層級(jí)化實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)中學(xué)物理運(yùn)動(dòng)觀念形成

麥樹榮　彭曉春　陳泳儀

摘? ?要：運(yùn)動(dòng)觀念是中學(xué)物理觀念的重要內(nèi)容，通常運(yùn)動(dòng)觀念與相互作用觀念并在一起，注重研究運(yùn)動(dòng)特征產(chǎn)生的原因，忽視了運(yùn)動(dòng)的屬性觀、描述觀、形式觀與規(guī)律觀，忽視了運(yùn)動(dòng)觀念內(nèi)涵的分析與研究。通過中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理軟件的輔助應(yīng)用，從運(yùn)動(dòng)屬性的研究、運(yùn)動(dòng)徑跡的描述、運(yùn)動(dòng)形式的分析以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探究與總結(jié)，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)動(dòng)觀念的形成。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理分層實(shí)驗(yàn)；Tracker軟件；運(yùn)動(dòng)觀念

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2024）5-0061-5

運(yùn)動(dòng)觀念是中學(xué)物理觀念的重要內(nèi)容，物理學(xué)和生活中的很多問題，都可以用與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的守恒思想來統(tǒng)一描述，并得出了“運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的”結(jié)論，由此對(duì)運(yùn)動(dòng)的理解也從概念上升到了觀念的層次［1］。通過中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)展示運(yùn)動(dòng)的徑跡，并由Tracker軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，掌握運(yùn)動(dòng)的屬性、描述、形式及規(guī)律，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)觀念的形成。

1? ? “運(yùn)動(dòng)觀念”的內(nèi)涵

高中物理的運(yùn)動(dòng)是指機(jī)械運(yùn)動(dòng)，研究物體位置變化及變化的規(guī)律。在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》“機(jī)械運(yùn)動(dòng)與物理模型”模塊中要求用概念、圖像及公式對(duì)運(yùn)動(dòng)的特征進(jìn)行研究，從物理概念、物理實(shí)驗(yàn)、物理模型、物理圖像、數(shù)學(xué)規(guī)律、思維方法等方面提升對(duì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)對(duì)運(yùn)動(dòng)形式（如平拋運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、簡諧運(yùn)動(dòng)等）的研究［2］。

1.1? ? 運(yùn)動(dòng)的屬性觀

“日往則月來，月往則日來，日月相推而明生焉；寒往則暑來，暑往則寒來，寒暑相推而歲成焉?！闭f明運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的固有屬性，是絕對(duì)的，是永恒的，靜止則是相對(duì)的、暫時(shí)的和局部的，是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式。靜止是認(rèn)識(shí)、區(qū)分事物的基礎(chǔ)，運(yùn)動(dòng)打破靜止使事物向前發(fā)展，運(yùn)動(dòng)與靜止在一定條件下可以轉(zhuǎn)變。運(yùn)動(dòng)同物質(zhì)是不可分離的，物質(zhì)不能脫離運(yùn)動(dòng)而存在，運(yùn)動(dòng)也不能離開物質(zhì)而存在。世界上的各種現(xiàn)象，都是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式。高中物理運(yùn)動(dòng)觀念是指機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特殊性和規(guī)律性。

1.2? ? 運(yùn)動(dòng)的描述觀

如何描述運(yùn)動(dòng)呢？需要引入一些描述運(yùn)動(dòng)所需的基本概念，諸如“質(zhì)點(diǎn)”“位移”“時(shí)間”“速度”“加速度”等。再結(jié)合圖像、公式、運(yùn)動(dòng)的徑跡進(jìn)行科學(xué)分析與研究。概念是對(duì)現(xiàn)實(shí)情境的整合與抽象，通過具體情境的分析來建立概念，這是一個(gè)建模的過程。將具體的物理對(duì)象或過程抽象為物理模型，是物理學(xué)的重要研究方法。利用這種方法可以先抽取概念模型，再建構(gòu)各類運(yùn)動(dòng)的模型，利用概念深度分析各類的運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)描述，再結(jié)合日常生活情境將這些模型用于生產(chǎn)生活實(shí)踐中。

1.3? ? 運(yùn)動(dòng)的形式觀

運(yùn)動(dòng)的形式就是物質(zhì)的存在和變化的形式，不同的運(yùn)動(dòng)形式反映了運(yùn)動(dòng)的不同種類，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)包括宇宙中發(fā)生的一切變化和過程，運(yùn)動(dòng)形式廣義可分為機(jī)械運(yùn)動(dòng)、物理運(yùn)動(dòng)、化學(xué)運(yùn)動(dòng)、生物運(yùn)動(dòng)、社會(huì)運(yùn)動(dòng)等。

自然界中的一切物體都在不停運(yùn)動(dòng)，從高中物理視域上看，運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)豐富多彩，例如機(jī)械、分子、電磁、原子等；運(yùn)動(dòng)的形式變化多端，例如直線運(yùn)動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、變速曲線運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)等。如何研究運(yùn)動(dòng)的形式呢？依據(jù)研究領(lǐng)域的不同，可以分為機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)和原子及原子核內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)［3］。

1.4? ? 運(yùn)動(dòng)的規(guī)律觀

物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)都遵循著相應(yīng)的規(guī)律，中學(xué)物理表現(xiàn)為：（1）勻速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律、勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律；（2）拋體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、勻速圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律；（3）電荷及電流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；（4）機(jī)械的振動(dòng)與傳播規(guī)律、電磁波與光傳播規(guī)律；（5）分子的熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律、氣體狀態(tài)方程。

2? ? 中學(xué)物理運(yùn)動(dòng)觀念研究

通過CNKI查閱，近十年來有關(guān)“運(yùn)動(dòng)觀念”的文獻(xiàn)數(shù)共計(jì)14篇，關(guān)于“中學(xué)物理運(yùn)動(dòng)觀念”的文獻(xiàn)數(shù)為1篇，物理觀念下的“運(yùn)動(dòng)觀念”究竟是什么？包含了哪些內(nèi)容沒有具體說明？因長期以來對(duì)于中學(xué)物理運(yùn)動(dòng)觀念的研究總是與相互作用的觀念結(jié)合在一起，重視關(guān)注運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象背后力學(xué)的原因。中學(xué)物理教師忽視了對(duì)中學(xué)物理運(yùn)動(dòng)特征的研究以及對(duì)運(yùn)動(dòng)觀念內(nèi)涵的充分認(rèn)識(shí)，使得物理學(xué)科核心素養(yǎng)運(yùn)動(dòng)觀念難以落實(shí)。在物理學(xué)史上對(duì)于運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究經(jīng)歷了一個(gè)長期的過程，從歷史角度去認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)觀念，可獲得一些方法與體驗(yàn)。

大約在16世紀(jì)，第谷非常器重開普勒，因?yàn)殚_普勒數(shù)學(xué)能力強(qiáng)，第谷請(qǐng)來開普勒當(dāng)自己的助手，并且強(qiáng)調(diào)在天文的研究中一定要尊重觀測(cè)事實(shí)。1601年第谷去世，他將自己二十多年的天文觀測(cè)資料留給了開普勒。開普勒視恩師留下的觀察資料為珍寶，并且相信天體的運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的，這些規(guī)律亦可適用于盡可能多的星辰。于是，開普勒運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對(duì)第谷的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行系統(tǒng)分析和整理。在當(dāng)時(shí)那個(gè)年代，在龐大的數(shù)據(jù)之中尋找到普適的規(guī)律如同大海撈針一般。在獲得各行星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的周期和平均距離以后，通過數(shù)據(jù)觀察，隨著周期增大，平均距離也在增大。第一步可以計(jì)算a/t，檢測(cè)a與T是否存在正比關(guān)系；通過正比例關(guān)系的計(jì)算，觀察分析得到數(shù)據(jù)，需要增大平均距離。第二步可以計(jì)算a2/t，檢測(cè)a2與T是否存在正比關(guān)系；通過a2/t的計(jì)算數(shù)據(jù)，觀察分析也沒有正比關(guān)系，此處不用再計(jì)算a2/t2。進(jìn)一步計(jì)算a2/t3，得到了令人驚奇的結(jié)果（表1）。

開普勒做了多達(dá)70次艱苦而復(fù)雜的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)緯度的誤差最大仍可達(dá)到0.133弧度，開普勒?qǐng)?jiān)信第谷的測(cè)量工作是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，開普勒放棄了偏心圓的假設(shè)，終于證明了開普勒第一定律，也叫橢圓定律。開普勒后來說：“8弧分不能忽視，正是這一點(diǎn)，導(dǎo)致了天文學(xué)上的一場(chǎng)徹底革命”。

現(xiàn)代信息技術(shù)為數(shù)據(jù)處理提供了更多便利，通過觀察發(fā)現(xiàn)記錄運(yùn)動(dòng)系列數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)背后所隱藏的運(yùn)動(dòng)形式與規(guī)律，這是建構(gòu)運(yùn)動(dòng)觀念最本源的途徑。在中學(xué)物理中運(yùn)動(dòng)形式主要研究內(nèi)容為：勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、拋體運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、簡諧運(yùn)動(dòng)、機(jī)械波傳播、電磁波傳播、電子躍遷等。

3? ? 以中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)促進(jìn)運(yùn)動(dòng)觀念形成的深度教學(xué)策略

在新課程標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于運(yùn)動(dòng)觀念的描述是缺失的，其包含的內(nèi)容及研究的方法沒有具體的說明與指導(dǎo)。從物理學(xué)史的角度來看，研究運(yùn)動(dòng)形式及規(guī)律發(fā)現(xiàn)的歷程與實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析是難以分開的。

3.1? ? 通過中學(xué)物理分層實(shí)驗(yàn)建構(gòu)模型促進(jìn)運(yùn)動(dòng)觀念的形成

對(duì)生產(chǎn)生活實(shí)踐中的某個(gè)具體對(duì)象、條件或過程而抽象化的、理想化的物理情境就叫物理模型。物理運(yùn)動(dòng)模型就是針對(duì)物體所經(jīng)歷的過程、物體所處的狀態(tài)進(jìn)行抽象化、理想化的處理，便于對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的形式、本質(zhì)及規(guī)律進(jìn)行研究。例如，勻速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞和簡諧運(yùn)動(dòng)等。我們中學(xué)所研究的物理運(yùn)動(dòng)大多來源于生產(chǎn)生活中，通過創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行理想化處理，并針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與總結(jié)，認(rèn)清運(yùn)動(dòng)特征、本質(zhì)及規(guī)律，建構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型（圖1）。

3.2? ? 通過中學(xué)物理分層實(shí)驗(yàn)建構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型促進(jìn)運(yùn)動(dòng)觀念形成的案例

物理是一門貼近生活的學(xué)科，而生活中的現(xiàn)象紛繁復(fù)雜，對(duì)于某一研究對(duì)象與過程存在諸多外界的影響因素。建模就是要去掉這些外界因素，抽象出簡單、清晰、理想的模型。

3.2.1? ? 自由落體運(yùn)動(dòng)模型的建構(gòu)

自由落體運(yùn)動(dòng)是最經(jīng)典的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在日常生活中物體下落的運(yùn)動(dòng)與自由落體運(yùn)動(dòng)是不一樣的，如何建構(gòu)自由落體運(yùn)動(dòng)的模型呢？自由落體運(yùn)動(dòng)模型建構(gòu)如表2所示。

3.2.2? ? 受迫振動(dòng)模型的建構(gòu)

耳機(jī)中膜片的振動(dòng)、彈奏鋼琴時(shí)琴鍵振動(dòng)以及風(fēng)吹大橋橋身的晃動(dòng)是生活中的受迫振動(dòng)，怎樣使學(xué)生認(rèn)識(shí)受迫振動(dòng)，理解其產(chǎn)生的原因及特征呢？受迫振動(dòng)模型建構(gòu)如表3所示。

3.3? ? 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合Tracker軟件促進(jìn)運(yùn)動(dòng)觀念形成的教學(xué)方法

Tracker軟件是一個(gè)建立于開源物理架構(gòu)下的影像分析與建模的工具，其工作原理是通過分析物理實(shí)驗(yàn)的視頻，追蹤視頻中所研究質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而高效得出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。探尋將Tracker軟件應(yīng)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略，可有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

3.3.1? ? 恰當(dāng)選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，凸顯軟件優(yōu)勢(shì)

Tracker軟件能精確追蹤質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。因此應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)學(xué)，尤其是復(fù)雜、抽象的運(yùn)動(dòng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中更能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。如研究多個(gè)物體的關(guān)聯(lián)速度時(shí)（圖2），通過軟件分析可清晰看到關(guān)聯(lián)物體的運(yùn)動(dòng)特征，幫助學(xué)生建立、理解物理模型，為后續(xù)的計(jì)算講解奠定基礎(chǔ)。

3.3.2? ? 合理利用軟件資源，深入探究運(yùn)動(dòng)規(guī)律

Tracker軟件對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析是較為全面的，合理利用其功能對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很大助益。以最常見的單擺運(yùn)動(dòng)為例，在一定條件下單擺運(yùn)動(dòng)可看作是簡諧運(yùn)動(dòng)，部分學(xué)生因抽象思維發(fā)展還不成熟，很難將擺球的往返運(yùn)動(dòng)與簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像聯(lián)系起來，從而難以理解和掌握其中的物理概念、規(guī)律。通過Tracker軟件對(duì)單擺小球進(jìn)行分析，可直觀呈現(xiàn)其簡諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律（圖3），幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。此外，該實(shí)驗(yàn)視頻還可應(yīng)用在“用單擺測(cè)量重力加速度”實(shí)驗(yàn)中，用于準(zhǔn)確測(cè)量單擺的運(yùn)動(dòng)周期。

3.3.3? ? 整合改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力

受實(shí)驗(yàn)儀器精度不夠、實(shí)驗(yàn)效果不明顯、創(chuàng)新性不足等條件的制約，傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展困難重重，利用Tracker軟件可有效整合、改進(jìn)部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。如在探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)，學(xué)生利用平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)演示儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于小球運(yùn)動(dòng)的時(shí)間太短，很多學(xué)生并非“看到”而是“聽到”兩個(gè)小球相遇。為了進(jìn)一步探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，教師可引導(dǎo)學(xué)生利用Tracker軟件從提高實(shí)驗(yàn)的精確度、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化等方面改進(jìn)實(shí)驗(yàn)（圖4）。

運(yùn)動(dòng)觀念是中學(xué)物理觀念的重要內(nèi)容之一，通常運(yùn)動(dòng)觀念與相互作用觀念并在一起，更注重研究運(yùn)動(dòng)特征產(chǎn)生的原因，由此忽視了運(yùn)動(dòng)的屬性觀、描述觀、形式觀與規(guī)律觀，忽視了運(yùn)動(dòng)觀念內(nèi)涵的分析與研究。通過中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理軟件的輔助應(yīng)用，從運(yùn)動(dòng)屬性的研究、運(yùn)動(dòng)徑跡的描述、運(yùn)動(dòng)形式的分析以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探究與總結(jié)進(jìn)行深度教學(xué)研究，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)觀念形成。

參考文獻(xiàn)：

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［4］周偉波，李陽，林曉盈.物理核心素養(yǎng)的融合框架初探——以“開普勒三大定律的發(fā)現(xiàn)”為例［J］.物理教學(xué)探討，2019，37（4）：15-18.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：2024-02-21

基金項(xiàng)目：廣東省教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃課題“中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)師生合作創(chuàng)新SSCC模式的建構(gòu)與實(shí)踐”（2021YQJK051）；課程教材研究所校本課程建設(shè)推進(jìn)項(xiàng)目第六批課題“中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)遷移創(chuàng)新項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的校本課程開發(fā)與實(shí)施”（JCSXBKC06005）。

作者簡介：麥樹榮（1977-），男，中學(xué)高級(jí)教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)工作。