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(bǔ)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(xiàng)目.借鑒“IYPT”項(xiàng)目,通過學(xué)生匯報(bào)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(yàn)開放式全真探究,也能夠讓所有同學(xué)通過聽取匯報(bào)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(shí)驗(yàn)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(diǎn).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(jìn),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(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科,很多概念、規(guī)律的形成都是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的,因此實(shí)驗(yàn)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.
物理課堂教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)一般有演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)等.限于時(shí)間與效率的制約,常態(tài)課中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般以演示實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)、或體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)或?qū)W生小組合作實(shí)驗(yàn).因?yàn)橹剡^程的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間很難把控,可能會影響課堂效率.這就使得“探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)”停留在有想法、少做法的層面上.而且常規(guī)的實(shí)驗(yàn)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.
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(shí)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(shí)際物理問題合作研究、發(fā)表觀點(diǎn)和進(jìn)行辯論的能力,并特別強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)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(gè)活動(dòng)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(shí)踐能力具有積極的意義.此后IYPT的競賽模式在我國進(jìn)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(shí)質(zhì)是科學(xué)探究后通過匯報(bào)方式以團(tuán)隊(duì)的形式進(jìn)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(shí)驗(yàn)技能及較強(qiáng)的合作意識.比賽中共分為3支隊(duì)伍(正方、反方和評論方).
鑒于現(xiàn)有課堂中探究教學(xué)的不足和IYPT項(xiàng)目探究的特點(diǎn),筆者在物理課堂教學(xué)中嘗試融入PT方式.限于時(shí)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(shí)間親力親為,主動(dòng)參與,開放式全真探究.然后在課堂中通過匯報(bào)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(dòng),能夠盡量排除很多教師經(jīng)驗(yàn)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(yàn).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.
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(xiàng)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(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上成功申報(bào)江蘇省“啟·創(chuàng)”物理實(shí)踐課程基地,使得項(xiàng)目活動(dòng)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.
(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(yùn)動(dòng)和冰壺運(yùn)動(dòng))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(shí)驗(yàn).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(jī)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(shí)際,將學(xué)有余力和有興趣的同學(xué)分成幾個(gè)小組,提出問題后利用課余時(shí)間各自相對獨(dú)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(jìn)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(bào)告(PPT展示).重點(diǎn)匯報(bào):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(shí)驗(yàn)探究詳細(xì)過程(模型、原理、器材、表格設(shè)計(jì)、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(xiàng)目小組同學(xué)答辯——此即為“IYPT”模式的借鑒.
(4)借以項(xiàng)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(shí)介紹“冰壺比賽”中“打定”的技術(shù)原理,理論回歸.
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(jī)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(shí)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(shí)我們需要可以考慮利用多個(gè)模型的互補(bǔ)式方案來探究.本例就是在“探究碰撞中的不變量”時(shí)就借鑒“IYPT”模式,采用分組多模型互補(bǔ)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(yùn)動(dòng)碰撞,利用高速攝像機(jī)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(yùn)用PC版Tracker追蹤軟件分析碰撞前后的速度進(jìn)行探究.
變量分析
小球的質(zhì)量;小球運(yùn)動(dòng)的速度;碰撞接觸面的性質(zhì)(不方便監(jiān)控).
方案確定
(1)實(shí)驗(yàn)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(jī)、電腦(Tracker追蹤分析軟件);
(2)研究對象.一對相同的金屬球;一個(gè)金屬球與一個(gè)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(shí)施
(1)用天平稱量小球質(zhì)量:兩個(gè)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(dòng),并用熱熔膠固定,將兩個(gè)球放在軌道上以多種方式發(fā)生碰撞.
(3)利用高速攝像機(jī)(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(yùn)動(dòng)情況.
圖2 利用高速攝像機(jī)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(shí)間.該軟件可以直接生成前5幀的位移與時(shí)間圖像和后10幀的位移與時(shí)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(shí)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(gè)鋼球靜止,一個(gè)鋼球運(yùn)動(dòng) (m1=m2=32.6 g).
表1情形1實(shí)驗(yàn)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(gè)鋼球以不同速度對碰(m1=m2=32.6 g).
表2情形2實(shí)驗(yàn)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(gè)鋼球前進(jìn),另一個(gè)鋼球追及(m1=m2=32.6 g).
表3情形3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
這時(shí)所猜想的3種關(guān)系依然都是“不變量”
情形4:運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
這種情況下,所猜想的關(guān)系前2個(gè)是“不變量”,第3個(gè)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(shí)驗(yàn),所得到的結(jié)論也是前2個(gè)“不變”,第3個(gè)不是“不變量”.
分析歸納
誤差分析
(1)實(shí)驗(yàn)過程中小球的滾動(dòng)會產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差;
(2)實(shí)驗(yàn)過程中利用Tracker追蹤時(shí)手動(dòng)捕捉位置會產(chǎn)生誤差;
(3)拍攝相機(jī)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(jìn)入討論環(huán)節(jié),相互交流,可以提問,同項(xiàng)目小組的其他成員都可以回答或主動(dòng)補(bǔ)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(shí)不能猶豫.
生甲:謝謝!
生乙:小球運(yùn)動(dòng)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(shí)間,所以這個(gè)影響很?。?/p>
生乙:謝謝!
生丙:在前2組實(shí)驗(yàn)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(gè)問題,主要原因是這2組實(shí)驗(yàn)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(jì)方案時(shí)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?yàn)樾∏蜾撔暂^好,機(jī)械能損失極小.本想設(shè)計(jì)用雙面膠等,實(shí)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(yùn)動(dòng)(滾動(dòng)).
3.2.2 “光電門”方案
方案設(shè)計(jì)
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(diǎn)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(yùn)動(dòng)速度;改變接觸性質(zhì).
方案實(shí)施
實(shí)驗(yàn)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(jì)時(shí)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(jìn)行各種情況的實(shí)驗(yàn)(課堂上播放不同情形的實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(shí)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(gè)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(xiàng)目小組的對各種可能情形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jì)時(shí)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(bào)表示感謝.下面請大家相互交流一下,對一個(gè)探究方案中需要探討的地方與項(xiàng)目2小組一起互動(dòng)一下.
交流中……
生?。簞偛盼覀兟犨^第1小組的匯報(bào),你們這個(gè)方案相比第一個(gè)方案有什么優(yōu)點(diǎn)?
成員:其實(shí)剛才第1小組同學(xué)講過,他們的方案中實(shí)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(shí)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?yàn)槭抢霉怆婇T測量速度,所以在實(shí)現(xiàn)不同速度碰撞情況時(shí),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(bào),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(shí)驗(yàn)中你們還要調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平,為什么?
成員:因?yàn)槲覀冃枰獪y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(yùn)動(dòng),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(shí)驗(yàn)中滑塊的速度都不是很大,有什么考慮嗎?
成員:在我們實(shí)驗(yàn)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(shí),滑塊在導(dǎo)軌上跳動(dòng),產(chǎn)生了一定的沖擊力.并且有時(shí)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(gè)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(shí)間討論才發(fā)現(xiàn)這個(gè)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(gè)滑塊連續(xù)通過兩個(gè)相距一定距離的光電門時(shí)間幾乎一樣,那么導(dǎo)軌就應(yīng)該水平了.然而實(shí)際操作中卻發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)光電門時(shí)間幾乎相等時(shí),視覺觀察滑塊明顯不是勻速運(yùn)動(dòng);如果利用滑塊置于軌導(dǎo)上的任一個(gè)位置幾乎不動(dòng)(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(gè)光電門的時(shí)間明顯不一樣.后來也懷疑過是計(jì)時(shí)器的問題,通過實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(yùn)動(dòng)與靜止的碰撞和對碰模型為主要研究方式.
師:很好,其實(shí)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(gè)項(xiàng)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(shí)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(shí)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(dú)立完成探究,也各有優(yōu)點(diǎn)和不足.在變量的分析上可以相互補(bǔ)充.通過他們的匯報(bào)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(shí)驗(yàn)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(bǔ)充不失為解決問題的一種方法,同樣可以歸納問題.
“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(yùn)動(dòng)滑塊碰撞靜止滑塊和兩個(gè)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(gè)方案互補(bǔ)將所有可能的變量都進(jìn)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(bào)交流答辯方式開展,真正的探究活動(dòng)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(dòng).需要探究小組利用相對較長的時(shí)間(也可以是社團(tuán)活動(dòng)或校本活動(dòng)等)進(jìn)行充分探究,由“Tracker”與“光電門” 方案互補(bǔ)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(shí)驗(yàn)探究”教學(xué)的積極意義.
1 陳晨,陸建隆.將IYPT實(shí)驗(yàn)融入中學(xué)物理教學(xué)的理論思考與實(shí)踐探究.物理教師,2014(03):22~26
2017-08-08)
*系江蘇省“‘啟·創(chuàng)’物理實(shí)踐課程基地開發(fā)特色校本課程的實(shí)踐與研究”基金項(xiàng)目.