朔本求源: 教育技术与物理实验教学的深度融合
——以探究平抛运动的规律实验为例

罗 慧 杨小芳

(1. 衢州市紫港中学,浙江 衢州 324200; 2. 衢州市工程技术学校,浙江 衢州 324000)

物理作为一门实验的学科,在定性实验的判断,定量实验的分析等方面,教育技术都在发挥着重要的作用,能否将实验与教育技术进行深度融合,有助于实验的各个环节,有利于学生核心素养的提高,有着积极的意义．

平抛运动的实验是平抛运动教学的基础和重要环节,需要经历描绘平抛运动的轨迹;探究平抛运动的规律;推算平抛运动的初速度等几个环节,通过教育技术与该实验结合,能够直观的观察小球的运动情况,简单的分析其运动过程,甚至能直接获取数据并推算平抛运动的初速度,常见的方案很多,但或多或少的存在一些不足:频闪摄像[1]仅能定性判断,无法深入研究;基于仿真物理实验室[2]的仿真实验仅能作为辅助教学;tracker视频分析软件[3]对拍摄,取点的操作要求较高,数据往往不够精确;DIS平面二维传感器[4]原理不直观,成本较高不易推广．经过实践,笔者设计了一套探究平抛运动规律的方案,具有成本低廉,原理简单,现象直观,操作简便,数据准确的优点,使教育技术与实验教学达到深度融合．

1 自制教具,基于手机画图功能描绘轨迹

图1 手机显示运动轨迹原理图

1.1 实验原理

描绘出平抛运动运动的轨迹是对其规律研究的基础,根据电容式手机触摸屏的原理[5],用一块透明的电容屏和手机表面平行放置,两块屏幕表面都有透明金属导电物质,构成一个平行板电容器,如图1所示,当直径略小于两板间距的金属球通过时,手机感应到电容发生了变化,即可获取小球的位置信息,在手机中的画图软件中同步“留下笔迹”,从而得到小球球心运动的平抛运动轨迹．

1.2 教具实物

自制教具实物如图2所示,由轨道、固定手机支架(面板B)、透明平板电脑电容屏(面板A)、手机、铁球、水平泡,重锤线(背面)等部分构成．其中铁球直径为14 mm,电容屏与手机手机屏的间距为16 mm,因此小球在运动过程中并未与屏幕接触．

图2 教具实物图正面

1.3 实验步骤

首先在手机画图软件中提前打开事先绘制好的坐标图片,格子大小为0.5 cm×0.5 cm,将手机卡在支架上,调整好位置,使坐标原点与小球球心离开水平轨道的位置重合．然后让小球经斜轨道加速后进入嵌在两电容屏间的水平轨道,离开轨道后做平抛运动,手机画图软件同步显示球心的位置并得到轨迹图像,如图3所示为某次实验后的轨迹及画面实际大小参考．不同的初速度,轨迹不同,为了能提高演示效果,方便学生观看,也可将手机画面同步到多媒体进行展示(图4),并可将得到的轨迹进行截图保存．

图3 轨迹图像及坐标图片实际大小

图4 电脑与手机同屏实时显示轨迹

2 应用GetDate软件精确获取轨迹坐标

GetDate是一款非常简单的图像分析软件,可以根据需要在图片中建立坐标系,提取图片中各点的坐标信息．传统的平抛运动规律的数据处理方法是用平滑的曲线将轨迹上的点手动连起来,并用刻度尺建立坐标系,以获得这些点的坐标,过程繁琐,所花时间较长而且误差极大,因此教师往往在课堂上略去该步骤,甚至是学生实验时也不了了之．应用图像分析软件GetDate很好的解决了这个问题,轨迹坐标的提取分为如下几步:

第1步:打开GetDate软件,点击“文件—打开图片”导入已保存的轨迹图片,

第2步:如图5所示,点击“操作—设置标尺刻度”从坐标图原点开始在图片中选取一定的区域,点击并依据坐标图中格子的实际大小为0.5 cm×0.5 cm,设置标尺刻度如图6所示,笔者所选的区域范围为0.05 m×0.03 m,参见图3．

图5 GetDate软件操作部分操作界面

图6 根据实际尺寸设置标度

第3步:点击“操作—点捕捉模式”当鼠标变成十字时,在轨迹上单击,该点变为红色,并会在软件右边的“数据”中自动显示该点横纵坐标．为了保证实验的准确性,可以在坐标范围内尽量多的选取几个点．如图7所示．

图7 GetDate中在轨迹上点击并获取相应的坐标参数

最后点击“文件—导出数据”保存为EXL格式,便于下一步研究．

3 结合Excel验证平抛运动规律求解初速度

课堂教学往往通过实验让学生理解平抛运动水平方向分运动为匀速直线运动,有

x=v0t.

(1)

竖直方向方向分运动为自由落体运动,有

(2)

人教版教材中通过例题让学生通过联列两式推导得到

(3)

并认识平抛运动的轨迹是一条抛物线[1],同时在后期的学生实验中,以(3)为依据计算实验中小球做平抛运动的初速度[6]．

理论推导和实验是物理教学的两条腿,如果能够利用实验准确验证该式子,找到y与x的关系,对于学生掌握平抛运动的物理观念,提高学生的科学探究素养是有例的,而实验验证的关键是坐标的准确性,传统的实验较难做到,tracker软件和DIS传感器直接给出了关系式,缺乏生成．笔者想到了可以用Excel电子表格对数据进行拟合的方法,以数据为支撑让学生认识到y与x的确满足二次关系．

图8 导入到Excel的坐标数据

打开之前导出的坐标参数EXL文件,实验数据如图8所示．通过对数据进行多项式拟合,显示趋势线及公式得到图9图像,,可以看到R2=1,说明趋势线可靠,y与x关系式满足二次函数关系,且关系式中b=0.0562,c=0.00006相对于a=12.224可以忽略．根据(3)式可知:

在此基础上将求出该小球本次做平抛运动的水平初速度为v0=0.63 m/s．

4 结束语

利用该方案对平抛运动进行研究,引导、讲解和实验的过程仅需十分钟左右,提高了课堂效率,突破了教学的难点．随着科技的发展,教育技术正在渗透物理教学的各个环节,教师应该站在学生的角度,思考如何运用教育技术能够朔本求源,让技术与物理课堂深度融合,才有利于培养学生的核心素养,让科学思维在技术的应用中得到提高．物理学研究的结论可能被学生忘记,但物理学研究的思想和方法,研究的态度一定能够长久的支持学生的学习,生活和工作利用．