創設真實情境 提升學生素養
——運用Tracker軟件輔助真實情境下探究活動的實踐和探索

傅竹偉

（無錫市輔仁高級中學，江蘇無錫 214123）

新課程背景下，物理教師們正在努力用各種方式將真實情境引入物理教學.筆者認為，信息化的手段為真實情境與物理教學的結合提供了許多有益的工具.近日，筆者在所任教學校的高一年級進行了一系列結合Tracker軟件的教學實踐活動，包括組織學生利用Tracker軟件的自主探究活動、將Tracker軟件和課堂教學相結合等，希望利用Tracker軟件和真實情境的有機結合，創設出真實生活情境下的學習和探究環境.

Tracker軟件是一種視頻分析軟件，具有運動物體跟蹤和運動分析等功能.本文不贅述軟件的具體用法，相關內容可在互聯網上找到介紹.本文將主要圍繞筆者在“自由落體運動”實際教學中的一次應用實例，論述如何將軟件與真實情境有機結合，引導學生的探究活動，分析其在提升學生核心素養方面的積極作用.

1 Tracker軟件應用實例：探究活動——探究“自由落體運動的規律”

生活中許多物體的自由下落都可近似認為是自由落體運動，屬于一種常見的真實情境.傳統的研究方式是利用打點計時器研究重錘的下落運動，這種方式精確度高，科學性強，但學生在實際生活中幾乎不會見到重錘的下落，其情境的真實性不如生活中常見物品的下落運動.所以筆者利用Tracker軟件引導學生用身邊的真實物品，親手進行探究活動.具體流程如圖1所示.

圖1 運用Tracker基于真實情境探究活動的設計流程

筆者利用周末前的一節課給學生布置了探究任務：讓學生根據自身條件，在家用Tracker軟件研究自由落體運動的性質.筆者提出的要求是：在身邊尋找一個合適的物品（其下落的運動應接近于自由落體運動），用手機或相機拍攝該物體自由下落的過程，將視頻導入電腦，使用Tracker軟件進行分析，并繪制其位移 時間圖像和速度 時間圖像，通過研究和分析，探究自由落體的運動性質，找出自由落體的加速度，并將實驗成果制作成PPT，在課堂上展示.

1.1 充分的前期準備

Tracker軟件作為一個新工具，在學生從未接觸的情況下讓他們直接進行探究是不現實的，所以需要教師提前規劃和鋪墊，讓學生經歷初步認識到逐步熟悉的過程.筆者在必修一第1章第2節“時間位移”的教學中第1次展示了Tracker軟件.筆者提前拍攝了一位學生在操場上跑步的視頻，并用軟件進行了處理和分析（如圖2）.學生第一次認識了Tracker軟件及其功能，初步接觸如何利用Tracker軟件把物體抽象為質點，記錄下物體在不同時刻的位置，直接生成位移 時間圖像等，而這一基于真實場景的分析也讓學生眼前一亮.課后有不少學生來和筆者探討，學生對于軟件的應用產生了一定的興趣，對于進一步的應用有了期待.在后續加速度的教學、速度時間圖像的教學中，筆者都利用了Tracker軟件進行了相關內容的應用展示，學生慢慢熟悉并適應軟件的應用，為他們之后探究活動的進行打下了基礎.

圖2 運用Tracker分析學生奔跑時的頭部運動

1.2 有效的問題引導

由于條件限制，這項探究活動是讓學生在家自主進行的.沒有教師現場的指導，探究過程勢必會有更多的不可控因素.為了解決這個問題，筆者設置了一系列的問題及活動要求，以引導學生合理有效地展開探究活動.引導問題如下.

（1）查閱資料，了解什么是自由落體運動.

預設答案：只受重力（不受空氣阻力）由靜止開始的落體運動；

（2）選擇什么樣的物品做實驗合適？為什么？

預設答案：受空氣阻力較小的物體，比如小鐵球，玻璃珠等；可以減少空氣阻力的影響；

（3）釋放物體時需要注意什么？

預設答案：必須保證物體由靜止釋放，以保證物體初速度為0；

（4）拍攝下落過程時要注意哪些問題？

預設答案：拍攝設備需保持平穩，最好使用三腳架；

（5）你得到的自由落體運動的速度時間圖像是怎樣的？說明自由落體運動是什么運動？

預設答案：速度 時間圖像接近一條傾斜直線.說明自由落體運動是勻加速直線運動；

（6）如果你得到的自由落體運動是勻變速直線運動，其加速度是多少？

預設答案：加速度接近9.8m／s2；

（7）你認為應該如何改進你的實驗以讓實驗結果更科學？

預設答案：使用拍攝精度更高的設備以減少殘影的影響；選用質量更大體積更小的物體來進行實驗，以減少空氣阻力的影響等；

（8）在改進實驗之后你得到的實驗結果有什么變化？說明什么問題？

預設答案：利用空氣阻力影響更小的物體進行實驗，加速度越來越接近9.8m／s2；說明理想狀態下的自由落體運動是加速度大小為9.8m／s2的勻加速直線運動.

學生在探究活動進行之前以及進行的過程中，需要圍繞著這8個問題進行思考和分析.這8個問題中，前4 個問題是引導學生更為精確地進行實驗操作，后4 個問題則是引導學生對實驗數據進行研究和討論，進一步地嘗試更精確的實驗，逐步得到科學準確的結論.

1.3 即時的在線指導

雖然學生是在各自家中進行探究活動，但在學生進行過程中，筆者通過網絡的方式始終和學生保持著聯系，并對他們進行即時的指導.探究活動的過程中，學生不僅僅基于之前的引導性問題進行思考和嘗試，還不斷提出新的問題和想法，比如利用慢速攝影優化拍攝效果、利用Tracker 軟件研究伽利略的探究過程（利用斜面來研究落體運動）等等，并根據這些問題和想法進行調整和新的嘗試，同學們之間也進行著充分的交流和討論，探究活動過程中，同學們的科學探究能力得到了充分的培養.

1.4 精彩的交流展示

探究活動之后，筆者收集了學生們的成果.出乎筆者意料的是，學生們的研究并沒有僅僅局限于自由落體運動性質一項，而是生成了更為豐富的成果，其中包括：

（1）歷史上對于自由落體運動的研究；

（2）利用尺子和橡皮進行伽利略斜面實驗的重現；

（3）拍攝設備適用性的分析以及拍攝過程中畸變問題的解決；

（4）嘗試了反應尺的制作.

筆者挑選了較為成功的幾個小組，對他們的結果進行了基本的分類，讓他們結合自身的探究活動從不同的方面，在課堂上進行交流展示.學生們的表現遠超筆者預料，探究過程、遇到的困難、如何解決和改進、最終的探究成果等等都完整精彩地呈現了出來（圖3-圖5）.由于學生們自己都親手進行了實驗，每個人都感同身受，學習交流的氛圍超過了筆者之前的絕大多數課堂.

圖3

圖4

圖5

1.5 積極的評價反饋

為了讓展示過程更能激發學生的熱情，提升學生的評價能力，筆者嘗試設計了評價量表（如表1），分別從物理內容和展示能力的角度，讓學生對各自展示內容和過程進行評價，評價表如下.

表1

評價對象：

彼此之間的相互評價，讓學生的熱情被進一步激發，學生通過彼此之間的互動討論，提問辯論，集思廣益，相互啟智.

2 Tracker軟件輔助真實情境下探究活動對學生核心素養的提升

2.1 激發學習興趣

興趣是最好的老師，只有對學習有了興趣，才能自然產生學習和研究的熱情.探究活動中，很多同學嘗試了用多種不同的物品進行實驗，并在多次實驗中進行比較和分析，找出不同物品作為實驗對象的適合性.還有的學生嘗試了不同的拍攝背景，以便于更加凸顯研究對象的運動過程.學生對于此次探究活動表現出了極為濃厚的興趣.筆者之后也利用問卷星對學生進行了調查，其中在“Tracker軟件是否讓你更有興趣對物理知識進行探究？”的問題中，94.24%的同學表示大大提升了興趣或提升了一些興趣（圖6）；在“你認為Tracker軟件使用是否有助于你對于相關知識的掌握？”的問題中，94.12%的同學表示很有幫助或者有一定的幫助（圖7）；在“今后你是否愿意運用Tracker軟件對其他問題或知識進行研究？”的問題中，86.28%的同學表示非常愿意或者較為愿意（圖8）.

圖6

圖7

圖8

結果表明，這次探究活動大大激發了學生的學習興趣.絕大多數學生都表示愿意更多嘗試此類結合信息技術的探究活動.

2.2 突破時空限制

傳統的物理實驗受到各種條件的限制，大多數情況下，只能利用在校時間在實驗室進行.這次探究活動則突破了時空的限制，讓居家實驗變得可能.在之后的教學過程中，筆者還多次嘗試讓學生進行居家實驗，比如在超失重的教學中，讓學生提前在家進行體重秤上的下蹲起立實驗；在圓周運動的教學中，讓學生利用周末時間體驗騎自行車過拱形橋等等.并讓學生拍攝視頻，將視頻拿到課堂上進行分析和討論.選擇合適的實驗，讓學生居家進行，學生隨時隨地進行學習和研究，既拓展了學生學習的疆域，也讓學生真正感受著物理與生活的密切關系.

2.3 建立物理觀念

真實的教學情境，更能幫助學生建立科學的物理觀念.Tracker軟件作為視頻分析軟件，其最大的價值便在于使研究場景完全真實化和生活化.學生在這次探究過程中所用的對象從清一色的小鐵球或重錘，變成了生活中各種常見的物品，有乒乓球、牛奶罐、網球、橡皮等等；探究活動中，學生還邀請了自己的父母、兄弟姐妹一起參與，這些都讓這次探究活動變得真實而生動.Tracker軟件輔助真實情境創設的教學方式既可運用于探究活動，也可運用于日常教學，例如筆者在必修二第5章第1節“曲線運動”的教學中，再次使用Tracker軟件，分析了現場拍攝的投籃視頻，供學生在課堂上進行分析研究（圖9—10）.總之，Tracker軟件的應用，為基于真實情境的物理教學提供了極大的可能，也使得學生的運動觀、相互作用觀等物理觀念在真實的情境中得到了建立和發展.

圖9

圖10

2.4 促進科學思維

科學思維包括模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新.在這次探究活動中，學生的各種科學思維在不知不覺中得到了發展.例如，Tracker軟件將視頻導入后的一個步驟是把研究的物體抽象為質點來進行標注，使用過程中還需要把運動軌跡用平滑曲線連接，這些對于學生的模型建構能力自然而然地產生了影響；此外，由于沒有限制學生所選擇的物體，學生在選擇的過程中有了自然的思考，什么樣的物體適合用來做研究，不同的物體分別會產生什么影響，物體的體積、重量，甚至材質、色彩、物體下落過程中的旋轉都成了他們考慮的因素，在對這些問題進行思考和分析以及不斷嘗試的過程中，學生的科學推理、科學論證、質疑創新等能力都得到了促進.

2.5 發展科學探究

學生在基于引導性問題設計實驗的過程中，發現了不少其他問題，比如背景對清晰度的影響，拍攝設備對實驗的影響等等.為了成功地進行實驗，他們深入思考，尋找證據，努力解決問題.在制作展示文檔的過程中，他們對自己的探究過程進行描述，對實驗結果進行分析和解釋.實驗過程中，大家提出各種問題，嘗試為這些問題尋求證據和解決方案，對自己的實驗結果進行分析和解釋，并在師生之間、學生之間開展充分的討論和交流.在之后的課堂中，向同學展示自己的實驗成果.整個過程，學生的各方面科學探究能力得到了充分地發展.

2.6 培養科學態度

這次探究活動中，也有一些學生沒有得到理想的結果.在此情況下，他們中的大多數并沒有簡單粗暴地修改數據，他們一方面大方地展示自己不理想的成果，另一方面努力尋找產生誤差的原因，積極尋求改進方案，學生實事求是的科學態度得到了培養.還有學生告訴筆者，自己幾乎花了一整天的時間查閱資料，進行實驗，改進操作，整理成果，制作展示文檔等等，學生身上無畏失敗，不斷嘗試的精神也在慢慢生長.

3 結語

將諸如Tracker軟件這樣的信息技術與課堂教學和探究活動進行有效結合，使學生做到了真實情境下的學習和探究，讓學生真正做到了有深度的思考、有意義的探究、有質量的交流，也真正地讓學生的核心素養得到了有效地提升.