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        創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境 提升學(xué)生素養(yǎng)
        ——運(yùn)用Tracker軟件輔助真實(shí)情境下探究活動的實(shí)踐和探索

        2022-11-03 09:59:00傅竹偉
        物理教師 2022年10期
        關(guān)鍵詞:物體筆者軟件

        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.

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