朔本求源: 教育技術(shù)與物理實驗教學(xué)的深度融合
——以探究平拋運動的規(guī)律實驗為例

羅 慧 楊小芳

(1. 衢州市紫港中學(xué),浙江 衢州 324200; 2. 衢州市工程技術(shù)學(xué)校,浙江 衢州 324000)

物理作為一門實驗的學(xué)科,在定性實驗的判斷,定量實驗的分析等方面,教育技術(shù)都在發(fā)揮著重要的作用,能否將實驗與教育技術(shù)進(jìn)行深度融合,有助于實驗的各個環(huán)節(jié),有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的提高,有著積極的意義．

平拋運動的實驗是平拋運動教學(xué)的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié),需要經(jīng)歷描繪平拋運動的軌跡;探究平拋運動的規(guī)律;推算平拋運動的初速度等幾個環(huán)節(jié),通過教育技術(shù)與該實驗結(jié)合,能夠直觀的觀察小球的運動情況,簡單的分析其運動過程,甚至能直接獲取數(shù)據(jù)并推算平拋運動的初速度,常見的方案很多,但或多或少的存在一些不足:頻閃攝像[1]僅能定性判斷,無法深入研究;基于仿真物理實驗室[2]的仿真實驗僅能作為輔助教學(xué);tracker視頻分析軟件[3]對拍攝,取點的操作要求較高,數(shù)據(jù)往往不夠精確;DIS平面二維傳感器[4]原理不直觀,成本較高不易推廣．經(jīng)過實踐,筆者設(shè)計了一套探究平拋運動規(guī)律的方案,具有成本低廉,原理簡單,現(xiàn)象直觀,操作簡便,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)點,使教育技術(shù)與實驗教學(xué)達(dá)到深度融合．

1 自制教具,基于手機(jī)畫圖功能描繪軌跡

圖1 手機(jī)顯示運動軌跡原理圖

1.1 實驗原理

描繪出平拋運動運動的軌跡是對其規(guī)律研究的基礎(chǔ),根據(jù)電容式手機(jī)觸摸屏的原理[5],用一塊透明的電容屏和手機(jī)表面平行放置,兩塊屏幕表面都有透明金屬導(dǎo)電物質(zhì),構(gòu)成一個平行板電容器,如圖1所示,當(dāng)直徑略小于兩板間距的金屬球通過時,手機(jī)感應(yīng)到電容發(fā)生了變化,即可獲取小球的位置信息,在手機(jī)中的畫圖軟件中同步“留下筆跡”,從而得到小球球心運動的平拋運動軌跡．

1.2 教具實物

自制教具實物如圖2所示,由軌道、固定手機(jī)支架(面板B)、透明平板電腦電容屏(面板A)、手機(jī)、鐵球、水平泡,重錘線(背面)等部分構(gòu)成．其中鐵球直徑為14 mm,電容屏與手機(jī)手機(jī)屏的間距為16 mm,因此小球在運動過程中并未與屏幕接觸．

圖2 教具實物圖正面

1.3 實驗步驟

首先在手機(jī)畫圖軟件中提前打開事先繪制好的坐標(biāo)圖片,格子大小為0.5 cm×0.5 cm,將手機(jī)卡在支架上,調(diào)整好位置,使坐標(biāo)原點與小球球心離開水平軌道的位置重合．然后讓小球經(jīng)斜軌道加速后進(jìn)入嵌在兩電容屏間的水平軌道,離開軌道后做平拋運動,手機(jī)畫圖軟件同步顯示球心的位置并得到軌跡圖像,如圖3所示為某次實驗后的軌跡及畫面實際大小參考．不同的初速度,軌跡不同,為了能提高演示效果,方便學(xué)生觀看,也可將手機(jī)畫面同步到多媒體進(jìn)行展示(圖4),并可將得到的軌跡進(jìn)行截圖保存．

圖3 軌跡圖像及坐標(biāo)圖片實際大小

圖4 電腦與手機(jī)同屏實時顯示軌跡

2 應(yīng)用GetDate軟件精確獲取軌跡坐標(biāo)

GetDate是一款非常簡單的圖像分析軟件,可以根據(jù)需要在圖片中建立坐標(biāo)系,提取圖片中各點的坐標(biāo)信息．傳統(tǒng)的平拋運動規(guī)律的數(shù)據(jù)處理方法是用平滑的曲線將軌跡上的點手動連起來,并用刻度尺建立坐標(biāo)系,以獲得這些點的坐標(biāo),過程繁瑣,所花時間較長而且誤差極大,因此教師往往在課堂上略去該步驟,甚至是學(xué)生實驗時也不了了之．應(yīng)用圖像分析軟件GetDate很好的解決了這個問題,軌跡坐標(biāo)的提取分為如下幾步:

第1步:打開GetDate軟件,點擊“文件—打開圖片”導(dǎo)入已保存的軌跡圖片,

第2步:如圖5所示,點擊“操作—設(shè)置標(biāo)尺刻度”從坐標(biāo)圖原點開始在圖片中選取一定的區(qū)域,點擊并依據(jù)坐標(biāo)圖中格子的實際大小為0.5 cm×0.5 cm,設(shè)置標(biāo)尺刻度如圖6所示,筆者所選的區(qū)域范圍為0.05 m×0.03 m,參見圖3．

圖5 GetDate軟件操作部分操作界面

圖6 根據(jù)實際尺寸設(shè)置標(biāo)度

第3步:點擊“操作—點捕捉模式”當(dāng)鼠標(biāo)變成十字時,在軌跡上單擊,該點變?yōu)榧t色,并會在軟件右邊的“數(shù)據(jù)”中自動顯示該點橫縱坐標(biāo)．為了保證實驗的準(zhǔn)確性,可以在坐標(biāo)范圍內(nèi)盡量多的選取幾個點．如圖7所示．

圖7 GetDate中在軌跡上點擊并獲取相應(yīng)的坐標(biāo)參數(shù)

最后點擊“文件—導(dǎo)出數(shù)據(jù)”保存為EXL格式,便于下一步研究．

3 結(jié)合Excel驗證平拋運動規(guī)律求解初速度

課堂教學(xué)往往通過實驗讓學(xué)生理解平拋運動水平方向分運動為勻速直線運動,有

x=v0t.

(1)

豎直方向方向分運動為自由落體運動,有

(2)

人教版教材中通過例題讓學(xué)生通過聯(lián)列兩式推導(dǎo)得到

(3)

并認(rèn)識平拋運動的軌跡是一條拋物線[1],同時在后期的學(xué)生實驗中,以(3)為依據(jù)計算實驗中小球做平拋運動的初速度[6]．

理論推導(dǎo)和實驗是物理教學(xué)的兩條腿,如果能夠利用實驗準(zhǔn)確驗證該式子,找到y(tǒng)與x的關(guān)系,對于學(xué)生掌握平拋運動的物理觀念,提高學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)是有例的,而實驗驗證的關(guān)鍵是坐標(biāo)的準(zhǔn)確性,傳統(tǒng)的實驗較難做到,tracker軟件和DIS傳感器直接給出了關(guān)系式,缺乏生成．筆者想到了可以用Excel電子表格對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的方法,以數(shù)據(jù)為支撐讓學(xué)生認(rèn)識到y(tǒng)與x的確滿足二次關(guān)系．

圖8 導(dǎo)入到Excel的坐標(biāo)數(shù)據(jù)

打開之前導(dǎo)出的坐標(biāo)參數(shù)EXL文件,實驗數(shù)據(jù)如圖8所示．通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合,顯示趨勢線及公式得到圖9圖像,,可以看到R2=1,說明趨勢線可靠,y與x關(guān)系式滿足二次函數(shù)關(guān)系,且關(guān)系式中b=0.0562,c=0.00006相對于a=12.224可以忽略．根據(jù)(3)式可知:

在此基礎(chǔ)上將求出該小球本次做平拋運動的水平初速度為v0=0.63 m/s．

4 結(jié)束語

利用該方案對平拋運動進(jìn)行研究,引導(dǎo)、講解和實驗的過程僅需十分鐘左右,提高了課堂效率,突破了教學(xué)的難點．隨著科技的發(fā)展,教育技術(shù)正在滲透物理教學(xué)的各個環(huán)節(jié),教師應(yīng)該站在學(xué)生的角度,思考如何運用教育技術(shù)能夠朔本求源,讓技術(shù)與物理課堂深度融合,才有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng),讓科學(xué)思維在技術(shù)的應(yīng)用中得到提高．物理學(xué)研究的結(jié)論可能被學(xué)生忘記,但物理學(xué)研究的思想和方法,研究的態(tài)度一定能夠長久的支持學(xué)生的學(xué)習(xí),生活和工作利用．