曹陽(yáng)　張軼炳

摘 要：“測(cè)量重力加速度”實(shí)驗(yàn)，是學(xué)習(xí)“自由落體運(yùn)動(dòng)”的概念及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要環(huán)節(jié)，該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了將物理概念的靜態(tài)表征向物理問(wèn)題解決體系的動(dòng)態(tài)表征的轉(zhuǎn)化，同時(shí)利用現(xiàn)代信息技術(shù)作為媒介進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，使現(xiàn)代信息技術(shù)成為促進(jìn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的認(rèn)知發(fā)展和激勵(lì)情感的工具，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)習(xí)者核心素養(yǎng)的目標(biāo).

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代信息技術(shù)、物理實(shí)驗(yàn)對(duì)比、重力加速度

文章編號(hào)：1008-4134（2019）13-0029 中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

基金項(xiàng)目：寧夏大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目“物理STEM實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開發(fā)”（項(xiàng)目編號(hào)：2019107490302）.

作者簡(jiǎn)介：曹陽(yáng)（1995-），女，黑龍江湯原人，碩士研究生，研究方向：物理學(xué)科教學(xué).

通訊作者：張軼炳（1964-），女，寧夏人，碩士，教授，研究方向：中學(xué)物理教育.

教育部頒發(fā)的2017版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確提出：“通過(guò)多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，整體認(rèn)識(shí)自然界，形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力[1].”

近年來(lái)，隨著核心素養(yǎng)的提出以及課程改革的推進(jìn)，知識(shí)的學(xué)習(xí)觀已經(jīng)從事實(shí)本位轉(zhuǎn)向理解取向，而基于現(xiàn)代信息技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科知識(shí)觀轉(zhuǎn)變的橋梁.筆者以“測(cè)量重力加速度”的實(shí)驗(yàn)為例，談?wù)勔袁F(xiàn)代信息技術(shù)為工具處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且對(duì)比幾種測(cè)量重力加速度方法的優(yōu)勢(shì)與弊端，選擇最利于學(xué)習(xí)者參與的物理實(shí)踐，經(jīng)歷“自由落體運(yùn)動(dòng)”知識(shí)誕生過(guò)程，理解物理學(xué)科本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)科實(shí)踐力的方法，并且在數(shù)據(jù)處理方面，在原有的圖象法的原理基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)公式推導(dǎo)，新增加了一種圖象的繪制方法，同時(shí)對(duì)逐差法與間隔平均法進(jìn)行了誤差計(jì)算，為選擇處理數(shù)據(jù)的方法提供了更“好”的證據(jù).

1 研究背景

1.1 教材分析

在整冊(cè)書的編排上，勻加速直線運(yùn)動(dòng)的教學(xué)重點(diǎn)在于規(guī)律的應(yīng)用，自由落體運(yùn)動(dòng)的新課教學(xué)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力及邏輯思維能力，對(duì)促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展具有重要意義.

在教材的第二章中“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)，編排在運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本概念和勻加速直線運(yùn)動(dòng)等知識(shí)后，是勻加速直線運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特例.通過(guò)對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)這種常見的、特殊的運(yùn)動(dòng)的研究，可以更好地對(duì)前面知識(shí)復(fù)習(xí)和鞏固，同時(shí)也加強(qiáng)了物理學(xué)習(xí)與實(shí)際生活的聯(lián)系.而且通過(guò)在授課過(guò)程中講授研究物理問(wèn)題的基本思路和科學(xué)方法，為以后研究比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律打下良好的基礎(chǔ).

1.2 學(xué)情分析

1.2.1 知識(shí)水平

學(xué)生已具備了與本節(jié)課內(nèi)容相關(guān)的實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)，并且知道加速度是描述速度變化快慢的物理量，了解勻加速直線運(yùn)動(dòng)的概念以及位移、速度、加速度、時(shí)間的關(guān)系及相應(yīng)的公式，并且學(xué)生已經(jīng)具備一定的實(shí)驗(yàn)操作的理論知識(shí)、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、繪制圖象的能力.

1.2.2 心理特征

學(xué)生思維活躍，求知欲強(qiáng)，但物理形象思維、抽象思維、逆向思維能力較弱.

1.2.3 學(xué)習(xí)需求分析

在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器定量測(cè)量速度、加速度的方法，具備一定的實(shí)驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)處理的能力.此外，學(xué)生學(xué)習(xí)了勻加速直線運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)以及運(yùn)動(dòng)圖象的畫法，但是自由落體運(yùn)動(dòng)作為勻變速直線運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特殊實(shí)例，學(xué)生此時(shí)仍因現(xiàn)實(shí)生活經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致學(xué)生的原有認(rèn)知中存在錯(cuò)誤的前概念，所以需要學(xué)習(xí)本節(jié)課的內(nèi)容.

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比實(shí)證研究

本節(jié)課擬采用實(shí)驗(yàn)的方法幫助學(xué)習(xí)者進(jìn)行意義建構(gòu)，受美國(guó)普通高中物理教材《原理與問(wèn)題》中提到的等效表示法的啟示，即運(yùn)動(dòng)圖、數(shù)據(jù)表、文字、圖象等描述運(yùn)動(dòng)的方法是等效的，以數(shù)據(jù)表格為橋梁將實(shí)物圖向運(yùn)動(dòng)圖象轉(zhuǎn)化[2]，培養(yǎng)學(xué)生用數(shù)形結(jié)合的思想解決實(shí)際問(wèn)題，幫助學(xué)習(xí)者進(jìn)行多重編碼，以實(shí)現(xiàn)信息的有效輸入及輸出.基于班級(jí)授課制的教學(xué)體制以及課時(shí)分配，筆者親身經(jīng)歷了以下四種實(shí)驗(yàn)過(guò)程，測(cè)量了寧夏回族自治區(qū)銀川市的重力加速度（真實(shí)值為9.7961m/s2），對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)證分析，尋找最優(yōu)方案.

2.1 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量重力加速度

本實(shí)驗(yàn)主要使用12005型自由落體儀（圖1）、紙帶、重物、刻度尺.按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，對(duì)其中一條第1、2點(diǎn)之間的距離為2mm的有效紙帶（圖2）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析（見表1）.

優(yōu)勢(shì)：將鋼球動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程變成靜態(tài)的暫留過(guò)程，更為直觀.

弊端：對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求較高，需要在暗室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且閃光燈對(duì)人眼有一定的傷害，為提高準(zhǔn)確度，需要分辨率較高的攝像設(shè)備，造價(jià)較高，不利于普遍推行.

2.5 視頻分幀技術(shù)測(cè)量重力加速度

視頻分幀技術(shù)與頻閃照相技術(shù)原理相似.前者是攝像機(jī)記錄下鋼球的下落過(guò)程.然后把視頻文件導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，利用適當(dāng)?shù)牟シ跑浖ㄈ绫╋L(fēng)影音）可以逐幀觀察鋼球在相應(yīng)時(shí)刻的位置，而各幀照片之間的時(shí)間間隔可以通過(guò)說(shuō)明書進(jìn)行查詢.此外可以通過(guò)圖象處理將鋼球的逐幀照片粘貼到一張照片上，制成仿“頻閃”照片.而后者使用連拍功能，可以拍出在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，鋼球下落過(guò)程中的位置變化情況，也可經(jīng)過(guò)圖片處理制成頻閃照片.寧夏大學(xué)鄭宇晴曾利用頻閃相機(jī)取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果[4].

3 結(jié)束語(yǔ)

在真正實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，很多時(shí)候?qū)嶒?yàn)的結(jié)果與真實(shí)值之間存在較大差距.此時(shí)，學(xué)習(xí)者容易對(duì)知識(shí)存在誤解，所以在實(shí)際教學(xué)中教育者往往“避重就輕”，將實(shí)驗(yàn)“講”給學(xué)生，“陳述”實(shí)驗(yàn)絕不是好的教學(xué)方法，不利于學(xué)生進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)，阻斷了學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)誕生的過(guò)程，不利于物理核心素養(yǎng)，即物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)維度的培養(yǎng)，學(xué)習(xí)者理應(yīng)知道，物理的很多規(guī)律都是在經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)之后，抓主要矛盾忽略次要矛盾，經(jīng)過(guò)一系列的邏輯推理得來(lái)的，這也是理想模型存在的意義.所以，物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的應(yīng)用需要我們理性對(duì)待.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]齊澤維茨著，錢振華譯.原理與問(wèn)題[M].浙江：浙江教育出版社，2008.

[3]楊嚴(yán)輝.用逐差法計(jì)算紙帶的加速度準(zhǔn)確嗎？[J].物理教師，2014，35（3）：58-58.

[4]鄭宇晴，馬文婧，張軼炳等.基于現(xiàn)代信息技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)——以“探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律”為例[J].物理教師，2018（07）： 66-70.

（收稿日期：2019-04-02）