巧用數(shù)碼攝像機(jī)突破實驗教學(xué)難點

[摘要]充分利用身邊的器材，改進(jìn)實驗，提高實驗的有效性是新課程改革的要求，也是提高創(chuàng)新能力的需要。文章巧妙運用數(shù)碼攝像機(jī)，突破實驗教學(xué)難點，具有一定的現(xiàn)實意義。

[關(guān)鍵詞]數(shù)碼攝像機(jī)實驗教學(xué)難點

[中圖分類號]G633.7[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]16746058（2015）110069

一、問題提出

隨著新課程改革的不斷深入，探究教學(xué)思想已深入人心。探究教學(xué)重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力。物理實驗是物理教學(xué)的重要組成部分，同時也是物理科學(xué)探究的重要思想和方法，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)具有重要意義。新課程要求重視物理實驗，讓學(xué)生親歷實驗過程，所以加強(qiáng)物理實驗是大勢所趨。

但是在實際教學(xué)中，一些實驗教學(xué)的效果并不是很好，表現(xiàn)為有些實驗需要難度較大的實驗條件，如頻閃照相在中學(xué)實驗條件下很難滿足；有些實驗需要長時間的觀測才可以完成，如波的干涉。筆者在教學(xué)中將數(shù)碼攝像機(jī)引入了課堂教學(xué)，配以多媒體軟件和投影儀等設(shè)備，提升了實驗的真實性，提高了學(xué)生的參與度。實際教學(xué)表明，數(shù)碼攝像機(jī)的使用非常貼近生活，學(xué)生的親切感強(qiáng)、熱情高，實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)的采集使學(xué)生興奮、好奇，產(chǎn)生了良好的教學(xué)效果，下面謹(jǐn)向大家介紹四個實例，希望能起到拋磚引玉的作用。

二、數(shù)碼攝像機(jī)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

（一）變瞬間為永恒，實現(xiàn)動態(tài)探究

人教版高中物理3-4《波的干涉》一節(jié)，學(xué)生對波的疊加、波的干涉等現(xiàn)象缺乏生活經(jīng)驗和感性認(rèn)識，教師在教學(xué)過程中，對波的疊加、干涉圖樣的繪制一般采用靜態(tài)圖片描繪或采用計算機(jī)模擬，這種處理方法不僅缺乏動態(tài)認(rèn)識，而且缺乏真實感。所以，在課堂中巧用攝像機(jī)，可以直接對真實的干涉現(xiàn)象進(jìn)行動態(tài)觀察、分析。

（1）利用燈光在水面上的反射，直接用攝像機(jī)鏡頭視頻輸出水槽中波的疊加實驗現(xiàn)象，并通過電腦傳輸?shù)酵队吧希▓D1、圖2）。

（2）將畫面投影到黑板上，再用粉筆來標(biāo)出這些點（標(biāo)點的同時和學(xué)生一起分析判斷，水波是加強(qiáng)的還是減弱的），再用紅色實線連出加強(qiáng)的線，用白色虛線連出減弱的線。其中畫面的上半部分可以利用對稱性補全（圖3、圖4）。

（3）根據(jù)這些線的分布，利用數(shù)學(xué)知識，波源到中間線上的點的距離是相同的，如果用波源的路程差|r1-r2|表示，應(yīng)該為0；相鄰的加強(qiáng)線上的點，由于波傳到這里的時間差是T，如果用路程來表示就是相差λ；傳播時間差2T的地方路程差為2λ……而減弱的點的路程差分別為λ/2，3λ/2……所以，路程差滿足nλ的點振動加強(qiáng)，滿足（n+1/2）λ的點振動減弱。

圖1圖2

圖3圖4

（二）變動為靜，進(jìn)行精確測量

人教版高中物理必修2中《研究平拋運動的規(guī)律》是具有代表性的一堂探究課。課堂教學(xué)中經(jīng)常使用頻閃照片來研究平拋運動在水平方向和豎起方向上的運動性質(zhì)，效果非常明顯。但是，在實際教學(xué)中很多學(xué)校沒有高頻攝像機(jī)，更別說讓學(xué)生親歷拍攝過程。

用數(shù)碼攝像機(jī)拍攝小球平拋的運動過程，并將其采集到多媒體電腦中，利用《超級解霸3500》自帶的“單幀”功能，記錄不同時刻小球的橫、縱坐標(biāo)，通過坐標(biāo)分析小球在水平和豎直方向上，在相等時間內(nèi)的位移變化，運用已有知識分析小球的位移隨時間的變化，分析判斷小球在水平和豎直方向上的運動性質(zhì)（圖5）。

圖5

在每次實驗所拍攝的影像中，有8—10幀圖像可看到小球的位置在坐標(biāo)方格內(nèi)，數(shù)據(jù)如下：其中圖6、圖7的實驗數(shù)據(jù)在第1次實驗中。

圖6圖7

第一次實驗：

第二次實驗：

數(shù)據(jù)處理：

水平方向上：在相等的時間間隔（451秒）內(nèi)，小球水平方向的位移基本相等，平均值為0.08m，由此可判斷小球水平方向上的運動性質(zhì)是勻速直線運動，且水平初速度大小約為1.02m/s。

豎直方向上：連續(xù)相同時間間隔內(nèi)的位移差均相等，可以判斷豎直方向上的運動為勻加速直線運動。又因為在451秒內(nèi)，連續(xù)相等時間內(nèi)的豎直方向位移差的平均值為Δx=0.06m，由勻變速直線運動的推論公式Δs=aT2，可求得此勻加速直線運動的加速度為9.754m/s2。與自由落體加速度很接近（上海北緯31012′重力加速為9.794m/s2），所以，可以進(jìn)一步判斷平拋運動在豎直方向的運動性質(zhì)為自由落體運動。

在得到平拋運動在水平方向和豎直方向運動性質(zhì)的基礎(chǔ)上，我們可以對平拋運動與自由落體運動的對比演示實驗進(jìn)行猜想和驗證，實驗過程用數(shù)碼攝像和“逐幀播放”功能，不僅可以聽到同時落地，學(xué)生還可以清晰地看到，在任何一幀內(nèi)，做平拋運動的小球和自由落體小球總在一條水平線直線上。

圖8（三）變快為慢，實現(xiàn)準(zhǔn)確分析

人教版高中物理必修2《曲線運動》一節(jié)中，探究曲線運動的速度方向是個難點。研究過程中我們可以讓學(xué)生投擲飛鏢，用攝像機(jī)拍攝飛鏢的飛行過程，用軟件《會聲會影》提圖9圖10取幀圖片，然后將這些圖片依次傳入計算機(jī)，利用圖像處理軟件（如Photoshop軟件）將這些照片合成在一張照片上（圖9）。在具體的教學(xué)中，我們可以將合成的圖片直接投影到大屏幕上，再用曲線擬合飛鏢的運動軌跡（圖10），學(xué)生就很容易研究物體做曲線運動過程中的速度方向，而且實驗貼近學(xué)生實際生活，學(xué)生親歷實驗過程。同時，又可以激發(fā)學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣，對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成具有重要的現(xiàn)實意義。

（四）變課外為課內(nèi)，拓展教學(xué)空間

人教版高中物理必修1《牛頓第一定律》，慣性和牛頓第一定律都比較抽象，伽利略的理想實驗也是一種重要的思想方法，學(xué)生真正理解起來是有難度的。教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生真正改變“力是運動的原因”這一直覺觀念非常困難，很多學(xué)生在分析物理問題時，總是不自覺地變成亞里士多德的“信徒”。

要改變這一現(xiàn)狀，在教學(xué)前，我們可以組織學(xué)生乘坐公交車，通過觀察公交車內(nèi)籃球、小掛件、和魚缸內(nèi)水的慣性現(xiàn)象，將課內(nèi)學(xué)習(xí)與課外體驗緊密結(jié)合起來，通過自己的觀察與體驗獲得力與運動關(guān)系的基本認(rèn)識，接著讓學(xué)生帶著問題回到課堂，體驗“理想實驗”的魅力，感受科學(xué)的思想方法，最后運用所學(xué)知識來解釋自身體驗與觀察的現(xiàn)象，效果非常明顯。我用錄像機(jī)記錄了整個體驗過程（圖11、圖12），這樣學(xué)生的參與度高，也激起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更拓展了教學(xué)的空間。同時，這樣也體現(xiàn)了“從生活走向物理，由物理走向社會”的理念。

圖11

圖12

三、回顧與思索

以上是筆者在教學(xué)中對數(shù)碼攝像機(jī)的應(yīng)用做的一些嘗試，事實證明，將攝像機(jī)引用到物理課堂教學(xué)中，效果非常好。用類似的方法還可以測定自由落體加速度、研究簡諧振動、演示超重失重現(xiàn)象等實驗。作為一線教師，我們要靈活地改進(jìn)實驗，創(chuàng)新整合現(xiàn)有的實驗器材資源，利用數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)等常見電子設(shè)備，增加實驗的可見度和可信度，讓學(xué)生親歷實驗過程，培養(yǎng)學(xué)生動腦、動手的能力，同時又可以激發(fā)學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣，這對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成具有重要的現(xiàn)實意義。

[參考文獻(xiàn)]

顧揚.創(chuàng)新實驗探究策略科學(xué)研究平拋運動[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2014（1-2）：96-97.

（責(zé)任編輯易志毅）