傅竹偉

（無錫市輔仁高級中學(xué)，江蘇無錫 214123）

新課程背景下，物理教師們正在努力用各種方式將真實(shí)情境引入物理教學(xué).筆者認(rèn)為，信息化的手段為真實(shí)情境與物理教學(xué)的結(jié)合提供了許多有益的工具.近日，筆者在所任教學(xué)校的高一年級進(jìn)行了一系列結(jié)合Tracker軟件的教學(xué)實(shí)踐活動，包括組織學(xué)生利用Tracker軟件的自主探究活動、將Tracker軟件和課堂教學(xué)相結(jié)合等，希望利用Tracker軟件和真實(shí)情境的有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)設(shè)出真實(shí)生活情境下的學(xué)習(xí)和探究環(huán)境.

Tracker軟件是一種視頻分析軟件，具有運(yùn)動物體跟蹤和運(yùn)動分析等功能.本文不贅述軟件的具體用法，相關(guān)內(nèi)容可在互聯(lián)網(wǎng)上找到介紹.本文將主要圍繞筆者在“自由落體運(yùn)動”實(shí)際教學(xué)中的一次應(yīng)用實(shí)例，論述如何將軟件與真實(shí)情境有機(jī)結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生的探究活動，分析其在提升學(xué)生核心素養(yǎng)方面的積極作用.

1 Tracker軟件應(yīng)用實(shí)例：探究活動——探究“自由落體運(yùn)動的規(guī)律”

生活中許多物體的自由下落都可近似認(rèn)為是自由落體運(yùn)動，屬于一種常見的真實(shí)情境.傳統(tǒng)的研究方式是利用打點(diǎn)計時器研究重錘的下落運(yùn)動，這種方式精確度高，科學(xué)性強(qiáng)，但學(xué)生在實(shí)際生活中幾乎不會見到重錘的下落，其情境的真實(shí)性不如生活中常見物品的下落運(yùn)動.所以筆者利用Tracker軟件引導(dǎo)學(xué)生用身邊的真實(shí)物品，親手進(jìn)行探究活動.具體流程如圖1所示.

圖1 運(yùn)用Tracker基于真實(shí)情境探究活動的設(shè)計流程

筆者利用周末前的一節(jié)課給學(xué)生布置了探究任務(wù)：讓學(xué)生根據(jù)自身?xiàng)l件，在家用Tracker軟件研究自由落體運(yùn)動的性質(zhì).筆者提出的要求是：在身邊尋找一個合適的物品（其下落的運(yùn)動應(yīng)接近于自由落體運(yùn)動），用手機(jī)或相機(jī)拍攝該物體自由下落的過程，將視頻導(dǎo)入電腦，使用Tracker軟件進(jìn)行分析，并繪制其位移 時間圖像和速度 時間圖像，通過研究和分析，探究自由落體的運(yùn)動性質(zhì)，找出自由落體的加速度，并將實(shí)驗(yàn)成果制作成PPT，在課堂上展示.

1.1 充分的前期準(zhǔn)備

Tracker軟件作為一個新工具，在學(xué)生從未接觸的情況下讓他們直接進(jìn)行探究是不現(xiàn)實(shí)的，所以需要教師提前規(guī)劃和鋪墊，讓學(xué)生經(jīng)歷初步認(rèn)識到逐步熟悉的過程.筆者在必修一第1章第2節(jié)“時間位移”的教學(xué)中第1次展示了Tracker軟件.筆者提前拍攝了一位學(xué)生在操場上跑步的視頻，并用軟件進(jìn)行了處理和分析（如圖2）.學(xué)生第一次認(rèn)識了Tracker軟件及其功能，初步接觸如何利用Tracker軟件把物體抽象為質(zhì)點(diǎn)，記錄下物體在不同時刻的位置，直接生成位移 時間圖像等，而這一基于真實(shí)場景的分析也讓學(xué)生眼前一亮.課后有不少學(xué)生來和筆者探討，學(xué)生對于軟件的應(yīng)用產(chǎn)生了一定的興趣，對于進(jìn)一步的應(yīng)用有了期待.在后續(xù)加速度的教學(xué)、速度時間圖像的教學(xué)中，筆者都利用了Tracker軟件進(jìn)行了相關(guān)內(nèi)容的應(yīng)用展示，學(xué)生慢慢熟悉并適應(yīng)軟件的應(yīng)用，為他們之后探究活動的進(jìn)行打下了基礎(chǔ).

圖2 運(yùn)用Tracker分析學(xué)生奔跑時的頭部運(yùn)動

1.2 有效的問題引導(dǎo)

由于條件限制，這項(xiàng)探究活動是讓學(xué)生在家自主進(jìn)行的.沒有教師現(xiàn)場的指導(dǎo)，探究過程勢必會有更多的不可控因素.為了解決這個問題，筆者設(shè)置了一系列的問題及活動要求，以引導(dǎo)學(xué)生合理有效地展開探究活動.引導(dǎo)問題如下.

（1）查閱資料，了解什么是自由落體運(yùn)動.

預(yù)設(shè)答案：只受重力（不受空氣阻力）由靜止開始的落體運(yùn)動；

（2）選擇什么樣的物品做實(shí)驗(yàn)合適？為什么？

預(yù)設(shè)答案：受空氣阻力較小的物體，比如小鐵球，玻璃珠等；可以減少空氣阻力的影響；

（3）釋放物體時需要注意什么？

預(yù)設(shè)答案：必須保證物體由靜止釋放，以保證物體初速度為0；

（4）拍攝下落過程時要注意哪些問題？

預(yù)設(shè)答案：拍攝設(shè)備需保持平穩(wěn)，最好使用三腳架；

（5）你得到的自由落體運(yùn)動的速度時間圖像是怎樣的？說明自由落體運(yùn)動是什么運(yùn)動？

預(yù)設(shè)答案：速度 時間圖像接近一條傾斜直線.說明自由落體運(yùn)動是勻加速直線運(yùn)動；

（6）如果你得到的自由落體運(yùn)動是勻變速直線運(yùn)動，其加速度是多少？

預(yù)設(shè)答案：加速度接近9.8m／s2；

（7）你認(rèn)為應(yīng)該如何改進(jìn)你的實(shí)驗(yàn)以讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更科學(xué)？

預(yù)設(shè)答案：使用拍攝精度更高的設(shè)備以減少殘影的影響；選用質(zhì)量更大體積更小的物體來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以減少空氣阻力的影響等；

（8）在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)之后你得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有什么變化？說明什么問題？

預(yù)設(shè)答案：利用空氣阻力影響更小的物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加速度越來越接近9.8m／s2；說明理想狀態(tài)下的自由落體運(yùn)動是加速度大小為9.8m／s2的勻加速直線運(yùn)動.

學(xué)生在探究活動進(jìn)行之前以及進(jìn)行的過程中，需要圍繞著這8個問題進(jìn)行思考和分析.這8個問題中，前4 個問題是引導(dǎo)學(xué)生更為精確地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，后4 個問題則是引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和討論，進(jìn)一步地嘗試更精確的實(shí)驗(yàn)，逐步得到科學(xué)準(zhǔn)確的結(jié)論.

1.3 即時的在線指導(dǎo)

雖然學(xué)生是在各自家中進(jìn)行探究活動，但在學(xué)生進(jìn)行過程中，筆者通過網(wǎng)絡(luò)的方式始終和學(xué)生保持著聯(lián)系，并對他們進(jìn)行即時的指導(dǎo).探究活動的過程中，學(xué)生不僅僅基于之前的引導(dǎo)性問題進(jìn)行思考和嘗試，還不斷提出新的問題和想法，比如利用慢速攝影優(yōu)化拍攝效果、利用Tracker 軟件研究伽利略的探究過程（利用斜面來研究落體運(yùn)動）等等，并根據(jù)這些問題和想法進(jìn)行調(diào)整和新的嘗試，同學(xué)們之間也進(jìn)行著充分的交流和討論，探究活動過程中，同學(xué)們的科學(xué)探究能力得到了充分的培養(yǎng).

1.4 精彩的交流展示

探究活動之后，筆者收集了學(xué)生們的成果.出乎筆者意料的是，學(xué)生們的研究并沒有僅僅局限于自由落體運(yùn)動性質(zhì)一項(xiàng)，而是生成了更為豐富的成果，其中包括：

（1）歷史上對于自由落體運(yùn)動的研究；

（2）利用尺子和橡皮進(jìn)行伽利略斜面實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)；

（3）拍攝設(shè)備適用性的分析以及拍攝過程中畸變問題的解決；

（4）嘗試了反應(yīng)尺的制作.

筆者挑選了較為成功的幾個小組，對他們的結(jié)果進(jìn)行了基本的分類，讓他們結(jié)合自身的探究活動從不同的方面，在課堂上進(jìn)行交流展示.學(xué)生們的表現(xiàn)遠(yuǎn)超筆者預(yù)料，探究過程、遇到的困難、如何解決和改進(jìn)、最終的探究成果等等都完整精彩地呈現(xiàn)了出來（圖3-圖5）.由于學(xué)生們自己都親手進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，每個人都感同身受，學(xué)習(xí)交流的氛圍超過了筆者之前的絕大多數(shù)課堂.

圖3

圖4

圖5

1.5 積極的評價反饋

為了讓展示過程更能激發(fā)學(xué)生的熱情，提升學(xué)生的評價能力，筆者嘗試設(shè)計了評價量表（如表1），分別從物理內(nèi)容和展示能力的角度，讓學(xué)生對各自展示內(nèi)容和過程進(jìn)行評價，評價表如下.

表1

評價對象：

彼此之間的相互評價，讓學(xué)生的熱情被進(jìn)一步激發(fā)，學(xué)生通過彼此之間的互動討論，提問辯論，集思廣益，相互啟智.

2 Tracker軟件輔助真實(shí)情境下探究活動對學(xué)生核心素養(yǎng)的提升

2.1 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

興趣是最好的老師，只有對學(xué)習(xí)有了興趣，才能自然產(chǎn)生學(xué)習(xí)和研究的熱情.探究活動中，很多同學(xué)嘗試了用多種不同的物品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在多次實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行比較和分析，找出不同物品作為實(shí)驗(yàn)對象的適合性.還有的學(xué)生嘗試了不同的拍攝背景，以便于更加凸顯研究對象的運(yùn)動過程.學(xué)生對于此次探究活動表現(xiàn)出了極為濃厚的興趣.筆者之后也利用問卷星對學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查，其中在“Tracker軟件是否讓你更有興趣對物理知識進(jìn)行探究？”的問題中，94.24%的同學(xué)表示大大提升了興趣或提升了一些興趣（圖6）；在“你認(rèn)為Tracker軟件使用是否有助于你對于相關(guān)知識的掌握？”的問題中，94.12%的同學(xué)表示很有幫助或者有一定的幫助（圖7）；在“今后你是否愿意運(yùn)用Tracker軟件對其他問題或知識進(jìn)行研究？”的問題中，86.28%的同學(xué)表示非常愿意或者較為愿意（圖8）.

圖6

圖7

圖8

結(jié)果表明，這次探究活動大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.絕大多數(shù)學(xué)生都表示愿意更多嘗試此類結(jié)合信息技術(shù)的探究活動.

2.2 突破時空限制

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)受到各種條件的限制，大多數(shù)情況下，只能利用在校時間在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.這次探究活動則突破了時空的限制，讓居家實(shí)驗(yàn)變得可能.在之后的教學(xué)過程中，筆者還多次嘗試讓學(xué)生進(jìn)行居家實(shí)驗(yàn)，比如在超失重的教學(xué)中，讓學(xué)生提前在家進(jìn)行體重秤上的下蹲起立實(shí)驗(yàn)；在圓周運(yùn)動的教學(xué)中，讓學(xué)生利用周末時間體驗(yàn)騎自行車過拱形橋等等.并讓學(xué)生拍攝視頻，將視頻拿到課堂上進(jìn)行分析和討論.選擇合適的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生居家進(jìn)行，學(xué)生隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，既拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)的疆域，也讓學(xué)生真正感受著物理與生活的密切關(guān)系.

2.3 建立物理觀念

真實(shí)的教學(xué)情境，更能幫助學(xué)生建立科學(xué)的物理觀念.Tracker軟件作為視頻分析軟件，其最大的價值便在于使研究場景完全真實(shí)化和生活化.學(xué)生在這次探究過程中所用的對象從清一色的小鐵球或重錘，變成了生活中各種常見的物品，有乒乓球、牛奶罐、網(wǎng)球、橡皮等等；探究活動中，學(xué)生還邀請了自己的父母、兄弟姐妹一起參與，這些都讓這次探究活動變得真實(shí)而生動.Tracker軟件輔助真實(shí)情境創(chuàng)設(shè)的教學(xué)方式既可運(yùn)用于探究活動，也可運(yùn)用于日常教學(xué)，例如筆者在必修二第5章第1節(jié)“曲線運(yùn)動”的教學(xué)中，再次使用Tracker軟件，分析了現(xiàn)場拍攝的投籃視頻，供學(xué)生在課堂上進(jìn)行分析研究（圖9—10）.總之，Tracker軟件的應(yīng)用，為基于真實(shí)情境的物理教學(xué)提供了極大的可能，也使得學(xué)生的運(yùn)動觀、相互作用觀等物理觀念在真實(shí)的情境中得到了建立和發(fā)展.

圖9

圖10

2.4 促進(jìn)科學(xué)思維

科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新.在這次探究活動中，學(xué)生的各種科學(xué)思維在不知不覺中得到了發(fā)展.例如，Tracker軟件將視頻導(dǎo)入后的一個步驟是把研究的物體抽象為質(zhì)點(diǎn)來進(jìn)行標(biāo)注，使用過程中還需要把運(yùn)動軌跡用平滑曲線連接，這些對于學(xué)生的模型建構(gòu)能力自然而然地產(chǎn)生了影響；此外，由于沒有限制學(xué)生所選擇的物體，學(xué)生在選擇的過程中有了自然的思考，什么樣的物體適合用來做研究，不同的物體分別會產(chǎn)生什么影響，物體的體積、重量，甚至材質(zhì)、色彩、物體下落過程中的旋轉(zhuǎn)都成了他們考慮的因素，在對這些問題進(jìn)行思考和分析以及不斷嘗試的過程中，學(xué)生的科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力都得到了促進(jìn).

2.5 發(fā)展科學(xué)探究

學(xué)生在基于引導(dǎo)性問題設(shè)計實(shí)驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)了不少其他問題，比如背景對清晰度的影響，拍攝設(shè)備對實(shí)驗(yàn)的影響等等.為了成功地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他們深入思考，尋找證據(jù)，努力解決問題.在制作展示文檔的過程中，他們對自己的探究過程進(jìn)行描述，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋.實(shí)驗(yàn)過程中，大家提出各種問題，嘗試為這些問題尋求證據(jù)和解決方案，對自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，并在師生之間、學(xué)生之間開展充分的討論和交流.在之后的課堂中，向同學(xué)展示自己的實(shí)驗(yàn)成果.整個過程，學(xué)生的各方面科學(xué)探究能力得到了充分地發(fā)展.

2.6 培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度

這次探究活動中，也有一些學(xué)生沒有得到理想的結(jié)果.在此情況下，他們中的大多數(shù)并沒有簡單粗暴地修改數(shù)據(jù)，他們一方面大方地展示自己不理想的成果，另一方面努力尋找產(chǎn)生誤差的原因，積極尋求改進(jìn)方案，學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度得到了培養(yǎng).還有學(xué)生告訴筆者，自己幾乎花了一整天的時間查閱資料，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)操作，整理成果，制作展示文檔等等，學(xué)生身上無畏失敗，不斷嘗試的精神也在慢慢生長.

3 結(jié)語

將諸如Tracker軟件這樣的信息技術(shù)與課堂教學(xué)和探究活動進(jìn)行有效結(jié)合，使學(xué)生做到了真實(shí)情境下的學(xué)習(xí)和探究，讓學(xué)生真正做到了有深度的思考、有意義的探究、有質(zhì)量的交流，也真正地讓學(xué)生的核心素養(yǎng)得到了有效地提升.