基于手機Vernier Video Physics 的物理實驗教學研究

丁彥龍　馬廣平　袁世明

摘 要：將智能手機的APP功能應用于中學物理教學實踐，已成為教師激發學生學習興趣和培養學生動手能力的新途徑.利用Vernier Video Physics 研究了小車的勻加速直線運動和勻減速直線運動，得到了運動的軌跡圖以及小車運動的x-t、v-t圖象.實際生活中最常見的投籃過程中籃球的運動，作為二維斜拋運動的特例，得到了籃球運動的軌跡圖以及兩個方向上的x-t、v-t圖象.通過對圖象的分析提高學生對這些運動的深刻認識，解決了傳統教學中學生很難理解為什么將曲線運動分解為兩個直線運動的問題，使得教學更具可視化.將現代化教學設備應用到課堂教學，提高學生處理、分析圖象的能力，體現了核心素養對高中物理教學的基本要求.

關鍵詞：智能手機;Vernier Video Physics ;實驗教學研究

文章編號：1008-4134（2019）19-0063中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

作者簡介：丁彥龍（1987-），男，四川成都人，碩士，中學一級教師，研究方向：物理教學與研究;

馬廣平（1984-），女，四川成都人，碩士，研究方向：教育學;

袁世明（1964-），男，四川成都人，本科，中學特級教師，研究方向：中學物理教學研究.

1 引言

物理學是一門以實驗為基礎的科學，實驗探究是高中物理核心素養的重要組成部分，高中物理中很多概念的建立，規律的探索與應用都與實驗探究密不可分[1].

隨著智能手機和移動互聯技術的快速發展，手機傳感器、手機APP作為新興技術，開拓了物理實驗教學的新思路.一些難于測量、不便觀察、效果不明顯的難題得到了很好解決，同時提升了課堂教學中學生的體驗感和創新意識[2].《普通高中物理課程標準（2017版）》編寫的人教版教材，為了更好地體現時代特色、發展學生綜合素養，在教材中增加了智能手機測量物理量的新實驗方案，讓學生在感性上體會智能手機在物理實驗中發揮的作用[3].

對運動的認識與研究一直都是高中物理教學的重點，利用智能手機APP研究運動開創了高中物理實驗教學的新思路，目前還未見利用Vernier Video Physics研究運動的相關報道.本文介紹了該APP的具體實驗操作，在此基礎上研究了勻加速直線運動和勻減速直線運動及實際生活中最常見的投籃過程中籃球的運動.

2 Vernier Video Physics功能簡介

Vernier Video Physics的工作界面如圖1所示，它具有自動化的對象跟蹤和視頻分析功能，可以捕捉運動物體的視頻，然后點擊自動跟蹤，可以為對象創建軌跡，得到運動對象的x-t、v-t圖象，高中物理教學中的各種運動、實際生活中的運動例如投籃球、過山車、蕩秋千等都可以研究.

具體操作步驟：首先，使用手機相機捕捉物理運動的視頻，從照片庫中選擇一個視頻，對研究對象自動或手動添加點到視頻幀;其次，為對象設置視頻的比例，設置坐標系;最后，查看軌跡圖以及物體運動的x-t、v-t圖象，并結合導出來的數據進行分析.

3 利用Vernier Video Physics開展實驗探究

用手機拍攝小車運動的視頻，打開Vernier Video Physics APP并將視頻添加進來，選擇研究對象，用對象跟蹤的point 選中小車，如圖2（a）所示.以小車的出發點作為原點，建立直角坐標系，如圖2（b）所示，小車將在鉤碼的拉力作用下做勻加速直線運動.

點擊Track，跟蹤小車的運動軌跡，小車的運動軌跡圖如圖3（a）所示.點擊Graphs，查看運動的x-t、v-t圖象如圖3（b）所示，從x-t圖象可以看出圖象是一條拋物線，代表小車做勻加速直線運動，從圖象上可以得到小車在不同時刻的位置，從v-t圖象也可以看出小車沿水平方向上做勻加速直線運動，v-t圖象是一條傾斜的直線，通過計算圖線的斜率可以得到小車運動的加速度.

用同樣的方法，給小車一個初速度，小車在摩擦力的作用下做勻減速直線運動，同樣可以得到小車運動的軌跡圖如圖4（a）所示，點擊Graphs，查看運動的x-t、v-t圖象如圖4（b）所示，通過圖象可以看出，x-t圖象是一個開口向下的拋物線，圖線的斜率在減小，說明物體的速度在減小，v-t圖象更清晰的顯示小車做勻減速直線運動，然后靜止.

用手機拍攝同學投籃的視頻，打開Vernier Video Physics APP并將視頻添加進來，并選擇研究對象，用對象跟蹤的point 選中籃球，如圖5（a）所示.以籃球的出發點作為原點，建立直角坐標系，如圖5（b）所示，籃球在空中做的是斜拋運動，建立了水平方向和豎直方向的坐標系就意味著將斜拋運動分解到水平方向和豎直方向去研究.

點擊Track，跟蹤籃球的運動軌跡，得到軌跡圖如圖6（a）所示.點擊Graphs，查看兩個方向上運動的x-t、v-t圖象，水平方向的圖象如圖6（b）所示，從x-t圖象可以看出圖象是一條傾斜的直線，代表籃球在水平方向上做勻速直線運動，從圖象上可以得到籃球在不同時刻的位置，圖象的斜率代表籃球做勻速直線運動的速度，從水平方向v-t圖象也可以看出籃球在水平方向上做勻速直線運動.豎直方向上的圖象如圖6（c）所示，x-t圖象是一條拋物線，代表豎直方向做勻變速直線運動，v-t圖象是一條傾斜的直線，正半軸的圖象說明籃球做勻減速直線運動，即物體在豎直方向先向上做勻減速直線運動，一直減速到零;負半軸圖象說明籃球做反向的勻加速直線運動.所以，籃球做的斜拋運動可以分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的豎直上拋運動.

研究物體運動一直是高中物理教學的重點，傳統的教學中是根據物體的受力情況，根據牛頓運動定律得到加速度，或者利用打點計時器來計算小車在某時刻的速度和加速度，學生在理解這種思想的過程中缺乏直觀的體驗，有些甚至記住這種處理方法，這樣不利于培養學生的觀察能力和探索精神.運用上述實驗手段，可以研究實際生活中的復雜運動，通過實際的操作，不僅增加直觀體驗，而且可視性強.通過學生分析圖象，提高學生認識圖象的能力，并將實驗與理論相結合，讓學生體驗科學探究的一般過程，在科學探究中提升核心素養.

4 結束語

智能手機的快速發展助推了教育技術的革新，正改變著廣大教師教育教學的手段與思路.不同地區、不同學校可能因為條件限制不能裝備全新的數字化實驗室（如DISlab數字化實驗室）.這些基于智能手機平臺的技術使得每個教育工作者都可以根據實際需要創新實驗、改進教育教學方式[1].除了智能手機APP，還有手機傳感器，智能手機物理虛擬實驗室，手機制作微課的APP“微課寶”、Course maker等.隨著5G技術的實現，智能手機在教學中的應用將會更加廣泛，以智能手機為代表的移動終端將會引領教育教學的發展潮流.

參考文獻：

[1] 丁彥龍，馬廣平，付靜. 基于手機加速度傳感器的高中物理實驗教學探索[J]. 中學物理， 2019，37（9）：30-32.

[2] 劉玲. 如何使用DIS數字化實驗系統和APP開發學生實驗[J]. 物理教學， 2018（9）：29-30.

[3] 鄒麗暉. 基于手機傳感器的物理實驗教學研究[J]. 中學物理，2019，37（9）：28-30.

（收稿日期：2019-07-19）