郑宇晴 马文婧 张轶炳

(宁夏大学物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021)

2012年3月,教育部颁布《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》,其中提出“以教育信息化带动教育现代化”,并在文件中多次提到教育教学发展与信息技术深度融合的与时俱进性.[1]

近年来,信息技术融入中学物理实验教学的重要性得到广泛重视.在中学物理实验教学的基础上借助信息技术高效、精准、新颖及个性化需要的特点,对于改进传统物理教学的实验设备和方法具有启发效果,可以提高学生学习兴趣,从而帮助推进物理实验过程,促使实验结论的得出.本文以高中物理“探究自由落体运动规律”的实验教学为例,在客观分析传统教学设备及方法的缺点和问题的基础上,从信息技术改进物理实验角度出发,利用现代数码产品拍摄技术及软件的整合使用,以期改进传统实验教学方法,更好促进“自由落体运动规律”探究实验过程的科学展开.

1 研究背景

1.1 教材分析

落体运动是生活中的常见现象.“自由落体运动”在高中物理教学中占有重要地位.“探究自由落体运动规律”是既学生理解自由落体运动概念、特点及下落影响因素后安排的、符合学生学习需求及其认知结构的实验探究部分的教学内容,是匀变速直线运动的特例.横观各版本的高中物理教材,该实验的探究和意义在后续知识的学习中都扮演着重要角色.[2]

“探究自由落体运动规律”的实验教学主要围绕两方面进行: (1)通过实验分析得出运动性质:自由落体运动是匀加速直线运动; (2)通过数据计算得到结论:自由落体运动的加速度大小约为9.8 m/s2.换言之,“探究自由落体运动规律”教学可分为实验探究和数据处理两个过程,是定性与定量分析兼具,且以定量分析为主的物理探究实验.

1.2 “探究自由落体运动规律”的传统教学方法分析

1.2.1 传统教学—实验部分分析

传统实验教学在“探究自由落体运动规律”上主要借助打点计时器或频闪照相仪两种实验仪器进行.

(1) 打点计时器记录自由下落重物运动轨迹.

图1 打点计时器研究“自由落体运动规律”实验

利用打点计时器研究自由落体运动规律是最常见的传统实验教学方法,如图1.它是通过与纸带相连的重物穿过打点计时器后的自由下落,根据纸带上的打点点迹反映其运动轨迹的实验方法.但该方法的缺点是,自由下落重物与纸带相连结会一定程度影响“自由”释放的特点,且振针与纸带打点时会因打点碰撞产生摩擦阻力,从而导致实验数据往往不够稳定.笔者曾在课堂教学中引导学生采取分组方式进行该实验,然而全班6组学生在多次正确规范操作下,得到的打点数据计算结果与理想实验数值相差较大.因此,有教师甚至不得不违背实验科学性:通过课下数次实验找到其中一条较理想的下落纸带,再采取与课堂演示实验得到纸带进行“掉包”的方法,“促使”实验结论得出,[3]很显然这种违背科学性的实验教学方法是不可取的.

(2) 频闪照相仪等时间间隔曝光记录运动位置.

该方法通过频闪照相仪等时间间隔对正在自由下落重物进行频闪感光拍照于同一底片上来记录其运动轨迹.但通常,中学物理教师无法实际操作这一实验.一则因为频闪照相仪价格昂贵,中学物理实验室通常不予配备此设备;二则频闪照相仪感光拍照需要绝对的暗室条件进行,对周围环境要求较高,且需冲洗放大照片的过程较为复杂.因此这种方法的教学通常是教师直接向学生展示网络搜集到的频闪照片,无法让学生切身体会其频闪拍照实验过程,而使课堂缺乏真实感.

1.2.2 传统教学—数据处理分析

传统教学在“探究自由落体运动规律”实验对数据的处理分析主要以逐差法和图像法为主.

(1) 逐差法——公式计算得出结论.

逐差法是传统教学在处理匀变速直线运动的判断及求解加速度时最常用的数据处理方法.

图2 相邻点迹间为6个位移数值的纸带模型

(2) 图像法——坐标纸描点、连线绘制图像.

图像法处理“探究自由落体运动规律”实验数据,是通过所测数据——“位移”及“时间”等相关量的函数关系曲线来判断其运动性质的方法.通过猜想,分析运动性质所对应的相关函数曲线,并以此作为通过图像法绘出函数曲线后所对应运动性质的依据.

综合以上分析,传统教学方法在“探究自由落体运动规律”实验中存在着一定科学性及严谨性的教学弊端.

2 整合现代信息技术,改进“探究自由落体运动规律”实验

为克服传统教学方法弊端,改进“探究自由落体运动规律”实验,以框架图分析现代信息技术引入对改进实验的帮助及优势,如图3.

2.1 实验部分改进

采用现代信息技术——照相机连拍、视频逐帧处理技术可克服传统实验方法教学弊端,有效完成该实验教学.

(1) 照相机连拍技术记录自由落体运动轨迹.

信息技术媒体:数码照相机;计算机“画图”等图像处理软件.

连拍功能是对物体运动过程的快速连续拍摄.利用照相机连拍可得到运动物体等时间间隔点的运动位置,达到跟踪物体运动时间和对应位置情况的效果.在“探究自由落体运动规律”教学中(实验仪器如图4),利用照相机连拍技术拍摄重物自由下落运动过程,可快速捕捉其下落过程中等时间间隔点的对应位置情况,得到相应连拍照片,有效记录重物自由下落过程的运动轨迹.

图4 “照相机连拍技术记录自由落体轨迹”实验仪器

同时,采取计算机“画图”软件对连拍照片“放大”处理,清晰读出重物下落紧靠的刻度尺上所对应的位置数值.

以索尼ILCE-6000L微单数码相机(索尼α-6000)的“连拍-hi”功能下所拍摄到小钢球的自由下落过程实验照片及数据为例,对上述内容辅助解释.

利用索尼α-6000连拍技术拍摄小钢球的自由下落过程,快速捕捉其下落过程的运动位置,记录运动轨迹.实验得到如图5所示的连拍照片有效截图.

图5 索尼α-6000连拍技术拍摄到的小钢球自由下落过程有效照片

采用“画图”软件对上述照片“放大”处理,可以清晰读出小钢球所对应刻度尺的位置数值.以图5连拍照片第3张“放大”处理后的读数截图为例,如图6,对应刻度数值为16.16 cm.其他“放大”后所读数值记录,如表1所示.

图6 “画图”软件的放大照片读数效果

连拍位置12345时刻t/s01/112/113/114/11读数s/cm0.004.0516.1636.3564.76

(2)视频逐帧处理技术记录自由落体运动轨迹.

信息技术媒体:数码摄像机;计算机“暴风影音”等视频处理软件及“画图”软件.

2.2 数据处理分析——Excel图像法

为克服传统手工绘图粗糙、效率低及不够准确的弊端,可采用现代信息技术Excel软件图像法实现对测量数据表格记录、图像绘制及曲线拟合功能,完成实验数据处理,达到高效、准确的效果.

(1) 对实验数据进行表格记录.

由举例中“照相机连拍技术记录自由落体运动轨迹”实验数据,采用Excel可完成表格绘制、记录,并实现函数公式计算t2数值记录,表格截图如图7.

图7 Excel表格记录实验数据截图

(2) 绘制s-t及s-t2图像,得出运动性质.

图8 由Excel绘成的s-t图像

图9 由Excel绘成的s-t2图像

(3) 线性拟合求出加速度大小.

图10 由Excel绘成的s-t2直线方程拟合图像

3 结语

利用照相机连拍及视频逐帧处理技术,整合后期“画图”及Excel软件功能探究实验,克服了传统教学方法在“探究自由落体运动规律”实验的缺点弊端,使实验更加精准、高效,从而合理改进传统实验设备及方法,提高实验科学、严谨性,有效促进了“探究自由落体运动规律”实验的进行.信息技术与改进中学物理实验进行整合,可以在尊重学生认知结构的同时,锻炼学生的科学探究能力和创新精神,激发学生学习的好奇心、求知欲,推动信息技术与物理课程整合的进一步发展,从而在改进传统教学方法中,更好促进了中学物理实验教学.