利Tracker優(yōu)化5E教學模式

孫玉玲　朱新梅　軒銘浩　王強

摘? 要：“繩連物”是連接體模型的一個重要模塊，該模型中繩兩端所連物體的速度關(guān)系是教與學的難點。采用５Ｅ教學模式，借助Tｒａｃｋｅｒ軟件追蹤“繩連物”連接體中兩個物體的運動過程，利用可視化的實驗探究方法化解教學難點，深化對“繩連物”連接體模型的理解，培養(yǎng)學生的科學探究能力，提升學生的物理學科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：“繩連物”連接體模型；Ｔｒａｃｋｅｒ軟件；５Ｅ教學模式

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）6-0064-5

“繩連物”連接體是高中物理常見的模型，它涉及到連接體問題中力與運動的關(guān)系，需要應(yīng)用隔離法與整體法等物理學基本方法。對該模型的正確理解可以幫助學生深度建立運動觀和相互作用觀，培養(yǎng)學生的科學思維。

５Ｅ教學模式是科學教育領(lǐng)域的一種現(xiàn)代化教育模式，一共包括五個環(huán)節(jié)：吸引（Ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）、 探究（Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ）、解釋（Ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ）、遷移（Ｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ）和評價（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）。５Ｅ教學模式注重培養(yǎng)學生的探究能力與交流合作能力，有助于提升學生的物理學科核心素養(yǎng)［１－２］。

Ｔｒａｃｋｅｒ軟件是一種用于視頻分析的物理軟件，可以對運動物體進行追蹤，通過建構(gòu)相關(guān)的物理模型，對物體的位移、速度和加速度等運動學量進行定量分析。在物理教學中，利用Ｔｒａｃｋｅｒ軟件對視頻過程進行分析，有利于吸引學生注意力，活躍課堂氣氛，提高學生的學習興趣，啟迪學生的思維，加深學生對物理過程的理解，從而提高教學效果。目前，越來越多的教育工作者利用Ｔｒａｃｋｅｒ軟件進行物理課程數(shù)字化信息教學［３－４］。本文以“繩連物”連接體模型為例，探討了應(yīng)用Tｒａｃｋｅｒ軟件優(yōu)化５Ｅ教學模式的方法和思路，供同行借鑒。

１? ? 模型建構(gòu)與分析

常見的幾種“繩連物”連接體模型如圖１所示。圖１（ａ）的模型1和圖１（ｂ）的模型2中，兩物體沿繩方向運動，速度大小相等，學生很容易理解。而圖１（ｃ）中的模型3所示的是“岸上拉船”模型，該模型中船不沿繩方向運動，肖驍?shù)仍敿氂懻摿巳绾卫美释?shù)字化信息系統(tǒng)傳感器套件中的光電門器件對船速進行測量，并比較了實驗測量值與理論計算值的誤差，很好地驗證了岸上拉繩的繩速與船速的關(guān)系［５］。但是，其實驗裝置比較專業(yè)和復(fù)雜，不易用于課堂教學。

對于類似“岸上拉船”的模型，包含物體不沿繩方向運動的情況，需要根據(jù)運動效果對各個物體的運動速度按沿繩方向和垂直于繩方向進行分解。根據(jù)總繩長不變的特點，繩兩端位置在相同時間內(nèi)變化量的量值相等，即兩物體沿繩方向的速率相等。但是，對于沒有學過用位移變化率來表示速率的高中生而言，這種分析比較抽象，學生往往不會分析兩物體的運動過程，不能很好地理解和掌握兩個物體速度大小之間的關(guān)系。為了幫助學生主動參與實驗探究過程，深刻理解類似“岸上拉船”模型中各物體的速度關(guān)系，本文采用５Ｅ教學模式開展相關(guān)教學過程，借助Ｔｒａｃｋｅｒ軟件分析“岸上拉船”這一類“繩連物”連接體模型中各物體速度大小的關(guān)系。

２? ? 教學過程

２．１? ? 提出問題，引發(fā)思考（Ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）

例題１ 如圖２所示，重物A質(zhì)量為M，運動方向豎直向下，物體B質(zhì)量為m，運動方向水平向右。當繩子與水平面的夾角為α時，A的速度為v_A，問此時B的速度v_B為多少？

師：回顧我們常見的“繩連物”連接體，如圖１的模型１和模型２，這個問題與我們常見的“繩連物”連接體有何不同？

生：在我們常見的“繩連物”連接體中，物體運動方向與繩子方向一致，繩子兩端物體的速度相等，而在這個問題中，物體運動方向與繩子方向并不一致。這個問題類似于圖１中模型３所示的“岸上拉船”問題。

師：這個問題是典型的物體運動方向不沿繩的“繩連物”連接體問題，要想知道兩個物體的速度，就要清楚vA與vB的關(guān)系。同學們猜想一下，這兩個物體的速度存在著什么關(guān)系呢？

生：v_A等于v_B，v_A大于v_B……

師：我們之前學習過Ｔｒａｃｋｅｒ軟件，能否利用Ｔｒａｃｋｅｒ軟件來探究兩者的速度關(guān)系呢？

生：利用Ｔｒａｃｋｅｒ軟件對物體A與物體B的運動過程進行追蹤，再分析兩者的速度關(guān)系就可以。

師：老師這邊已經(jīng)準備了小車、形變可以忽略不計的細線（繩）、鉤碼、砝碼等實驗器材。下面，請同學們參與搭建實驗裝置。

２．２? ? 小組合作，主動探究（Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ）

采用實驗探究的方法獲取圖２中物體A與物體B的速度。學生之間相互配合，把小車和砝碼用細線連接，砝碼表示物體A，小車表示物體B，用鉤碼代替滑輪并固定在上方的支架上，細線繞過鉤碼。讓學生用三腳架固定好手機，從靜止釋放小車，拍攝砝碼和小車運動的視頻如圖３所示。

拍攝結(jié)束后，將視頻導(dǎo)入Ｔｒａｃｋｅｒ進行處理。分別對小車和砝碼進行追蹤，圖４（ａ）為小車位置追蹤圖，圖４（ｂ）為砝碼位置追蹤圖。為了便于同時分析小車和砝碼的速度大小，將兩物體的速度追蹤數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ｅｘｃｅｌ表格進行數(shù)據(jù)處理，作出了小車與砝碼的速率隨時間的變化曲線，如圖５所示。

２．３? ? 利用可視化結(jié)果，合理解釋模型（Ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ）

師：從小車與砝碼的速率對比圖中，大家有什么發(fā)現(xiàn)？

生：從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，小車和砝碼的速率不相等，并且小車的速率始終大于砝碼的速率，這是為什么呢？

師：由于小車的實際運動，也就是小車的合運動是水平向右的。速度是按實際效果分解的，同學們來觀察視頻中小車的運動過程（此處慢速播放），細繩拉著小車，使小車產(chǎn)生了哪些效果？

生：一個效果是小車有沿繩方向上升的運動趨勢，另一個效果是小車相對滑輪固定軸旋轉(zhuǎn)的趨勢，這兩個運動合成后的總效果為小車水平向右運動。

師：所以小車的合速度應(yīng)該分解為平行于繩方向的分速度v∥，以及垂直于繩方向的分速度v⊥（圖６），其中v_∥=v_車cosα。接下來，利用視頻選取六幀圖像，畫出速度分解示意圖，并測量細線與水平面夾角α，探究砝碼速率與小車沿繩方向分速度大小之間的關(guān)系，將數(shù)據(jù)記錄在表１中，并畫出對應(yīng)的散點圖，如圖７所示。由所得數(shù)據(jù)可知，在誤差允許的范圍內(nèi)，該實驗中砝碼速率與小車沿繩方向分速度大小相等，即v_砝碼=v_車cosα，其中，0°<α<90°。這樣，就可以很好地解釋圖５中小車的速率為什么始終大于砝碼的速率。

２．４? ? 拓展延伸，有效遷移（Ｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ）

師：我們已經(jīng)掌握了小車速度大小和砝碼速度大小的關(guān)系，也學會了分解小車的速度。現(xiàn)在，請大家分析圖１ （ｃ）模型３中的小船速度大小v₂與拉繩速度大小v₁之間滿足怎樣的關(guān)系？

生：在繩拉船的問題中，小船合速度方向水平向左，將小船速度沿平行于繩和垂直于繩方向分解，沿繩方向分速度的大小等于拉繩速度v₁，即：v₁=v₂cosθ。

師：大家已經(jīng)初步掌握了物體運動方向不沿繩的“繩連物”連接體問題的速度分析方法。最關(guān)鍵的就是將物體運動看成是平行于繩方向和垂直于繩方向的合運動，且兩物體沿繩方向的速度大小相等。接下來，我們一起來看一道例題。

例題２ 如圖８（ａ）所示，A，Ｂ兩車通過一個細繩跨繞在定滑輪兩側(cè)，分別放于光滑水平面上，A車以速度vA向右做勻速直線運動，當繩與水平面夾角分別是α和β時， B車的速度是多少？

師：這個問題中，兩個物體的運動方向都不沿繩，兩車的速度有什么聯(lián)系呢？

生：A車沿繩方向的分速度大小和B車沿繩方向的分速度大小相等。

師：請同學們結(jié)合我們學習的速度分解方法，來解決這個問題。

生：將兩車速度分別正交分解成沿繩方向和垂直于繩方向，如圖８（ｂ）所示。利用剛才實驗探究的結(jié)論，兩車沿繩方向速度相等，即

２．５? ? 全程評價，提升素養(yǎng)（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）

師：請同學們思考我們的實驗結(jié)果，為什么小車沿繩的分速度大小和重物砝碼的速度大小相比會有誤差？

生：利用Tｒａｃｋｅｒ?qū)ε臄z的視頻進行數(shù)據(jù)處理會存在一些誤差。另外，測量角度時也會存在誤差。

生生互評：同學之間相互討論小車速度如何分解？為什么要這樣分解？在遷移環(huán)節(jié)，同學之間相互檢查速度分解圖示是否正確。

除了上述的師生評價和生生評價的具體內(nèi)容之外，評價過程貫穿于整個教學過程。吸引環(huán)節(jié)通過不同“繩連物”連接體模型的呈現(xiàn)，過渡到“岸上拉船”這一類模型，引發(fā)學生的思考。此時，可以通過提問判斷學生的注意力和興趣是否集中在怎么判斷繩兩端物體的速度大小上。探究環(huán)節(jié)可以評價實驗裝置的搭建、實驗過程的規(guī)范性、視頻的拍攝方式和技巧、利用Ｔｒａｃｋｅｒ追蹤小車和砝碼的視頻處理方法等環(huán)節(jié)。解釋環(huán)節(jié)可以評價學生對圖像的描述是否科學。比如，應(yīng)該描述成小車的速度可以沿平行于繩和垂直于繩方向分解，因為速度是矢量，可以采用平行四邊形定則進行分解。但是，在比較小車沿繩分速度與砝碼速度的關(guān)系時，應(yīng)該表達為二者速度大小的關(guān)系。因為這兩個速度方向是不一致的，真正用來比較的是速度大小。遷移環(huán)節(jié)可以評價學生在分析物理問題時能否抓住關(guān)鍵要素。例如，能否抓住模型３的“繩連物”連接體中物體速度大小關(guān)系的關(guān)鍵點。

３? ? 結(jié)束語

通過創(chuàng)設(shè)類似“岸上拉船”模型的“繩連物”連接體模型的問題情境，吸引學生猜想繩兩端物體速度的大小關(guān)系，激發(fā)學生對這一類模型的探索興趣。借助Ｔｒａｃｋｅｒ軟件追蹤“繩連物”連接體中兩個物體的運動過程，利用可視化幫助學生探究吸引環(huán)節(jié)提出的問題：“繩連物”連接體模型中各物體運動速度大小之間的關(guān)系。視頻拍攝及分析過程可以培養(yǎng)學生的合作交流能力。解釋環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理和分析過程可以提高學生借助信息化手段的實驗探究能力。“一圖勝千言”，學生通過不同角度砝碼速率和小車沿繩速率的圖像，可以非常直觀地得到二者之間的關(guān)系，深度理解速度分解法。通過遷移環(huán)節(jié)中問題的設(shè)置和學生解決問題的情況，可以判斷學生是否進行了有效的知識遷移。

“繩連物”連接體模型不僅涉及運動學問題的分析，還包含豐富的動力學問題。比如，高中物理必修一“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”實驗就是一個典型的“繩連物”連接體模型，國外已有學者利用不同的數(shù)字化信息手段對這一類模型進行了深度探究［６］。所以，利用５Ｅ教學模式建構(gòu)“繩連物”連接體模型，并借助Ｔｒａｃｋｅｒ?qū)υ撃Ｐ瓦M行視頻追蹤分析，突出了學生的主體地位，讓學生經(jīng)歷了模型建構(gòu)過程，有效促進了學生的知識遷移，是非常有意義的教學實踐探索。

參考文獻：

［１］吳成軍，張敏．美國生物學“５Ｅ”教學模式的內(nèi)涵、實例及其本質(zhì)特征［Ｊ］． 課程·教材·教法，２０１０，３０（６）：１０８－１１２．

［２］邱蕾，袁海泉．基于“５Ｅ”教學模式的物理觀念教學探討［Ｊ］．中學教學參考， ２０２２（５）：５７－５９．

［３］邵欣穎，程敏熙，楊博，等．用視頻分析軟件Ｔｒａｃｋｅｒ研究小球在豎直平面內(nèi)的圓周運動［Ｊ］．物理教師，２０１９，４０（６）：５８－５９．

［４］軒銘浩，朱新梅．利用Ｔｒａｃｋｅｒ軟件對“水流星”問題進行探究［Ｊ］．物理之友，２０２１，３７（５）：１７－１８．

［５］肖驍，李正福，陳清梅．繩端速度關(guān)系問題的實驗研究——以“岸上拉船”模型為例［Ｊ］．中學物理，２００８，２６（８）：２７－２８．

［６］Ｓｕáｒｅｚ Ｈ Ｊ Ｈ，Ｍａｃｈａｄｏ－Ｈｉｇｕｅｒａ Ｍ，Ｍｕｏｚ Ｊ Ｈ． Ｔｗｏ ｂｌｏｃｋｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂｙ ａ ｓｔｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｅｎｓｉｏｎ：ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｃａｓｅ［Ｊ］． Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，２０２０，５５（5）：55022-1-７．

（欄目編輯? ? 賈偉堯）