摘 要：以Tracker軟件探究單擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律，跨學(xué)科綜合運(yùn)用物理、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，并對(duì)結(jié)果作簡(jiǎn)要分析，在STEAM教育理念的指導(dǎo)下，通過多學(xué)科的整合，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，對(duì)基礎(chǔ)教育物理實(shí)驗(yàn)的改革起到拋磚引玉的作用.

關(guān)鍵詞：STEAM教育;Tracker;單擺

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）05-0045-03

作者簡(jiǎn)介：許文龍（1977-），男，浙江瑞安人，碩士，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：物理課程與教學(xué)、物理競(jìng)賽.

目前世界各國正在進(jìn)入新一輪的競(jìng)爭(zhēng)，紛紛出臺(tái)了各種國家戰(zhàn)略，以應(yīng)對(duì)新技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)革命.在這種競(jìng)爭(zhēng)中誰能勝出，關(guān)鍵在于人才.世界各國非常重視人才的培養(yǎng)，尤其是STEAM人才的培養(yǎng)，各國均站在國家發(fā)展戰(zhàn)略的高度來看待STEAM教育的重要性.物理實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)教育的重要組成部分，它影響學(xué)生的實(shí)踐能力和科學(xué)觀的培養(yǎng)，影響新課程核心素養(yǎng)理念的落實(shí).基礎(chǔ)教育物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)急需新教育理念的引領(lǐng)，而STEAM教育正順應(yīng)了這樣的需求.

1 STEAM教育理念

STEAM教育在原有STEM教育基礎(chǔ)上加入了藝術(shù)（Art），是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）和數(shù)學(xué)（Mathmatics）英語首字母的縮寫.STEAM將原本分散的五門學(xué)科集合成一個(gè)整體，分別代表著五類素養(yǎng)，分別是科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng).它有助于學(xué)生從更多視角認(rèn)識(shí)不同學(xué)科間的聯(lián)系，提高自身綜合運(yùn)用知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問題的能力.

STEAM教育主要以基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、問題的學(xué)習(xí)為主要教學(xué)（學(xué)習(xí)）的方式認(rèn)識(shí)世界，以綜合創(chuàng)新的形式改造世界，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學(xué)生通過合作與實(shí)踐，完成主題項(xiàng)目和解決生活中遇到的難題.作為一種超越傳統(tǒng)的教育模式，它引導(dǎo)學(xué)生適應(yīng)不斷更新的專業(yè)知識(shí)和快速變化的社會(huì)生活.

將STEAM教育理念融入基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以有效改善常態(tài)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端.STEAM教育理念下的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要在教學(xué)過程中滲透基于物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用和工程建模、注重?cái)?shù)學(xué)運(yùn)算、聯(lián)系物理學(xué)前沿動(dòng)態(tài)以及現(xiàn)代技術(shù)等，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)重組和擴(kuò)展，引導(dǎo)學(xué)生將物理與技術(shù)、工程、藝術(shù)及數(shù)學(xué)進(jìn)行有機(jī)整合，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng).

2 STEAM教育理念下物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)

利用Tracker探究單擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律是高中物理基本實(shí)驗(yàn)的拓展，它對(duì)學(xué)生通過單擺運(yùn)動(dòng)圖像深化理解單擺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新意識(shí)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ泻芎玫妮o助作用.本文以STEAM教育理念為切入點(diǎn)，結(jié)合基于Tracker探究單擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)案例，探討如何在STEAM教育理念指導(dǎo)下開展物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì).利用Tracker深度探究單擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律，突出體現(xiàn)STEAM教育的綜合性、探究性、自主性、互助性、實(shí)踐性和創(chuàng)新性等特征.

2.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置及其不足

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)利用漏斗一邊來回?cái)[動(dòng)一邊勻速拉動(dòng)漏斗下方的硬紙板，觀察漏斗所漏出的細(xì)沙在硬紙板上留下的痕跡來研究單擺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.實(shí)驗(yàn)原理是用硬紙板的勻速運(yùn)動(dòng)的位移等效代替單擺運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，用漏斗左右擺動(dòng)表征單擺的位移，如圖1所示.

使用沙漏演示單擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法雖然簡(jiǎn)單易操作，但其精確度不夠，適合半定量探究，其誤差主要來源于“漏沙”過程中沙粒運(yùn)動(dòng)的影響及難以控制的硬紙板勻速前進(jìn).這種裝置和實(shí)驗(yàn)方法不利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)分析解決問題的能力，難以有效落實(shí)新課程理念下的核心素養(yǎng)目標(biāo).

2.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)

用手機(jī)拍攝單擺運(yùn)動(dòng)視頻，利用Tracker軟件分析擺球運(yùn)動(dòng)擬合出單擺運(yùn)動(dòng)的圖像.Tracker是一款視頻分析軟件，是由美國卡里洛大學(xué)的道格拉斯·布朗教授開發(fā)，Tracker通過分析所拍攝的視頻，追蹤選定對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡，就可以快捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，歸納物理規(guī)律，并允許用戶建立自己的運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn).Tracker已成功用于運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)，甚至光譜分析等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究.軟件界面如圖2所示，所用到的器材有手機(jī)（相機(jī)）、直尺、小球和細(xì)繩等.

該實(shí)驗(yàn)方法充分體現(xiàn)了學(xué)科知識(shí)的整合取向，實(shí)驗(yàn)過程要求學(xué)生綜合運(yùn)用物理、數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)等學(xué)科知識(shí)處理數(shù)據(jù)得出規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng).STEAM教學(xué)以準(zhǔn)確的科學(xué)原理為依托，掌握各學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)仍然是開展STEAM教學(xué)的前提，因此在這一實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生必須提前了解單擺運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，這也說明了STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)很重要.

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)擬合處理

在純色背景墻上確定好標(biāo)尺，比如黑板面上，學(xué)生用手抓住細(xì)繩上端，細(xì)繩長(zhǎng)25cm，繩下端系住一個(gè)小球，用手機(jī)拍攝小球在豎直面內(nèi)擺動(dòng)的短視頻，通過微信、QQ、APP等將短視頻發(fā)送到電腦，在電腦上運(yùn)行Tracker軟件，點(diǎn)擊左上角菜單：文件—打開，載入短視頻進(jìn)行分析處理.具體步驟如下：

（1）=1＼*GB3單擊Tracker軟件：新建—定標(biāo)桿.將此標(biāo)桿上的數(shù)字改成0.25單位為m，并將標(biāo)桿鎖定隱藏.

（2）=2＼*GB3單擊直角坐標(biāo)軸.按住坐標(biāo)軸拖動(dòng)它，將坐標(biāo)軸的原點(diǎn)拖到擺球運(yùn)動(dòng)的最低點(diǎn)，作為描繪單擺運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)原點(diǎn)，鎖定并隱藏坐標(biāo)軸.移動(dòng)黑三角形（▲）選擇跟蹤的視頻范圍.

（3）=3＼*GB3單擊按鈕創(chuàng)建—質(zhì)點(diǎn)，創(chuàng)建一個(gè)“質(zhì)量A”，單擊菜單中的自動(dòng)追蹤，根據(jù)提示將紅色方形虛線框縮小到剛好容納小球的大小，單擊搜索按鈕，追蹤分析視頻得到結(jié)果如圖3所示.

（4）=4＼*GB3在圖3右側(cè)上方波形上點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵，選擇“分析”—“擬合”，選擇擬合曲線為x=x0+A*sin（B*t+C），設(shè)置合理參數(shù)后得到圖4所示的擬合結(jié)果.從圖4看出擬合曲線與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)吻合得相當(dāng)好，其初始位移偏差x0=3.086×10-3m，相位C=1.136，振幅A=3.261×10-2m.從圖4波形中得出其周期T=1s.根據(jù)單擺周期公式，擺長(zhǎng)25cm的單擺，其周期為T=2π lg≈1s.

3 STEAM教育理念下實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)比原先的更能體現(xiàn)綜合性和新穎性，需要學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科素養(yǎng)才能開展探究，體現(xiàn)跨學(xué)科特性.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集由計(jì)算機(jī)完成，精度高，誤差小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀.在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，基于STEAM教育理念，結(jié)合工程、信息技術(shù)及數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)并開展探究，所涉及的STEAM知識(shí)見表1.與傳統(tǒng)基于“沙漏”的實(shí)驗(yàn)相比，學(xué)生花費(fèi)更多時(shí)間進(jìn)行自主思考與探究，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案簡(jiǎn)單易行，可讓學(xué)生在課堂合作探究：一個(gè)學(xué)生拿著單擺在黑板前擺動(dòng)，另一個(gè)學(xué)生用手機(jī)（相機(jī)）拍攝短視頻，然后由學(xué)生導(dǎo)入電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，處理過程與結(jié)果直接通過多媒體展示給全班學(xué)生.真正實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的整合，培養(yǎng)學(xué)生合作探究精神和能力，有利于學(xué)生將理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐探究更好地結(jié)合.

基于STEAM教育理念的物理實(shí)驗(yàn)在課程設(shè)計(jì)和教學(xué)質(zhì)量上均有明顯優(yōu)勢(shì)，但改進(jìn)后的物理實(shí)驗(yàn)，課程任務(wù)周期長(zhǎng)，占用教學(xué)時(shí)間多，而且需要教師和學(xué)生熟悉技術(shù)和工程方面的知識(shí)，這使得STEAM教育理念在當(dāng)前階段難以得到廣泛應(yīng)用，因此，可將其作為綜合實(shí)踐類和探究類物理實(shí)驗(yàn)課程開設(shè).

4 結(jié)束語

基于STEAM教育理念的物理實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)常態(tài)物理實(shí)驗(yàn)不同，它不再限于學(xué)科本身，而是將技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)與高中物理相結(jié)合.STEAM理念不僅體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)方案的選擇、實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)上，也體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程中，鼓勵(lì)學(xué)生通過合作與交流進(jìn)行探究，把學(xué)生的學(xué)習(xí)和跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)相結(jié)合，為探究基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新和改革提供新思路與新方向.

參考文獻(xiàn)：

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[2]段雨薇.基于STEAM理念的物理實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐——STEM教育視角下《超重》教學(xué)案例[J].中學(xué)物理，2018，36（23）：44-47.

（收稿日期：2020-11-11）