巧用数码摄像机突破实验教学难点

[摘要]充分利用身边的器材，改进实验，提高实验的有效性是新课程改革的要求，也是提高创新能力的需要。文章巧妙运用数码摄像机，突破实验教学难点，具有一定的现实意义。

[关键词]数码摄像机实验教学难点

[中图分类号]G633.7[文献标识码]A[文章编号]16746058（2015）110069

一、问题提出

随着新课程改革的不断深入，探究教学思想已深入人心。探究教学重在培养学生的创新意识和实践能力。物理实验是物理教学的重要组成部分，同时也是物理科学探究的重要思想和方法，对培养学生的科学素养具有重要意义。新课程要求重视物理实验，让学生亲历实验过程，所以加强物理实验是大势所趋。

但是在实际教学中，一些实验教学的效果并不是很好，表现为有些实验需要难度较大的实验条件，如频闪照相在中学实验条件下很难满足；有些实验需要长时间的观测才可以完成，如波的干涉。笔者在教学中将数码摄像机引入了课堂教学，配以多媒体软件和投影仪等设备，提升了实验的真实性，提高了学生的参与度。实际教学表明，数码摄像机的使用非常贴近生活，学生的亲切感强、热情高，实验现象及数据的采集使学生兴奋、好奇，产生了良好的教学效果，下面谨向大家介绍四个实例，希望能起到抛砖引玉的作用。

二、数码摄像机在实验教学中的应用

（一）变瞬间为永恒，实现动态探究

人教版高中物理3-4《波的干涉》一节，学生对波的叠加、波的干涉等现象缺乏生活经验和感性认识，教师在教学过程中，对波的叠加、干涉图样的绘制一般采用静态图片描绘或采用计算机模拟，这种处理方法不仅缺乏动态认识，而且缺乏真实感。所以，在课堂中巧用摄像机，可以直接对真实的干涉现象进行动态观察、分析。

（1）利用灯光在水面上的反射，直接用摄像机镜头视频输出水槽中波的叠加实验现象，并通过电脑传输到投影上（图1、图2）。

（2）将画面投影到黑板上，再用粉笔来标出这些点（标点的同时和学生一起分析判断，水波是加强的还是减弱的），再用红色实线连出加强的线，用白色虚线连出减弱的线。其中画面的上半部分可以利用对称性补全（图3、图4）。

（3）根据这些线的分布，利用数学知识，波源到中间线上的点的距离是相同的，如果用波源的路程差|r1-r2|表示，应该为0；相邻的加强线上的点，由于波传到这里的时间差是T，如果用路程来表示就是相差λ；传播时间差2T的地方路程差为2λ……而减弱的点的路程差分别为λ/2，3λ/2……所以，路程差满足nλ的点振动加强，满足（n+1/2）λ的点振动减弱。

图1图2

图3图4

（二）变动为静，进行精确测量

人教版高中物理必修2中《研究平抛运动的规律》是具有代表性的一堂探究课。课堂教学中经常使用频闪照片来研究平抛运动在水平方向和竖起方向上的运动性质，效果非常明显。但是，在实际教学中很多学校没有高频摄像机，更别说让学生亲历拍摄过程。

用数码摄像机拍摄小球平抛的运动过程，并将其采集到多媒体电脑中，利用《超级解霸3500》自带的“单帧”功能，记录不同时刻小球的横、纵坐标，通过坐标分析小球在水平和竖直方向上，在相等时间内的位移变化，运用已有知识分析小球的位移随时间的变化，分析判断小球在水平和竖直方向上的运动性质（图5）。

图5

在每次实验所拍摄的影像中，有8—10帧图像可看到小球的位置在坐标方格内，数据如下：其中图6、图7的实验数据在第1次实验中。

图6图7

第一次实验：

第二次实验：

数据处理：

水平方向上：在相等的时间间隔（451秒）内，小球水平方向的位移基本相等，平均值为0.08m，由此可判断小球水平方向上的运动性质是匀速直线运动，且水平初速度大小约为1.02m/s。

竖直方向上：连续相同时间间隔内的位移差均相等，可以判断竖直方向上的运动为匀加速直线运动。又因为在451秒内，连续相等时间内的竖直方向位移差的平均值为Δx=0.06m，由匀变速直线运动的推论公式Δs=aT2，可求得此匀加速直线运动的加速度为9.754m/s2。与自由落体加速度很接近（上海北纬31012′重力加速为9.794m/s2），所以，可以进一步判断平抛运动在竖直方向的运动性质为自由落体运动。

在得到平抛运动在水平方向和竖直方向运动性质的基础上，我们可以对平抛运动与自由落体运动的对比演示实验进行猜想和验证，实验过程用数码摄像和“逐帧播放”功能，不仅可以听到同时落地，学生还可以清晰地看到，在任何一帧内，做平抛运动的小球和自由落体小球总在一条水平线直线上。

图8（三）变快为慢，实现准确分析

人教版高中物理必修2《曲线运动》一节中，探究曲线运动的速度方向是个难点。研究过程中我们可以让学生投掷飞镖，用摄像机拍摄飞镖的飞行过程，用软件《会声会影》提图9图10取帧图片，然后将这些图片依次传入计算机，利用图像处理软件（如Photoshop软件）将这些照片合成在一张照片上（图9）。在具体的教学中，我们可以将合成的图片直接投影到大屏幕上，再用曲线拟合飞镖的运动轨迹（图10），学生就很容易研究物体做曲线运动过程中的速度方向，而且实验贴近学生实际生活，学生亲历实验过程。同时，又可以激发学生对物理的学习兴趣，对学生科学素养的养成具有重要的现实意义。

（四）变课外为课内，拓展教学空间

人教版高中物理必修1《牛顿第一定律》，惯性和牛顿第一定律都比较抽象，伽利略的理想实验也是一种重要的思想方法，学生真正理解起来是有难度的。教学中我们发现，让学生真正改变“力是运动的原因”这一直觉观念非常困难，很多学生在分析物理问题时，总是不自觉地变成亚里士多德的“信徒”。

要改变这一现状，在教学前，我们可以组织学生乘坐公交车，通过观察公交车内篮球、小挂件、和鱼缸内水的惯性现象，将课内学习与课外体验紧密结合起来，通过自己的观察与体验获得力与运动关系的基本认识，接着让学生带着问题回到课堂，体验“理想实验”的魅力，感受科学的思想方法，最后运用所学知识来解释自身体验与观察的现象，效果非常明显。我用录像机记录了整个体验过程（图11、图12），这样学生的参与度高，也激起了学生的学习兴趣，更拓展了教学的空间。同时，这样也体现了“从生活走向物理，由物理走向社会”的理念。

图11

图12

三、回顾与思索

以上是笔者在教学中对数码摄像机的应用做的一些尝试，事实证明，将摄像机引用到物理课堂教学中，效果非常好。用类似的方法还可以测定自由落体加速度、研究简谐振动、演示超重失重现象等实验。作为一线教师，我们要灵活地改进实验，创新整合现有的实验器材资源，利用数码摄像机、数码照相机等常见电子设备，增加实验的可见度和可信度，让学生亲历实验过程，培养学生动脑、动手的能力，同时又可以激发学生对物理的学习兴趣，这对学生科学素养的养成具有重要的现实意义。

[参考文献]

顾扬.创新实验探究策略科学研究平抛运动[J].中学物理教学参考，2014（1-2）：96-97.

（责任编辑易志毅）