數(shù)碼探在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

黃紹琴

新課程實(shí)施以來(lái)，探究式教學(xué)在課堂教學(xué)中所占的比重越來(lái)越大。在高中物理課教學(xué)中，探究式教學(xué)應(yīng)用廣泛，尤以實(shí)驗(yàn)探究（通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法獲取新知）和理論探究（將探究式組織形式和演繹推理相結(jié)合）為重。近年來(lái)，隨著手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、iPad、計(jì)算機(jī)、Internet在生活中的普及，科學(xué)的形態(tài)在實(shí)物實(shí)驗(yàn)和數(shù)理邏輯之后，出現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)手段的第三種形態(tài)——計(jì)算，北京師范大學(xué)物理學(xué)系教授項(xiàng)華隨之提出了一種新的數(shù)據(jù)探究學(xué)習(xí)方式，即基于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、網(wǎng)絡(luò)搜索引擎等信息技術(shù)的探究式學(xué)習(xí)方式，簡(jiǎn)稱數(shù)碼探。下面我以單擺的課堂教學(xué)為例，談?wù)剶?shù)碼探在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用。

一、教材及教學(xué)分析

學(xué)習(xí)單擺之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)及其圖像，了解到簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像是一條正（余）弦曲線。單擺是作為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的實(shí)例呈現(xiàn)的，知識(shí)點(diǎn)包括單擺的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、受力情況和圖像特點(diǎn)，教學(xué)重點(diǎn)是單擺振動(dòng)的特點(diǎn)和單擺周期公式的探究。

（一）關(guān)于單擺振動(dòng)的特點(diǎn)——簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

教材呈現(xiàn)：在單擺的振動(dòng)特點(diǎn)的學(xué)習(xí)中，教材先利用墨水?dāng)[的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生定性認(rèn)識(shí)單擺的振動(dòng)圖像，初步認(rèn)識(shí)單擺的運(yùn)動(dòng)是一種簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)；然后對(duì)單擺進(jìn)行受力分析，證明單擺的回復(fù)力F回=-kx，進(jìn)而從理論角度證明了單擺確實(shí)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

教學(xué)分析：在墨水?dāng)[的實(shí)驗(yàn)中，由于墨水不斷滴下，單擺的重心在下降，擺長(zhǎng)變長(zhǎng)，周期會(huì)改變，此外，人拉白紙的過(guò)程也不能保證勻速，因而對(duì)應(yīng)的圖像是否正（余）弦曲線按理說(shuō)應(yīng)該有不確定性。

（二）定性和定量探究單擺的周期公式

教材呈現(xiàn)：在單擺周期公式的探究中，教材采用了定性和定量相結(jié)合的方案。先是通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示和實(shí)驗(yàn)觀察的方式，定性探究單擺的周期與振幅、質(zhì)量、擺長(zhǎng)等物理量之間的關(guān)系，得出單擺的周期只與擺長(zhǎng)有關(guān)的結(jié)論；然后定量探究單擺的周期與擺長(zhǎng)的關(guān)系，在周期的測(cè)量上采用累積法，以減小周期的測(cè)量誤差。

教學(xué)分析：受教室實(shí)驗(yàn)條件限制，在演示實(shí)驗(yàn)中，單擺的擺長(zhǎng)在一米左右是比較容易操作的。但是，通過(guò)單擺周期公式計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，0.75米到1.5米之間的擺長(zhǎng)，其擺動(dòng)周期相差不大，相差在0.5s左右，學(xué)生憑肉眼觀察很難發(fā)現(xiàn)單擺的周期與擺長(zhǎng)有多大關(guān)聯(lián)。在定量測(cè)量中，受各方面影響，學(xué)生用常規(guī)方法測(cè)量時(shí)間也會(huì)有一定誤差。

二、利用數(shù)碼探改進(jìn)教學(xué)的嘗試

針對(duì)上述分析，為盡量減少實(shí)驗(yàn)誤差，我決定利用數(shù)碼設(shè)備和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)單擺的振動(dòng)圖像的得出過(guò)程及對(duì)周期公式的定性、定量探究過(guò)程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

我們需要用到的數(shù)碼設(shè)備有：攝像頭，Mr.captor3.0頻閃截圖軟件，ACDSee6.0圖片處理軟件。

（一）單擺振動(dòng)圖像的獲得

1.設(shè)備安裝。將一個(gè)攝像頭和電腦連接，對(duì)準(zhǔn)單擺的擺球進(jìn)行拍攝，以便在電腦屏幕上顯示擺球的運(yùn)動(dòng)；利用頻閃截屏軟件Mr.captor3.0，可以設(shè)定為每隔0.05秒到0.1秒截取屏幕上劃定區(qū)域的圖像，這樣就實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和物體位置的同步測(cè)量，如圖1。

2.圖片截獲。實(shí)驗(yàn)開始，我選用了0.1s來(lái)截取圖片。Mr.Captor3.0會(huì)在截圖的存放文件夾中自動(dòng)命名一系列圖片文件，將這些圖片按照時(shí)間順序排序，如圖2。其中的每一幅圖片都詳細(xì)地記錄了擺球在某一時(shí)刻的準(zhǔn)確位置。

3.圖片瀏覽。用圖片瀏覽器既可以單張逐個(gè)瀏覽圖片，也可以用自動(dòng)播放方式整體觀察單擺的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)。

4.生成單擺的位移-時(shí)間圖像。用ACDSee6.0的圖冊(cè)功能即可生成一系列圖像的拼圖，這就是單擺的位移-時(shí)間圖像，如圖3。

學(xué)生既可以單張查看圖片，也可以放慢過(guò)程來(lái)觀察單擺的運(yùn)動(dòng)；利用拼圖來(lái)得到單擺的振動(dòng)圖像，能有效地幫助學(xué)生建立感性認(rèn)識(shí)。相對(duì)墨水?dāng)[實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，數(shù)碼探的實(shí)驗(yàn)方法顯然更加直觀明了。

（二）定性定量探究單擺的周期公式

1.圖片獲取與觀察。采用控制變量法，分別只改變振幅、質(zhì)量、擺長(zhǎng)等物理量，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)操作，可得出一系列新的位移-時(shí)間圖像，供我們研究單擺的周期與振幅、質(zhì)量、擺長(zhǎng)等物理量之間的關(guān)系。圖4為改變同一小球的振幅后得出的兩張不同的位移-時(shí)間圖像，圖5分別是大小相同的鐵球和塑料球的位移-時(shí)間圖像，圖6是不同擺長(zhǎng)的同一小球的位移-時(shí)間圖像。

同一小球，振幅不同。振幅A：T=1.67s，振幅B：T=1.68s

（注：由于選定的頻閃區(qū)域不同，大小有視差）

大小相同的鐵球和塑料球。鐵球T=1.68s，塑料球T=1.68s

同一小球，擺長(zhǎng)不同。擺長(zhǎng)0.85m：T=1.69s；擺長(zhǎng)1m：T=1.82s

觀察以上圖像變化可以很明顯地發(fā)現(xiàn)，單擺的周期只與擺長(zhǎng)有關(guān)，而與振幅、質(zhì)量無(wú)關(guān)。清晰準(zhǔn)確的演示實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生獲得充分的感性認(rèn)識(shí)，這就為學(xué)生進(jìn)入下一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)單擺周期公式與擺長(zhǎng)的定量探究打下了心悅誠(chéng)服的“信任基礎(chǔ)”。

2.定量探究單擺的周期與擺長(zhǎng)的關(guān)系。采用以上方法獲取不同擺長(zhǎng)下單擺的頻閃圖片，用Excel表格處理，得到數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出結(jié)論：T2=3.3984L，T2∝L。如圖7。

理論上：T 2=[4π2g]L[≈]3.9478L；在實(shí)驗(yàn)誤差許可的范圍內(nèi)，有T 2=[4π2g]L成立。上面的探究，不僅讓學(xué)生探究出周期的平方與擺長(zhǎng)成正比，而且利用獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論上的單擺周期公式做比較，從實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了單擺的周期公式，進(jìn)而加深了學(xué)生對(duì)單擺周期公式的認(rèn)識(shí)。

數(shù)碼探在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這一個(gè)案例。比如利用幾何畫板的測(cè)量功能、Mr.captor3.0頻閃截屏功能以及對(duì)應(yīng)的圖片處理軟件（如ACDSee6.0）對(duì)高中階段的勻變速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)等知識(shí)點(diǎn)展開數(shù)據(jù)探究，效果也很好。（作者為2011年本科畢業(yè)的青年教師） （責(zé)編 白聰敏）