基于現代信息技術的中學物理實驗改進
——以“探究自由落體運動規律”為例

鄭宇晴 馬文婧 張軼炳

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021)

2012年3月,教育部頒布《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》,其中提出“以教育信息化帶動教育現代化”,并在文件中多次提到教育教學發展與信息技術深度融合的與時俱進性.[1]

近年來,信息技術融入中學物理實驗教學的重要性得到廣泛重視.在中學物理實驗教學的基礎上借助信息技術高效、精準、新穎及個性化需要的特點,對于改進傳統物理教學的實驗設備和方法具有啟發效果,可以提高學生學習興趣,從而幫助推進物理實驗過程,促使實驗結論的得出.本文以高中物理“探究自由落體運動規律”的實驗教學為例,在客觀分析傳統教學設備及方法的缺點和問題的基礎上,從信息技術改進物理實驗角度出發,利用現代數碼產品拍攝技術及軟件的整合使用,以期改進傳統實驗教學方法,更好促進“自由落體運動規律”探究實驗過程的科學展開.

1 研究背景

1.1 教材分析

落體運動是生活中的常見現象.“自由落體運動”在高中物理教學中占有重要地位.“探究自由落體運動規律”是既學生理解自由落體運動概念、特點及下落影響因素后安排的、符合學生學習需求及其認知結構的實驗探究部分的教學內容,是勻變速直線運動的特例.橫觀各版本的高中物理教材,該實驗的探究和意義在后續知識的學習中都扮演著重要角色.[2]

“探究自由落體運動規律”的實驗教學主要圍繞兩方面進行: (1)通過實驗分析得出運動性質:自由落體運動是勻加速直線運動; (2)通過數據計算得到結論:自由落體運動的加速度大小約為9.8 m/s2.換言之,“探究自由落體運動規律”教學可分為實驗探究和數據處理兩個過程,是定性與定量分析兼具,且以定量分析為主的物理探究實驗.

1.2 “探究自由落體運動規律”的傳統教學方法分析

1.2.1 傳統教學—實驗部分分析

傳統實驗教學在“探究自由落體運動規律”上主要借助打點計時器或頻閃照相儀兩種實驗儀器進行.

(1) 打點計時器記錄自由下落重物運動軌跡.

圖1 打點計時器研究“自由落體運動規律”實驗

利用打點計時器研究自由落體運動規律是最常見的傳統實驗教學方法,如圖1.它是通過與紙帶相連的重物穿過打點計時器后的自由下落,根據紙帶上的打點點跡反映其運動軌跡的實驗方法.但該方法的缺點是,自由下落重物與紙帶相連結會一定程度影響“自由”釋放的特點,且振針與紙帶打點時會因打點碰撞產生摩擦阻力,從而導致實驗數據往往不夠穩定.筆者曾在課堂教學中引導學生采取分組方式進行該實驗,然而全班6組學生在多次正確規范操作下,得到的打點數據計算結果與理想實驗數值相差較大.因此,有教師甚至不得不違背實驗科學性:通過課下數次實驗找到其中一條較理想的下落紙帶,再采取與課堂演示實驗得到紙帶進行“掉包”的方法,“促使”實驗結論得出,[3]很顯然這種違背科學性的實驗教學方法是不可取的.

(2) 頻閃照相儀等時間間隔曝光記錄運動位置.

該方法通過頻閃照相儀等時間間隔對正在自由下落重物進行頻閃感光拍照于同一底片上來記錄其運動軌跡.但通常,中學物理教師無法實際操作這一實驗.一則因為頻閃照相儀價格昂貴,中學物理實驗室通常不予配備此設備;二則頻閃照相儀感光拍照需要絕對的暗室條件進行,對周圍環境要求較高,且需沖洗放大照片的過程較為復雜.因此這種方法的教學通常是教師直接向學生展示網絡搜集到的頻閃照片,無法讓學生切身體會其頻閃拍照實驗過程,而使課堂缺乏真實感.

1.2.2 傳統教學—數據處理分析

傳統教學在“探究自由落體運動規律”實驗對數據的處理分析主要以逐差法和圖像法為主.

(1) 逐差法——公式計算得出結論.

逐差法是傳統教學在處理勻變速直線運動的判斷及求解加速度時最常用的數據處理方法.

圖2 相鄰點跡間為6個位移數值的紙帶模型

(2) 圖像法——坐標紙描點、連線繪制圖像.

圖像法處理“探究自由落體運動規律”實驗數據,是通過所測數據——“位移”及“時間”等相關量的函數關系曲線來判斷其運動性質的方法.通過猜想,分析運動性質所對應的相關函數曲線,并以此作為通過圖像法繪出函數曲線后所對應運動性質的依據.

綜合以上分析,傳統教學方法在“探究自由落體運動規律”實驗中存在著一定科學性及嚴謹性的教學弊端.

2 整合現代信息技術,改進“探究自由落體運動規律”實驗

為克服傳統教學方法弊端,改進“探究自由落體運動規律”實驗,以框架圖分析現代信息技術引入對改進實驗的幫助及優勢,如圖3.

2.1 實驗部分改進

采用現代信息技術——照相機連拍、視頻逐幀處理技術可克服傳統實驗方法教學弊端,有效完成該實驗教學.

(1) 照相機連拍技術記錄自由落體運動軌跡.

信息技術媒體:數碼照相機;計算機“畫圖”等圖像處理軟件.

連拍功能是對物體運動過程的快速連續拍攝.利用照相機連拍可得到運動物體等時間間隔點的運動位置,達到跟蹤物體運動時間和對應位置情況的效果.在“探究自由落體運動規律”教學中(實驗儀器如圖4),利用照相機連拍技術拍攝重物自由下落運動過程,可快速捕捉其下落過程中等時間間隔點的對應位置情況,得到相應連拍照片,有效記錄重物自由下落過程的運動軌跡.

圖4 “照相機連拍技術記錄自由落體軌跡”實驗儀器

同時,采取計算機“畫圖”軟件對連拍照片“放大”處理,清晰讀出重物下落緊靠的刻度尺上所對應的位置數值.

以索尼ILCE-6000L微單數碼相機(索尼α-6000)的“連拍-hi”功能下所拍攝到小鋼球的自由下落過程實驗照片及數據為例,對上述內容輔助解釋.

利用索尼α-6000連拍技術拍攝小鋼球的自由下落過程,快速捕捉其下落過程的運動位置,記錄運動軌跡.實驗得到如圖5所示的連拍照片有效截圖.

圖5 索尼α-6000連拍技術拍攝到的小鋼球自由下落過程有效照片

采用“畫圖”軟件對上述照片“放大”處理,可以清晰讀出小鋼球所對應刻度尺的位置數值.以圖5連拍照片第3張“放大”處理后的讀數截圖為例,如圖6,對應刻度數值為16.16 cm.其他“放大”后所讀數值記錄,如表1所示.

圖6 “畫圖”軟件的放大照片讀數效果

連拍位置12345時刻t/s01/112/113/114/11讀數s/cm0.004.0516.1636.3564.76

(2)視頻逐幀處理技術記錄自由落體運動軌跡.

信息技術媒體:數碼攝像機;計算機“暴風影音”等視頻處理軟件及“畫圖”軟件.

2.2 數據處理分析——Excel圖像法

為克服傳統手工繪圖粗糙、效率低及不夠準確的弊端,可采用現代信息技術Excel軟件圖像法實現對測量數據表格記錄、圖像繪制及曲線擬合功能,完成實驗數據處理,達到高效、準確的效果.

(1) 對實驗數據進行表格記錄.

由舉例中“照相機連拍技術記錄自由落體運動軌跡”實驗數據,采用Excel可完成表格繪制、記錄,并實現函數公式計算t2數值記錄,表格截圖如圖7.

圖7 Excel表格記錄實驗數據截圖

(2) 繪制s-t及s-t2圖像,得出運動性質.

圖8 由Excel繪成的s-t圖像

圖9 由Excel繪成的s-t2圖像

(3) 線性擬合求出加速度大小.

圖10 由Excel繪成的s-t2直線方程擬合圖像

3 結語

利用照相機連拍及視頻逐幀處理技術,整合后期“畫圖”及Excel軟件功能探究實驗,克服了傳統教學方法在“探究自由落體運動規律”實驗的缺點弊端,使實驗更加精準、高效,從而合理改進傳統實驗設備及方法,提高實驗科學、嚴謹性,有效促進了“探究自由落體運動規律”實驗的進行.信息技術與改進中學物理實驗進行整合,可以在尊重學生認知結構的同時,鍛煉學生的科學探究能力和創新精神,激發學生學習的好奇心、求知欲,推動信息技術與物理課程整合的進一步發展,從而在改進傳統教學方法中,更好促進了中學物理實驗教學.