陶卓婷　羅新竹　胡志娟

摘? ? 要：物理模型建構(gòu)教學(xué)被認(rèn)為是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而現(xiàn)代信息技術(shù)可作為該環(huán)節(jié)的一大助力。在新課標(biāo)、新課改提倡信息化教學(xué)的理念下，以“全反射”為例，將Tracker軟件應(yīng)用于物理模型建構(gòu)的教學(xué)過程，分析了Tracker軟件的應(yīng)用原則。以問題鏈為導(dǎo)向，以真實(shí)情境為驅(qū)動，借助自制創(chuàng)新教具等手段，組織了一系列Tracker實(shí)驗(yàn)探究活動，為有效地將信息技術(shù)軟件應(yīng)用于物理模型建構(gòu)的教學(xué)實(shí)踐提供了參考。

關(guān)鍵詞：Tracker軟件；物理模型；全反射；科學(xué)思維

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）5-0081-6

為促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）對課程目標(biāo)進(jìn)行了整合提升，其在“目標(biāo)要求”中明確指出“會用所學(xué)模型分析常見的物理問題”［1］。新課標(biāo)中“物理模型”出現(xiàn)的頻率顯著提升［2］，力圖把物理建模作為撬動學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的支點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)生在真實(shí)情境中建構(gòu)模型和解決實(shí)際問題的能力，而信息技術(shù)和自制教具正是開展物理模型建構(gòu)教學(xué)的強(qiáng)大助力。

Tracker軟件作為一款免費(fèi)優(yōu)質(zhì)的視頻分析軟件，具有可視化、動態(tài)化、模型化等特點(diǎn)，能夠用于輔助優(yōu)化物理模型建構(gòu)的教學(xué)。本文就Tracker軟件如何助力物理模型建構(gòu)教學(xué)進(jìn)行了思考，分析了Tracker軟件在物理模型建構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用原則。以“全反射”為教學(xué)實(shí)例，設(shè)計(jì)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具，通過對比情境、問題鏈等方法，階段式呈現(xiàn)了完整物理模型的建構(gòu)過程。希望學(xué)生能夠借助信息技術(shù)軟件，在問題導(dǎo)向下建構(gòu)物理模型，以實(shí)現(xiàn)其科學(xué)思維和關(guān)鍵能力的共同進(jìn)階。

1? ? Tracker助力物理模型建構(gòu)的教學(xué)流程

物理模型是將實(shí)際問題理想化，略去一些次要因素，突出主要因素［3］。模型建構(gòu)是學(xué)生認(rèn)知物理現(xiàn)象、形成科學(xué)思維的基礎(chǔ)。在物理教學(xué)過程中，通常包括建立模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?、完善模型、?yīng)用模型四個模型建構(gòu)的教學(xué)環(huán)節(jié)［4］。充分利用好這四個教學(xué)環(huán)節(jié)，能幫助學(xué)生完成物理模型的建構(gòu)。但物理模型具有抽象化、理想化的特點(diǎn)，構(gòu)建模型在傳統(tǒng)教學(xué)和學(xué)生理解過程中均具有難度。

借助Tracker軟件可以多方面、多維度地優(yōu)化物理模型建構(gòu)，具體的教學(xué)流程如圖1所示。Tracker軟件的視頻追蹤功能能夠動態(tài)追蹤物體的運(yùn)動軌跡，直觀形象地初步輔助構(gòu)建出相應(yīng)的物理模型；軟件自帶的數(shù)據(jù)處理區(qū)，能幫助分析誤差，推動開展模型的修正及檢驗(yàn)；曲線擬合繪圖功能，能促進(jìn)完善模型的建構(gòu)過程。由于Tracker軟件能夠?qū)ι钪姓鎸?shí)的物理情境進(jìn)行視頻追蹤，且操作簡單，也有助于學(xué)生將構(gòu)建模型的歷程從課堂延展至課外。學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過應(yīng)用模型充分內(nèi)化知識，可有效推動物理模型的建構(gòu)。圖文并茂、新舊相融的教學(xué)手段能夠充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生全程參與課堂，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2? ? Tracker軟件應(yīng)用于物理模型建構(gòu)教學(xué)的原則

基于教學(xué)實(shí)際，Tracker軟件應(yīng)用于物理模型教學(xué)的過程中需要遵循六個原則（圖2），以便促使Tracker軟件科學(xué)、高效地助力教學(xué)工作的開展。

2.1? ? 輔助性原則——明確教學(xué)目的

Tracker作為現(xiàn)代化教學(xué)工具，能夠幫助學(xué)生去研究一些傳統(tǒng)教學(xué)手段難以處理的教學(xué)問題。作為輔助性教學(xué)工具出現(xiàn)在實(shí)際的教學(xué)過程中，服務(wù)于課堂教學(xué)活動。Tracker軟件融入課堂，應(yīng)有助于推進(jìn)物理模型建構(gòu)的教學(xué)，能促進(jìn)提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生核心素養(yǎng)的達(dá)成。相反，Tracker軟件若在建模教學(xué)片段中并無推進(jìn)教學(xué)或達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的作用，甚至?xí)岜局鹉?，則不應(yīng)將Tracker軟件運(yùn)用其中。

2.2? ? 人本性原則——著眼教學(xué)主體

物理模型教學(xué)過程中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，Tracker軟件的融入無疑為抽象晦澀的建模過程注入新鮮感，迅速引起學(xué)生參與課堂的積極性。在實(shí)驗(yàn)探究中，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)。而實(shí)際教學(xué)中，由于諸多現(xiàn)實(shí)因素，學(xué)生對于Tracker軟件的接受程度不盡相同。因此，教師應(yīng)在課前充分掌握學(xué)情，開展預(yù)習(xí)工作，以防止軟件的使用成為教學(xué)難點(diǎn)。在課上，教師應(yīng)合理把控Tracker軟件操作時(shí)長，觀察學(xué)生操作情況，以避免學(xué)生對重點(diǎn)內(nèi)容出現(xiàn)注意力的轉(zhuǎn)移。如此，才能確保Tracker軟件真正服務(wù)于學(xué)生的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的高效與優(yōu)質(zhì)。

2.3? ? 互補(bǔ)性原則——豐富教學(xué)方法

傳統(tǒng)的教學(xué)手段有其不可替代性，通過公式和理論的計(jì)算推導(dǎo)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的推理能力和抽象邏輯思維。而Tracker軟件通過分析實(shí)際情境中的物理過程，幫助學(xué)生從物理情境中抽象概括出其所涉及的理論規(guī)律，從而促進(jìn)物理模型的建構(gòu)。Tracker軟件和傳統(tǒng)教學(xué)方法在教學(xué)中各有優(yōu)勢，將教學(xué)手段有機(jī)結(jié)合，便能相輔相成，促進(jìn)學(xué)生對于物理模型的深度理解。

2.4? ? 實(shí)驗(yàn)性原則——抓牢教學(xué)立足點(diǎn)

Tracker本身是一款視頻分析軟件，其分析的視頻是對真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)時(shí)動態(tài)反映。無論是Tracker軟件的應(yīng)用還是物理模型的建立，均以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。基于實(shí)驗(yàn)之上所構(gòu)建的物理模型才能夠更好地解釋物理現(xiàn)象和物理規(guī)律。所以，將Tracker軟件應(yīng)用于物理模型的教學(xué)過程中，也需服從這一原則。即從實(shí)際出發(fā)，以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，深化滲透物理探究實(shí)事求是的精神。

2.5? ? 延展性原則——拓寬教學(xué)途徑

學(xué)生能夠開展物理模型的應(yīng)用，是幫助他們內(nèi)化并重建物理模型的關(guān)鍵一環(huán)。Tracker軟件基于實(shí)驗(yàn)的操作特點(diǎn)，讓學(xué)生得以在真實(shí)情境中探索建模過程，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，鼓勵學(xué)生在不同情境下應(yīng)用物理模型，解決實(shí)際問題。借助Tracker軟件激勵學(xué)生在課外開展物理模型建構(gòu)的探究活動，能將物理模型建構(gòu)教學(xué)從課堂延伸至課外，真正促進(jìn)學(xué)生自我學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)以及科學(xué)思維等核心素養(yǎng)的發(fā)展。

2.6? ? 反饋性原則——落實(shí)教學(xué)評價(jià)

良好的教學(xué)評價(jià)能夠幫助教師優(yōu)化教學(xué)體系，有效的反饋信息將切實(shí)助力教學(xué)評價(jià)的落實(shí)。Tracker軟件的使用能夠使得數(shù)據(jù)獲取更加方便，模型應(yīng)用更為及時(shí)，將實(shí)驗(yàn)探究和模型應(yīng)用的過程顯性化。教師能夠結(jié)合學(xué)生表現(xiàn)和成果分析等多元評價(jià)手段，多層次把握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，進(jìn)而及時(shí)進(jìn)行教學(xué)評價(jià)，并將教學(xué)評價(jià)從結(jié)論性評價(jià)向過程性評價(jià)進(jìn)行轉(zhuǎn)型，以便幫助教師依據(jù)評價(jià)結(jié)果優(yōu)化教學(xué)策略。

3? ? Tracker軟件應(yīng)用于物理模型建構(gòu)教學(xué)實(shí)例

“全反射”是前一節(jié)光的反射和折射相關(guān)概念的延伸，是對知識核心“光的傳播”問題的進(jìn)一步深化。這一節(jié)的重難點(diǎn)是“全反射的發(fā)生條件”［5］。在2019年人教版教材中，該內(nèi)容是通過靜態(tài)圖片和理論分析進(jìn)行闡述的，這使得學(xué)生難以對該教學(xué)重難點(diǎn)形成動態(tài)鮮明的感性認(rèn)識，理解難度大?；谏鲜?6 個原則，筆者以“全反射”一節(jié)為例，自制了創(chuàng)新教具，并有效將Tracker軟件應(yīng)用于“全反射”條件模型的建構(gòu)過程中。希望幫助學(xué)生有效建構(gòu)“全反射發(fā)生條件”的物理模型并加深對知識的理解，整體的教學(xué)流程圖如圖3所示。

3.1? ? 實(shí)驗(yàn)引入，建立模型

情境內(nèi)容：

為了激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突并引入“光的全反射”這一探究主題，設(shè)計(jì)了兩個實(shí)驗(yàn)。一個是“光沿直線傳播”，另一個是“水流導(dǎo)光”。通過對比這兩個實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠直觀地感受到光在兩種不同介質(zhì)中傳播方式的差異。在實(shí)驗(yàn)分析中，學(xué)生將運(yùn)用邏輯推理能力探究全反射發(fā)生的具體條件，并嘗試建立一個初步的條件模型。

為了更直觀地展示光路，教師使用自制的彎曲玻璃磚來引導(dǎo)光線，這一方法有效替代了在水流導(dǎo)光實(shí)驗(yàn)中難以清晰觀察的光路。通過這種建模方式，使光路變得可視化，降低了邏輯推理的抽象性，幫助學(xué)生將生活現(xiàn)象與物理知識聯(lián)系起來，從而形成更加生動和感性的認(rèn)識。

具體過程：

首先，教師展示圖4和圖5所示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在“光沿直線傳播”實(shí)驗(yàn)中，教師展示光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播的特點(diǎn)。而在“水流導(dǎo)光”實(shí)驗(yàn)中，教師展示光如何在水流中傳播，并強(qiáng)調(diào)兩種實(shí)驗(yàn)中光傳播方式的區(qū)別。接著，教師提出一系列問題，構(gòu)成問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生深入思考并探索光的全反射原理。

教師：

（1）為什么激光沿著水流彎曲地向前傳播了呢？

（2）光從水射入空氣，在兩個介質(zhì)的界面間會發(fā)生什么現(xiàn)象？

（3）光此時(shí)沒有發(fā)生折射的原因是什么？

學(xué)生對以上問題進(jìn)行思考討論，然后回答這些問題。

接著，教師講解光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)，以及全反射的定義。

教師：發(fā)生全反射的條件是什么？

學(xué)生根據(jù)定義和折射定律可以繪制如圖6所示的折射圖。當(dāng)光從介質(zhì)射入真空時(shí)，如果入射角等于臨界角，就能恰好發(fā)生全反射。并建立發(fā)生全反射的條件模型：

（1）光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；

（2）入射角等于臨界角。

然后，教師針對水流導(dǎo)光實(shí)驗(yàn)再次提出問題。

教師：如何清晰地觀察光在彎曲狀物質(zhì)中的傳播路徑？

學(xué)生進(jìn)行思考和討論，并根據(jù)水流的導(dǎo)光情境，產(chǎn)生設(shè)計(jì)彎曲玻璃磚的想法。

教師展示如圖7所示的自制教具——彎曲玻璃磚，并實(shí)驗(yàn)演示光射入彎曲玻璃磚的情形，幫助學(xué)生抽象建立光在彎曲狀物質(zhì)中的傳播路徑這一物理模型。

設(shè)計(jì)意圖：

通過對比實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生具有感性認(rèn)識。通過問題鏈，讓學(xué)生對問題進(jìn)行合理思考和猜想，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。通過邏輯推理和理論分析，讓學(xué)生初步構(gòu)建發(fā)生全反射的條件模型。結(jié)合自制創(chuàng)新教具和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，對真實(shí)情境進(jìn)行抽象建模，階梯式建立光在彎曲狀物質(zhì)中的傳播路徑的物理模型。

3.2? ? 實(shí)驗(yàn)探究，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

學(xué)生利用自制彎曲玻璃磚開展探究實(shí)驗(yàn)，借助Tracker軟件動態(tài)捕捉入射角角度，分析入射角和臨界角的大小關(guān)系，以及其對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而檢驗(yàn)發(fā)生全反射的條件模型。

具體內(nèi)容：

教師：如果入射角大于臨界角，還能夠發(fā)生全反射嗎？

學(xué)生將彎曲玻璃磚置入空氣中，射入激光，并控制入射角大于臨界角。利用Tracker軟件對入射角的角度進(jìn)行動態(tài)追蹤測量，可以測得如圖8所示的入射角度變化曲線圖。例如，Tracker測得入射角為59.6°時(shí)，光在彎曲玻璃磚中發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖9所示。

學(xué)生計(jì)算臨界角，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析發(fā)現(xiàn)入射角大于臨界角時(shí)，均發(fā)生全反射現(xiàn)象，檢驗(yàn)并總結(jié)全反射發(fā)生的條件：

（1）光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)；

（2）入射角大于等于臨界角。

設(shè)計(jì)意圖：

通過問題引導(dǎo)以及實(shí)驗(yàn)探究，引導(dǎo)學(xué)生對于全反射發(fā)生條件進(jìn)行深入研究，通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而檢驗(yàn)全反射的發(fā)生條件這一條件模型，加深學(xué)生對于該物理模型的掌握程度。處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對Tracker軟件的操作，均能培養(yǎng)學(xué)生動手探究的能力以及實(shí)事求是的精神。

3.3? ? 歸納對比，完善模型

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

進(jìn)行“光射入置于食用油中的玻璃磚”實(shí)驗(yàn)，和先前“光射入置于空氣中的玻璃磚”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，利用Tracker軟件對比入射角相同時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的不同，從而完善全反射的條件模型。

具體內(nèi)容：

教師：如果臨界角增大了，是更易發(fā)生全發(fā)射還是更不易發(fā)生全反射？

學(xué)生進(jìn)行理論計(jì)算和邏輯推理，發(fā)現(xiàn)臨界角增大時(shí)，將更加不易發(fā)生全反射。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將有機(jī)玻璃磚置于食用油中，不斷改變?nèi)肷浣堑慕嵌?，利用Tracker軟件測量出入射角大小，并根據(jù)“光射入置于食用油中的玻璃磚”實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，選取相同入射角，對比觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。例如圖10，當(dāng)仍取入射角為59.6°時(shí)，此時(shí)并未發(fā)生全反射現(xiàn)象。

學(xué)生計(jì)算可得此時(shí)臨界角為80.6°，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)：當(dāng)玻璃磚從置于空氣到置于食用油中，原來的入射角均小于此時(shí)的臨界角，此時(shí)沒有發(fā)生全反射。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性，完善全反射概念知識：臨界角的角度增大，將更不易發(fā)生全反射現(xiàn)象。

教師：入射角度一致，比較當(dāng)發(fā)生折射和全反射時(shí)反射光強(qiáng)度大小是怎樣的？

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對比入射角度一致時(shí)反射光強(qiáng)度的大?。▓D11），發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)生折射時(shí)，反射光線的強(qiáng)度明顯小于發(fā)生全反射時(shí)反射光線的強(qiáng)度。

教師：為什么發(fā)生折射時(shí)的反射光強(qiáng)度小于發(fā)生全反射時(shí)的反射光強(qiáng)度？

學(xué)生：根據(jù)能量守恒定律（忽略玻璃對光線的吸收），發(fā)生折射時(shí)，入射光的強(qiáng)度等于反射光與折射光的強(qiáng)度之和；發(fā)生全反射時(shí)，入射光的強(qiáng)度等于反射光的強(qiáng)度。完善發(fā)生全反射和折射時(shí)反射光的強(qiáng)度對比。

設(shè)計(jì)意圖：

通過師生問答，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力。通過實(shí)驗(yàn)的對比，加深對臨界角該條件的認(rèn)識，并利用Tracker軟件測量了傳統(tǒng)教學(xué)方法難以測量的入射角角度問題，對理論進(jìn)行驗(yàn)證，完善物理模型。通過反射光強(qiáng)度對比，加強(qiáng)學(xué)生對于物質(zhì)的能量守恒觀念的認(rèn)識，真正做到理論和實(shí)踐相結(jié)合。

3.4? ? 變式遷移，應(yīng)用模型

應(yīng)用內(nèi)容：

教師利用“光射入彎曲玻璃磚”實(shí)驗(yàn)中光的傳播情況，以及全反射發(fā)生條件模型，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)光導(dǎo)纖維。學(xué)生應(yīng)用全反射發(fā)生條件解釋望遠(yuǎn)鏡的原理。

具體內(nèi)容：

學(xué)生根據(jù)所建立的全反射發(fā)生條件模型，對水流導(dǎo)光的引入問題進(jìn)行解釋。

應(yīng)用1：光導(dǎo)纖維。

教師提出問題：如何設(shè)計(jì)才能使得光導(dǎo)纖維避免外界環(huán)境干擾，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光信號傳輸？

學(xué)生小組討論，教師點(diǎn)撥，思考光導(dǎo)纖維的設(shè)計(jì)。

教師總結(jié)學(xué)生設(shè)計(jì)，介紹光導(dǎo)纖維的構(gòu)造與產(chǎn)生全反射的原理。展示光纖、光纖通信技術(shù)以及光纖傳輸圖像技術(shù)。

應(yīng)用2：全反射棱鏡。

學(xué)生認(rèn)識全反射棱鏡，并根據(jù)雙筒望遠(yuǎn)鏡的簡易結(jié)構(gòu)示意圖，繪出光路，解釋望遠(yuǎn)鏡的工作原理。

設(shè)計(jì)意圖：

學(xué)生根據(jù)這三個實(shí)際問題，嘗試應(yīng)用全反射發(fā)生條件模型。并可以在課后利用Tracker軟件自行對其中的光路和入射角等數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和科學(xué)探究精神。

4? ? 結(jié)? 論

新課標(biāo)注重考查學(xué)生對真實(shí)情境的處理解決能力，而物理模型建構(gòu)教學(xué)能夠幫助學(xué)生將實(shí)際問題中的對象轉(zhuǎn)化為物理模型，推動綜合性問題的分析推理，是培養(yǎng)處理真實(shí)問題能力的一大助力。教師在遵循輔助性原則、人本性原則、互補(bǔ)性原則等六個原則的基礎(chǔ)上，將Tracker這一信息技術(shù)軟件與物理模型的建構(gòu)教學(xué)進(jìn)行有效融合，能為物理模型教學(xué)打開新思路，解決部分傳統(tǒng)教學(xué)方法難以處理的問題。能讓學(xué)生在教學(xué)過程中感受到物理模型的建構(gòu)過程，促使學(xué)生加強(qiáng)物理和生活實(shí)際之間的聯(lián)系，提升學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

黨的二十大報(bào)告中明確強(qiáng)調(diào)要“推進(jìn)教育數(shù)字化”，現(xiàn)代化技術(shù)如何有效助力模型建構(gòu)教學(xué)，充分發(fā)揮物理模型建構(gòu)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵核心素養(yǎng)的作用，其探索永遠(yuǎn)在路上。

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（欄目編輯? ? 賈偉堯）

收稿日期： 2023-10-30

作者簡介：陶卓婷（2001-），女，碩士研究生，主要從事物理學(xué)科教學(xué)研究。

*通信作者：胡志娟（1978-），女，副教授，主要從事信息光學(xué)和學(xué)科教學(xué)（物理）研究。