣闊的平臺和相當的“群眾”基礎，在本地區(qū)及該領域有了一定的影響力．

3.1 課堂教學設計方案

(1)通過播放視頻觀察生活中常見的碰撞現象(交通汽車碰撞、臺球運動和冰壺運動)并建立“碰撞”的物理概念．根據化繁為簡的基本思路，引入“牛頓擺”的演示實驗．通過觀察交流分析小球間依次發(fā)生一維碰撞，并建立“一維碰撞”的概念．

(2)從各種“碰撞”中是否存在一定規(guī)律的角度，引出“電荷守恒定律”和“機械能守恒定律”，從而嘗試研究“碰撞中是否也存在‘不變量’”的規(guī)律，即產生問題．

(3)考慮到課堂教學的實際，將學有余力和有興趣的同學分成幾個小組，提出問題后利用課余時間各自相對獨立地開展探究(大約2周左右以保證得到相對充分的探究)．每組同學選擇一種合適的探究方案，教師可進行適當的方向性和技術性的幫助，通過探究，最終形成研究報告(PPT展示)．重點匯報：方案確定的依據(包括排除其他方案排除的原因或困難)、實驗探究詳細過程(模型、原理、器材、表格設計、數據測量和分析、初步結論和誤差分析)，課堂中所有同學以及教師共同參與交流討論，項目小組同學答辯——此即為“IYPT”模式的借鑒．

(4)借以項目探究的小球碰撞“速度交換”現象總結產生的條件，分析“牛頓擺”現象的原因．同時介紹“冰壺比賽”中“打定”的技術原理，理論回歸．

3.2 “Tracker”與“光電門” 方案互補探究、匯報及答辯實錄

規(guī)律的探究結論一般應該具有普遍性，即便是在特定條件下的某些規(guī)律，也必須是滿足條件的前提下具有普遍性．比如：只要滿足“只有重力(彈力)做功”的前提下，系統機械能就應該守恒．在探究過程中就需要考慮盡可能多的變量，然而并不是所有的變量的測量與監(jiān)控都是很方便的．雖然規(guī)律本身在所有模型中都是成立的，但實際探究中有些模型X變量的測量監(jiān)控比較方便，有些模型中Y變量的測量監(jiān)控比較方便．這時我們需要可以考慮利用多個模型的互補式方案來探究．本例就是在“探究碰撞中的不變量”時就借鑒“IYPT”模式，采用分組多模型互補方案開展探究的嘗試.

3.2.1 “Tracker”方案

方案模型

小球在水平軌道槽的運動碰撞，利用高速攝像機將碰撞前后的過程拍攝成小視頻，通過天平(或電子秤)測量出小球的質量，運用PC版Tracker追蹤軟件分析碰撞前后的速度進行探究．

變量分析

小球的質量；小球運動的速度；碰撞接觸面的性質(不方便監(jiān)控).

方案確定

(1)實驗器材.金屬導軌槽、金屬導軌、一對相同的金屬球、一對大小相同但質量不同的金屬球與玻璃球、高清攝像機、電腦(Tracker追蹤分析軟件)；

(2)研究對象.一對相同的金屬球；一個金屬球與一個大小相同的玻璃球(體積相同)；

(3)研究手段.拍攝各種情況碰撞過程的視頻，通過Tracker追蹤分析出碰撞前后的速度；

(4)猜想“不變量”.

方案實施

(1)用天平稱量小球質量：兩個相同大鋼球的質量為32.6 g，小鋼球質量為21.7 g，玻璃球質量為5.5 g.

(2)調節(jié)軌道槽口豎直，確保小球沿槽滾動，并用熱熔膠固定，將兩個球放在軌道上以多種方式發(fā)生碰撞．

(3)利用高速攝像機(用200fps拍攝)拍攝成高清視頻，如圖2所示，利用Tracker追蹤軟件分析碰撞前后的運動情況.

圖2 利用高速攝像機拍攝成高清視頻

記錄處理

數據處理：Tracker軟件可以在定義坐標的基礎上，追蹤每一幀小球所在位置．利用Tracker分別獲取碰撞前瞬間與碰撞后瞬間(各5幀左右)大約0.025 s時間．該軟件可以直接生成前5幀的位移與時間圖像和后10幀的位移與時間圖像．如圖3所示，由x-t圖線擬合可以得到斜率即為速度大?。當祿谩?”表示反方向速度．

圖3 位移時間圖像

表格中的Δ表示物理量的絕對差值，Δ′表示相對差值

情形1：一個鋼球靜止，一個鋼球運動 (m1=m2=32.6 g).

表1情形1實驗數據

在這種情況下，發(fā)現所猜想的3種關系都是“不變量”．

情形2：兩個鋼球以不同速度對碰(m1=m2=32.6 g).

表2情形2實驗數據

在這種情況下，所猜想的3種關系都是“不變量”.

情形3：一個鋼球前進，另一個鋼球追及(m1=m2=32.6 g).

表3情形3實驗數據

這時所猜想的3種關系依然都是“不變量”

情形4：運動的玻璃球碰撞靜止的金屬小球

(m1=5.5g，m2=21.7 g).

表4情形4實驗數據

這種情況下，所猜想的關系前2個是“不變量”，第3個不是“不變量”．

當然玻璃球與金屬球還做了其他幾種情況的實驗，所得到的結論也是前2個“不變”，第3個不是“不變量”．

分析歸納

誤差分析

(1)實驗過程中小球的滾動會產生實驗誤差；

(2)實驗過程中利用Tracker追蹤時手動捕捉位置會產生誤差；

(3)拍攝相機的畸變會產生微小誤差.

交流討論

生：熱烈鼓掌中……

師：下面進入討論環(huán)節(jié)，相互交流，可以提問，同項目小組的其他成員都可以回答或主動補充說明．

生甲：你們是以什么方式給小球提供初速度的？

成員：將小球放在軌道上，利用手指彈出的方向提供初速度，但是在彈球時不能猶豫．

生甲：謝謝！

生乙：小球運動過程中的摩擦力影響大嗎？

成員：有影響，但由于我們利用高速視頻抓幀的方式，截取碰撞前后極短的時間，所以這個影響很小．

生乙：謝謝！

生丙：在前2組實驗中式(1)與式(3)的差值為什么會一樣？第3組的式(1)與式(3)的差值就不一樣了．

成員：我們在探究到第2組后有成員就發(fā)現了這個問題，主要原因是這2組實驗中小球的質量相等，所以式(1)差值與式(3)的差值必然相等．

生丙：謝謝！

師：你們這種方案有沒有什么不足或遺憾的地方？

組長：我們當初設計方案時考慮到質量、速度的變量還考慮到小球碰撞的性質的問題，因為小球鋼性較好，機械能損失極?。鞠朐O計用雙面膠等，實際操作中發(fā)現，用了雙面膠或橡皮泥，嚴重影響了小球的運動(滾動)．

3.2.2 “光電門”方案

方案設計

考慮到利用氣墊導軌加滑塊和光電門的方案，如圖4所示．優(yōu)點是質量與速度都方便測量，而且摩擦力也很?。鲎驳慕佑|性質方便調節(jié)．

圖4 “光電門”方案

變量測量

滑塊的質量；滑塊運動速度；改變接觸性質.

方案實施

實驗中嘗試盡可能多的變量：利用天平測量質量；利用光電門加數字計時器間接測量滑塊的速度．通過彈簧片、橡皮泥和雙面膠改變接觸性質．進行各種情況的實驗(課堂上播放不同情形的實驗拍攝的短小視頻).

數據分析

質量分配不同情形.

猜想的可能“不變量”表達式分析：與項目1小組猜想的情況相同．

記錄說明：t表示滑塊通過光電門時間(單位ms)，v表示滑塊速度，擋光片寬度為6 mm．表5中測量數據是質量幾乎相同的情況，表6是質量不同的情況．

表5速度不同的情形

表6質量不同情形

歸納小結

由于有3個變量(質量、速度及碰撞性質)，控制變量組合情況很多，通過我們項目小組的對各種可能情形進行實驗探究(未全部列出)，得出的結論是碰撞前后m1v1+m2v2是“不變量”．

誤差成因

本探究中產生誤差的主要因素有：軌道的摩擦力(利用氣墊導軌是就是為了減少這種誤差)，空氣阻力，計時器的系統誤差，質量測量的誤差等．

交流討論

生：熱烈鼓掌……

師：很好，我們對第2組同學的精彩匯報表示感謝．下面請大家相互交流一下，對一個探究方案中需要探討的地方與項目2小組一起互動一下．

交流中……

生丁：剛才我們聽過第1小組的匯報，你們這個方案相比第一個方案有什么優(yōu)點？

成員：其實剛才第1小組同學講過，他們的方案中實現不同性質的碰撞比較困難，我們的方案方便操作，甚至于可以實現碰撞后粘連的情況．

生戊：你們的方案相對第1組有什么困難？

成員：因為是利用光電門測量速度，所以在實現不同速度碰撞情況時，對碰情況操作比較方便，對于同向追擊等測量有可能需要更多的光電門，操作記錄數據比較麻煩．通過第一組的匯報，我們發(fā)現他們在不同速度碰撞的情形探究中比我們方案有優(yōu)勢，Tracker追蹤沒有任何問題．

生己：你們用氣墊導軌的目的是為了減少摩擦力，請問實驗中你們還要調節(jié)導軌水平，為什么？

成員：因為我們需要測量碰撞前后瞬間的速度，理論上應該將光電門置于碰撞的位置，確保小球在碰撞前與碰撞后的瞬間都能通過光電門，然而我們無法比較精準地確定碰撞的位置．如果導軌水平，碰撞前與碰撞后滑塊都應該是勻速度運動，這樣測量的速度可以表示碰撞前后的瞬間速度．如果導軌不水平，就不能表示碰撞后的速度．

生庚：我們發(fā)現，你們實驗中滑塊的速度都不是很大，有什么考慮嗎？

成員：在我們實驗中嘗試過不同方向與不同大小的速度情況的碰撞，但當以太大的速度碰撞時，滑塊在導軌上跳動，產生了一定的沖擊力．并且有時影響到導軌的水平，所以將導軌調節(jié)水平后，我們利用熱熔膠將導軌固定．

師：請問第2小組在探究中有過棘手的問題嗎？

組長：我們小組在探究過程曾經遇到過3個瓶頸問題：第一，就是剛才己同學提出來的問題，調節(jié)導軌水平，起初我們沒有考慮到，所以猜想的可能“不變量”的根本“不存在”，碰撞前后很大，甚至于碰撞后比碰撞前大很多．后來通過很長時間討論才發(fā)現這個問題；第二，在調節(jié)導軌水平的問題上遇到的困難：原本的方案是調節(jié)過程 ，如果給一個滑塊連續(xù)通過兩個相距一定距離的光電門時間幾乎一樣，那么導軌就應該水平了．然而實際操作中卻發(fā)現當兩個光電門時間幾乎相等時，視覺觀察滑塊明顯不是勻速運動；如果利用滑塊置于軌導上的任一個位置幾乎不動(平衡)，按理說應該是水平了，然而這種情況下，提供一任意初速度通過兩個光電門的時間明顯不一樣．后來也懷疑過是計時器的問題，通過實驗發(fā)現不是，再后來才找到真正的原因：是光電門(探頭)的靈敏度差異造成的．因此找了很多光電門(探頭)，終于找到靈敏度一樣的光電門，從而進行后續(xù)探究；第三，由于光電門位置的影響，探究過程中追及模型的測量和記錄相對困難，以運動與靜止的碰撞和對碰模型為主要研究方式．

師：很好，其實在探究中一定還有很多不確定因素存在，真正的探究會面臨很多問題．剛才2個項目小組的同學表示感謝！感謝他們的分享，讓我們沒有參與的同學能夠有身臨其境的感覺，感同身受．讓我們共同體會的探究的不易與艱辛，同時也感受到探究的樂趣！我們再一次以熱烈的掌聲感謝他們，同時也感謝我們參與討論交流的同學！

生：熱烈鼓掌…

師：兩組同學的探究不是簡單的重復，是各自獨立完成探究，也各有優(yōu)點和不足．在變量的分析上可以相互補充．通過他們的匯報與大家的交流，我們發(fā)現：第一組無法做到多種性質的碰撞而第二組可以做到；第二組很難做到的不同速度情形碰撞(如：追及)而第一組卻可以做到．但是要知道，現有條件下不易做到或無法做到并不是這種情況不存在．也需要在優(yōu)化實驗條件或隨著技術的發(fā)展將來可以做到．因此在現有條件下，通過多種方案的相互補充不失為解決問題的一種方法，同樣可以歸納問題．

3.3 互補探究使規(guī)律總結更加完美

“Tracker”探究方案中缺少體現“碰撞性質”變量的調節(jié)，而“光電門”方案中對“碰撞速度”情況各種類型的考慮不夠全面(僅考慮運動滑塊碰撞靜止滑塊和兩個滑塊對碰的情況)．然而“Tracker”方案中充分反映了“速度”的各種情況，“光電門”方案中充分涉及到的“碰撞性質”的變化．通過兩個方案互補將所有可能的變量都進行了監(jiān)測，從而得出更具有普遍性的共同結論．

由于條件的限制，傳統課堂教學中的探究，無論是教師演示式探究或在教師指導下的有學生參與的演示式探究，預設情境比較多，甚至于有些數據可能需要備好；如果是學生課堂分組式探究可能很多的探究都不能完成．而采用IYPT模式，通過學生匯報交流答辯方式開展，真正的探究活動留在課外．由于探究過程特別復雜，變量較多，調節(jié)與測量特別麻煩的探究活動．需要探究小組利用相對較長的時間(也可以是社團活動或校本活動等)進行充分探究，由“Tracker”與“光電門” 方案互補方式“探究碰撞中的不變量”嘗試讓我們能夠體會到“IYPT”模式對“實驗探究”教學的積極意義．

1 陳晨，陸建隆.將IYPT實驗融入中學物理教學的理論思考與實踐探究.物理教師，2014(03)：22～26

2017-08-08)

*系江蘇省“‘啟·創(chuàng)’物理實踐課程基地開發(fā)特色校本課程的實踐與研究”基金項目.