IYPT模式下利用“Trakcer與光電門”開展互補性探究*

李桂旺 耿宜宏

(江蘇省前黃高級中學(xué) 江蘇 常州 213161)

IYPT模式下利用“Trakcer與光電門”開展互補性探究*

李桂旺 耿宜宏

(江蘇省前黃高級中學(xué) 江蘇 常州 213161)

“IYPT” 目前在國內(nèi)依然是具有創(chuàng)新性質(zhì)的前瞻性項目．借鑒“IYPT”項目，通過學(xué)生匯報交流答辯的方式開展課堂教學(xué)，既能夠讓(部分)學(xué)生充分體驗開放式全真探究，也能夠讓所有同學(xué)通過聽取匯報感同身受，有利于激發(fā)學(xué)生的探究熱情，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)．

IYPT tracker軟件 課堂教學(xué) 實驗探究

課堂教學(xué)具有相對集中，易于組織統(tǒng)一教學(xué)的特點．尤其是講授課更為適合，而現(xiàn)有的中小學(xué)教學(xué)中講授所占的比例非常大．隨著教學(xué)改革的不斷推進，出現(xiàn)了不少創(chuàng)新的課堂教學(xué)方式，但教師的講授在課堂教學(xué)中依然是最重要的角色．

物理是以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，很多概念、規(guī)律的形成都是以實驗為基礎(chǔ)的，因此實驗教學(xué)便成了物理課堂教學(xué)的常態(tài)．從過去重知識的掌握到現(xiàn)在重知識的形成過程，從而使得“探究教學(xué)”廣泛存在于現(xiàn)有的課堂教學(xué)中．

1 常規(guī)實驗探究教學(xué)

物理課堂教學(xué)中的實驗一般有演示實驗、分組實驗等．限于時間與效率的制約，常態(tài)課中的實驗教學(xué)一般以演示實驗為主．一般在公開課、展示課中會看到有學(xué)生參與的演示實驗、或體驗性實驗或?qū)W生小組合作實驗．因為重過程的探究性實驗教學(xué)時間很難把控，可能會影響課堂效率．這就使得“探究實驗教學(xué)”停留在有想法、少做法的層面上．而且常規(guī)的實驗教學(xué)是在教師預(yù)設(shè)下展開的．如果出現(xiàn)環(huán)境、器材等外界因素的變化，超出了預(yù)設(shè)范疇，會產(chǎn)生事倍功半甚至失敗的局面．為了能夠使這種狀況得到改善，我們開展了創(chuàng)新嘗試．

2 借鑒IYPT模式嘗試創(chuàng)新探究

2.1 IYPT是什么

IYPT的中文全稱是青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽，這種模式是由物理學(xué)家尤諾索夫(Evgeny Yunosov)于1979年最早提出的，最初被莫斯科大學(xué)用于選拔優(yōu)秀學(xué)生．IYPT賽題都是貼近實際生活的開放性物理問題，其主要目的是訓(xùn)練學(xué)生針對實際物理問題合作研究、發(fā)表觀點和進行辯論的能力，并特別強調(diào)團隊協(xié)作、開放思維和表達(dá)能力，流程如圖1所示．

圖1 IYPT比賽流程

IYPT是2010年后隨著我國部分高校認(rèn)真研究了IYPT的理念和競賽方式等各環(huán)節(jié)，充分認(rèn)識到這個活動對提高大中學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、協(xié)作精神和實踐能力具有積極的意義．此后IYPT的競賽模式在我國進行推廣，因而決定舉辦中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽CUPT，后來延伸到中學(xué)生當(dāng)中．

IYPT的實質(zhì)是科學(xué)探究后通過匯報方式以團隊的形式進行的物理辯論對抗賽．提前一年公布需要探究的問題，賽題具有開放性、探究性，解決問題過程的多樣性和不確定性，需要學(xué)生具備一定的理論基礎(chǔ)、實驗技能及較強的合作意識．比賽中共分為3支隊伍(正方、反方和評論方)．

2.2 IYTP的借鑒

鑒于現(xiàn)有課堂中探究教學(xué)的不足和IYPT項目探究的特點，筆者在物理課堂教學(xué)中嘗試融入PT方式．限于時間與空間的約束，不完全照搬．主要是讓部分有條件學(xué)生利用課余時間親力親為，主動參與，開放式全真探究．然后在課堂中通過匯報交流答辯的方式開展教學(xué)，能夠讓所有同學(xué)感同身受．更重要的是，利用“IYPT”方式(筆者將這種方式開展的課稱為“PT”課型)的探究教學(xué)活動，能夠盡量排除很多教師經(jīng)驗性的預(yù)設(shè)因素，讓學(xué)生在原生態(tài)環(huán)境中去感受探究的樂趣，包括探究過程中遇到的各種困難以及如何克服困難的體驗．真正意義上全方位培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，提升學(xué)生探究能力和分析問題解決問題的能力．

3 IYPT模式在“探究碰撞中的不變量”中的嘗試

我校(江蘇省前黃高級中學(xué))自2012年開始嘗試JSYPT(由江蘇省教育廳、江蘇省物理學(xué)會組織的創(chuàng)新學(xué)術(shù)辯論賽)項目，它與IYPT是同一種模式．開展至今，在各級比賽中都取得了優(yōu)異的成績[1]．2015年我校在這個項目的基礎(chǔ)上成功申報江蘇省“啟·創(chuàng)”物理實踐課程基地，使得項目活動的開展有了廣闊的平臺和相當(dāng)?shù)摹叭罕姟被A(chǔ)，在本地區(qū)及該領(lǐng)域有了一定的影響力．

3.1 課堂教學(xué)設(shè)計方案

(1)通過播放視頻觀察生活中常見的碰撞現(xiàn)象(交通汽車碰撞、臺球運動和冰壺運動)并建立“碰撞”的物理概念．根據(jù)化繁為簡的基本思路，引入“牛頓擺”的演示實驗．通過觀察交流分析小球間依次發(fā)生一維碰撞，并建立“一維碰撞”的概念．

(2)從各種“碰撞”中是否存在一定規(guī)律的角度，引出“電荷守恒定律”和“機械能守恒定律”，從而嘗試研究“碰撞中是否也存在‘不變量’”的規(guī)律，即產(chǎn)生問題．

(3)考慮到課堂教學(xué)的實際，將學(xué)有余力和有興趣的同學(xué)分成幾個小組，提出問題后利用課余時間各自相對獨立地開展探究(大約2周左右以保證得到相對充分的探究)．每組同學(xué)選擇一種合適的探究方案，教師可進行適當(dāng)?shù)姆较蛐院图夹g(shù)性的幫助，通過探究，最終形成研究報告(PPT展示)．重點匯報：方案確定的依據(jù)(包括排除其他方案排除的原因或困難)、實驗探究詳細(xì)過程(模型、原理、器材、表格設(shè)計、數(shù)據(jù)測量和分析、初步結(jié)論和誤差分析)，課堂中所有同學(xué)以及教師共同參與交流討論，項目小組同學(xué)答辯——此即為“IYPT”模式的借鑒．

(4)借以項目探究的小球碰撞“速度交換”現(xiàn)象總結(jié)產(chǎn)生的條件，分析“牛頓擺”現(xiàn)象的原因．同時介紹“冰壺比賽”中“打定”的技術(shù)原理，理論回歸．

3.2 “Tracker”與“光電門” 方案互補探究、匯報及答辯實錄

規(guī)律的探究結(jié)論一般應(yīng)該具有普遍性，即便是在特定條件下的某些規(guī)律，也必須是滿足條件的前提下具有普遍性．比如：只要滿足“只有重力(彈力)做功”的前提下，系統(tǒng)機械能就應(yīng)該守恒．在探究過程中就需要考慮盡可能多的變量，然而并不是所有的變量的測量與監(jiān)控都是很方便的．雖然規(guī)律本身在所有模型中都是成立的，但實際探究中有些模型X變量的測量監(jiān)控比較方便，有些模型中Y變量的測量監(jiān)控比較方便．這時我們需要可以考慮利用多個模型的互補式方案來探究．本例就是在“探究碰撞中的不變量”時就借鑒“IYPT”模式，采用分組多模型互補方案開展探究的嘗試.

3.2.1 “Tracker”方案

方案模型

小球在水平軌道槽的運動碰撞，利用高速攝像機將碰撞前后的過程拍攝成小視頻，通過天平(或電子秤)測量出小球的質(zhì)量，運用PC版Tracker追蹤軟件分析碰撞前后的速度進行探究．

變量分析

小球的質(zhì)量；小球運動的速度；碰撞接觸面的性質(zhì)(不方便監(jiān)控).

方案確定

(1)實驗器材.金屬導(dǎo)軌槽、金屬導(dǎo)軌、一對相同的金屬球、一對大小相同但質(zhì)量不同的金屬球與玻璃球、高清攝像機、電腦(Tracker追蹤分析軟件)；

(2)研究對象.一對相同的金屬球；一個金屬球與一個大小相同的玻璃球(體積相同)；

(3)研究手段.拍攝各種情況碰撞過程的視頻，通過Tracker追蹤分析出碰撞前后的速度；

(4)猜想“不變量”.

方案實施

(1)用天平稱量小球質(zhì)量：兩個相同大鋼球的質(zhì)量為32.6 g，小鋼球質(zhì)量為21.7 g，玻璃球質(zhì)量為5.5 g.

(2)調(diào)節(jié)軌道槽口豎直，確保小球沿槽滾動，并用熱熔膠固定，將兩個球放在軌道上以多種方式發(fā)生碰撞．

(3)利用高速攝像機(用200fps拍攝)拍攝成高清視頻，如圖2所示，利用Tracker追蹤軟件分析碰撞前后的運動情況.

圖2 利用高速攝像機拍攝成高清視頻

記錄處理

數(shù)據(jù)處理：Tracker軟件可以在定義坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，追蹤每一幀小球所在位置．利用Tracker分別獲取碰撞前瞬間與碰撞后瞬間(各5幀左右)大約0.025 s時間．該軟件可以直接生成前5幀的位移與時間圖像和后10幀的位移與時間圖像．如圖3所示，由x-t圖線擬合可以得到斜率即為速度大?。?dāng)?shù)據(jù)用“-”表示反方向速度．

圖3 位移時間圖像

表格中的Δ表示物理量的絕對差值，Δ′表示相對差值

情形1：一個鋼球靜止，一個鋼球運動 (m1=m2=32.6 g).

表1情形1實驗數(shù)據(jù)

在這種情況下，發(fā)現(xiàn)所猜想的3種關(guān)系都是“不變量”．

情形2：兩個鋼球以不同速度對碰(m1=m2=32.6 g).

表2情形2實驗數(shù)據(jù)

在這種情況下，所猜想的3種關(guān)系都是“不變量”.

情形3：一個鋼球前進，另一個鋼球追及(m1=m2=32.6 g).

表3情形3實驗數(shù)據(jù)

這時所猜想的3種關(guān)系依然都是“不變量”

情形4：運動的玻璃球碰撞靜止的金屬小球

(m1=5.5g，m2=21.7 g).

表4情形4實驗數(shù)據(jù)

這種情況下，所猜想的關(guān)系前2個是“不變量”，第3個不是“不變量”．

當(dāng)然玻璃球與金屬球還做了其他幾種情況的實驗，所得到的結(jié)論也是前2個“不變”，第3個不是“不變量”．

分析歸納

誤差分析

(1)實驗過程中小球的滾動會產(chǎn)生實驗誤差；

(2)實驗過程中利用Tracker追蹤時手動捕捉位置會產(chǎn)生誤差；

(3)拍攝相機的畸變會產(chǎn)生微小誤差.

交流討論

生：熱烈鼓掌中……

師：下面進入討論環(huán)節(jié)，相互交流，可以提問，同項目小組的其他成員都可以回答或主動補充說明．

生甲：你們是以什么方式給小球提供初速度的？

成員：將小球放在軌道上，利用手指彈出的方向提供初速度，但是在彈球時不能猶豫．

生甲：謝謝！

生乙：小球運動過程中的摩擦力影響大嗎？

成員：有影響，但由于我們利用高速視頻抓幀的方式，截取碰撞前后極短的時間，所以這個影響很?。?/p>

生乙：謝謝！

生丙：在前2組實驗中式(1)與式(3)的差值為什么會一樣？第3組的式(1)與式(3)的差值就不一樣了．

成員：我們在探究到第2組后有成員就發(fā)現(xiàn)了這個問題，主要原因是這2組實驗中小球的質(zhì)量相等，所以式(1)差值與式(3)的差值必然相等．

生丙：謝謝！

師：你們這種方案有沒有什么不足或遺憾的地方？

組長：我們當(dāng)初設(shè)計方案時考慮到質(zhì)量、速度的變量還考慮到小球碰撞的性質(zhì)的問題，因為小球鋼性較好，機械能損失極小．本想設(shè)計用雙面膠等，實際操作中發(fā)現(xiàn)，用了雙面膠或橡皮泥，嚴(yán)重影響了小球的運動(滾動)．

3.2.2 “光電門”方案

方案設(shè)計

考慮到利用氣墊導(dǎo)軌加滑塊和光電門的方案，如圖4所示．優(yōu)點是質(zhì)量與速度都方便測量，而且摩擦力也很?。鲎驳慕佑|性質(zhì)方便調(diào)節(jié)．

圖4 “光電門”方案

變量測量

滑塊的質(zhì)量；滑塊運動速度；改變接觸性質(zhì).

方案實施

實驗中嘗試盡可能多的變量：利用天平測量質(zhì)量；利用光電門加數(shù)字計時器間接測量滑塊的速度．通過彈簧片、橡皮泥和雙面膠改變接觸性質(zhì)．進行各種情況的實驗(課堂上播放不同情形的實驗拍攝的短小視頻).

數(shù)據(jù)分析

質(zhì)量分配不同情形.

猜想的可能“不變量”表達(dá)式分析：與項目1小組猜想的情況相同．

記錄說明：t表示滑塊通過光電門時間(單位ms)，v表示滑塊速度，擋光片寬度為6 mm．表5中測量數(shù)據(jù)是質(zhì)量幾乎相同的情況，表6是質(zhì)量不同的情況．

表5速度不同的情形

表6質(zhì)量不同情形

歸納小結(jié)

由于有3個變量(質(zhì)量、速度及碰撞性質(zhì))，控制變量組合情況很多，通過我們項目小組的對各種可能情形進行實驗探究(未全部列出)，得出的結(jié)論是碰撞前后m1v1+m2v2是“不變量”．

誤差成因

本探究中產(chǎn)生誤差的主要因素有：軌道的摩擦力(利用氣墊導(dǎo)軌是就是為了減少這種誤差)，空氣阻力，計時器的系統(tǒng)誤差，質(zhì)量測量的誤差等．

交流討論

生：熱烈鼓掌……

師：很好，我們對第2組同學(xué)的精彩匯報表示感謝．下面請大家相互交流一下，對一個探究方案中需要探討的地方與項目2小組一起互動一下．

交流中……

生?。簞偛盼覀兟犨^第1小組的匯報，你們這個方案相比第一個方案有什么優(yōu)點？

成員：其實剛才第1小組同學(xué)講過，他們的方案中實現(xiàn)不同性質(zhì)的碰撞比較困難，我們的方案方便操作，甚至于可以實現(xiàn)碰撞后粘連的情況．

生戊：你們的方案相對第1組有什么困難？

成員：因為是利用光電門測量速度，所以在實現(xiàn)不同速度碰撞情況時，對碰情況操作比較方便，對于同向追擊等測量有可能需要更多的光電門，操作記錄數(shù)據(jù)比較麻煩．通過第一組的匯報，我們發(fā)現(xiàn)他們在不同速度碰撞的情形探究中比我們方案有優(yōu)勢，Tracker追蹤沒有任何問題．

生己：你們用氣墊導(dǎo)軌的目的是為了減少摩擦力，請問實驗中你們還要調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平，為什么？

成員：因為我們需要測量碰撞前后瞬間的速度，理論上應(yīng)該將光電門置于碰撞的位置，確保小球在碰撞前與碰撞后的瞬間都能通過光電門，然而我們無法比較精準(zhǔn)地確定碰撞的位置．如果導(dǎo)軌水平，碰撞前與碰撞后滑塊都應(yīng)該是勻速度運動，這樣測量的速度可以表示碰撞前后的瞬間速度．如果導(dǎo)軌不水平，就不能表示碰撞后的速度．

生庚：我們發(fā)現(xiàn)，你們實驗中滑塊的速度都不是很大，有什么考慮嗎？

成員：在我們實驗中嘗試過不同方向與不同大小的速度情況的碰撞，但當(dāng)以太大的速度碰撞時，滑塊在導(dǎo)軌上跳動，產(chǎn)生了一定的沖擊力．并且有時影響到導(dǎo)軌的水平，所以將導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平后，我們利用熱熔膠將導(dǎo)軌固定．

師：請問第2小組在探究中有過棘手的問題嗎？

組長：我們小組在探究過程曾經(jīng)遇到過3個瓶頸問題：第一，就是剛才己同學(xué)提出來的問題，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平，起初我們沒有考慮到，所以猜想的可能“不變量”的根本“不存在”，碰撞前后很大，甚至于碰撞后比碰撞前大很多．后來通過很長時間討論才發(fā)現(xiàn)這個問題；第二，在調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平的問題上遇到的困難：原本的方案是調(diào)節(jié)過程 ，如果給一個滑塊連續(xù)通過兩個相距一定距離的光電門時間幾乎一樣，那么導(dǎo)軌就應(yīng)該水平了．然而實際操作中卻發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個光電門時間幾乎相等時，視覺觀察滑塊明顯不是勻速運動；如果利用滑塊置于軌導(dǎo)上的任一個位置幾乎不動(平衡)，按理說應(yīng)該是水平了，然而這種情況下，提供一任意初速度通過兩個光電門的時間明顯不一樣．后來也懷疑過是計時器的問題，通過實驗發(fā)現(xiàn)不是，再后來才找到真正的原因：是光電門(探頭)的靈敏度差異造成的．因此找了很多光電門(探頭)，終于找到靈敏度一樣的光電門，從而進行后續(xù)探究；第三，由于光電門位置的影響，探究過程中追及模型的測量和記錄相對困難，以運動與靜止的碰撞和對碰模型為主要研究方式．

師：很好，其實在探究中一定還有很多不確定因素存在，真正的探究會面臨很多問題．剛才2個項目小組的同學(xué)表示感謝！感謝他們的分享，讓我們沒有參與的同學(xué)能夠有身臨其境的感覺，感同身受．讓我們共同體會的探究的不易與艱辛，同時也感受到探究的樂趣！我們再一次以熱烈的掌聲感謝他們，同時也感謝我們參與討論交流的同學(xué)！

生：熱烈鼓掌…

師：兩組同學(xué)的探究不是簡單的重復(fù)，是各自獨立完成探究，也各有優(yōu)點和不足．在變量的分析上可以相互補充．通過他們的匯報與大家的交流，我們發(fā)現(xiàn)：第一組無法做到多種性質(zhì)的碰撞而第二組可以做到；第二組很難做到的不同速度情形碰撞(如：追及)而第一組卻可以做到．但是要知道，現(xiàn)有條件下不易做到或無法做到并不是這種情況不存在．也需要在優(yōu)化實驗條件或隨著技術(shù)的發(fā)展將來可以做到．因此在現(xiàn)有條件下，通過多種方案的相互補充不失為解決問題的一種方法，同樣可以歸納問題．

3.3 互補探究使規(guī)律總結(jié)更加完美

“Tracker”探究方案中缺少體現(xiàn)“碰撞性質(zhì)”變量的調(diào)節(jié)，而“光電門”方案中對“碰撞速度”情況各種類型的考慮不夠全面(僅考慮運動滑塊碰撞靜止滑塊和兩個滑塊對碰的情況)．然而“Tracker”方案中充分反映了“速度”的各種情況，“光電門”方案中充分涉及到的“碰撞性質(zhì)”的變化．通過兩個方案互補將所有可能的變量都進行了監(jiān)測，從而得出更具有普遍性的共同結(jié)論．

由于條件的限制，傳統(tǒng)課堂教學(xué)中的探究，無論是教師演示式探究或在教師指導(dǎo)下的有學(xué)生參與的演示式探究，預(yù)設(shè)情境比較多，甚至于有些數(shù)據(jù)可能需要備好；如果是學(xué)生課堂分組式探究可能很多的探究都不能完成．而采用IYPT模式，通過學(xué)生匯報交流答辯方式開展，真正的探究活動留在課外．由于探究過程特別復(fù)雜，變量較多，調(diào)節(jié)與測量特別麻煩的探究活動．需要探究小組利用相對較長的時間(也可以是社團活動或校本活動等)進行充分探究，由“Tracker”與“光電門” 方案互補方式“探究碰撞中的不變量”嘗試讓我們能夠體會到“IYPT”模式對“實驗探究”教學(xué)的積極意義．

1 陳晨，陸建隆.將IYPT實驗融入中學(xué)物理教學(xué)的理論思考與實踐探究.物理教師，2014(03)：22～26

2017-08-08)

*系江蘇省“‘啟·創(chuàng)’物理實踐課程基地開發(fā)特色校本課程的實踐與研究”基金項目.