基于Tracker軟件的可視化定量物理實驗教學設計

2022年福建省高校物理學科聯盟教學改革研究項目：新課改背景下物理卓越教師教學能力的再提升與實踐成果的推廣應用（FJPHYS-2022-B10）研究成果；福建師范大學2022年本科教改項目：新課標背景下提升物理師范生實驗創新能力實踐研究（I202201052）研究成果

摘" "要：立足于物理學科核心素養的提升來優化教學設計。結合視頻跟蹤分析Tracker軟件，開發一物多用的自制教具進行實驗探究，實現平拋運動對比研究與軌跡研究方式結合；實現平拋運動與“模擬分運動”的演示對比，聚焦位移、速度等具體物理量拓展實驗內容；實現更加精確便利高質的平拋實驗探究。教學設計總體進行“軌跡獲取—運動分解—探尋分運動特點—聚焦位移、速度物理量驗證運動的合成與分解”等，環環相扣的平拋實驗探究活動，從定性到定量，體現鏈接“化繁為簡、化曲為直、化未知為已知”的邏輯通路。

關鍵詞：核心素養；平拋運動；物理實驗；教學設計

前言

以人教版必修二為例，平拋運動上承曲線運動，是曲線運動中的典例，下啟圓周運動等，是復雜曲線運動的基礎，是高中階段重要物理規律之一；從科學方法上看，平拋運動是繼學習運動的合成與分解知識之后第一個系統應用運動的合成與分解方法來研究的曲線運動。“實驗：探究平拋運動的特點”是平拋運動知識的開篇，是研究復雜曲線運動的科學探究方法的首要載體，是掌握運動學研究中“化曲為直”“化繁為簡”科學思想方法的關鍵環節[ 1 ]。

筆者響應課標要求與建議，立足于物理學科核心素養的提升來優化教學設計。開發一物多用的自制教具，結合視頻跟蹤分析軟件Tracker軟件，實現更加精便高質的實驗探究。教學設計環節概覽如圖1所示。教學設計以籃球、紙飛機的拋體運動現象辨析引入，抽象出平拋運動模型；進行“軌跡獲取—運動分解—探尋分運動特點—聚焦位移、速度物理量驗證運動的合成與分解”等，環環相扣的平拋實驗探究活動，從定性到定量，體現鏈接“化繁為簡、化曲為直、化未知為已知”的邏輯通路，將物理與數形融洽結合，使學生從模型建構、科學思維、科學探究等多方面養成良好的物理學科核心素養，預備高階思維能力；最后以虛擬游戲的物理情境鞏固所學，寓教于樂的同時提高學生的知識遷移水平、問題解決能力。

1" 教學目標

物理觀念：通過體驗并分析籃球與紙飛機的運動，理解拋體運動、平拋運動物理概念；通過實驗探究知道平拋運動水平方向和豎直方向的特點、認識平拋運動特點；進一步形成運動與相互作用觀念。

科學思維：通過對平拋運動的觀察研究，能從實際運動中抽象并構建出拋體運動的物理模型；通過用運動合成與分解的方法結合自制教具以及Tracker軟件分析平拋運動，掌握“化繁為簡”的物理思想和數理結合的分析方法。

科學探究：通過實驗探究，能夠聚焦平拋運動探究實驗的核心問題，明晰研究思路、設計實驗方案；通過使用教學儀器結合慢動作拍攝以及Tracker軟件進行探究性實驗，進行對比觀察和實驗數據處理分析，發現平拋運動的特點。

科學態度與責任：通過探究性實驗養成嚴謹求真、樂于探索的科學態度和科學精神，認識到物理研究是一種對自然現象進行抽象的創造性的工作。

2" 指向提升核心素養的教學設計

2.1" 情境引入，明晰概念

活動1：教師與學生現場感受用手拋出的籃球和用手拋出的紙飛機的運動，通過展示生活中的拋體運動，展現物理與生活的聯系，喚起學生記憶中的表象；引導學生概括它們的共同特征，同時關注受力差異，將感性認識上升到理性認識，明晰平拋運動的概念，提升科學思維能力。

問題1：兩物體分別做什么樣的運動？

問題2：兩運動有何異同點？運動軌跡和受力情況如何？

分析：二者皆做曲線運動，即所受合力方向與運動方向不一致；二者皆受到重力；籃球受到的空氣阻力與重力相比較小，可忽略不計，所以籃球可視為在恒力——重力的作用下運動，軌跡較穩定；紙飛機運動狀態受空氣阻力影響較大，且空氣阻力大小瞬息多變，導致紙飛機運動軌跡不固定。構建拋體運動理想化模型：以一定的速度將物體拋出，在空氣阻力可以忽略的情況下，物體只受重力的作用，這時的運動叫作拋體運動。如果初速度是沿水平方向的，這樣的拋體運動就叫作平拋運動。

2.2" 實驗探究平拋運動特點

2.2.1" 確定科學手段，獲取運動軌跡

活動2：思考運動軌跡的獲取手段，為后續通過軌跡法研究平拋運動立下鋪墊。聯系已有知識進行學習遷移，回顧打點計時器探究小車速度隨時間變化的規律等運動學探究實驗，引導學生思考可使用水流法、頻閃照相法、錄像等方法獲得平拋運動軌跡，啟發學生進行實驗環節的初步設計。教師展示相關方法獲得軌跡的過程及結果，引導學生觀察發現平拋運動軌跡與拋物線相類似。

問題1：如何研究平拋運動？

問題2：如何獲取平拋運動軌跡？

活動3：通過擲箭實例幫助學生更加生動直觀地感受運動軌跡中包含的位移、速度信息。演示平拋擲箭，箭扎入地面的夾角即為此刻箭的速度方向與水平面夾角，類比此例，瞬時速度方向為過某點沿軌跡曲線切線方向；聯系曲線運動知識，得到的運動軌跡圖，辨析軌跡上某一點的速度方向與位移矢量。

2.2.2" 平拋運動正交分解，探尋分運動特點

活動4：引導學生回顧上一節運動合成與分解中對蠟塊運動的分解思想，運用“運動合成與分解”的方法根據平拋運動實際進行復雜運動的分解，經歷“化繁為簡”“化曲為直”過程，體驗科學思想方法的使用；根據平拋運動的初速度與受力情況沿水平方向與豎直方向分解平拋運動，建立直角坐標系，并將拋出點設置為坐標原點。

問題1：如何對平拋運動這一復雜曲線運動進行分析研究？

問題2：如何進行“化曲為直”的正交分解？分解方向如何？運動分解坐標系與坐標原點如何設置？

活動5：教師簡單介紹教具使用原理，結合自制教具依次進行平拋運動與豎直自由落體運動、水平勻速直線運動的對比演示。當忽略小球所受空氣阻力與摩擦阻力時，在豎直方向上平拋運動小球與自由落體運動小球幾乎同步下落；在水平方向上平拋運動小球與勻速運動小球幾乎同步右移，實驗呈現效果如圖2所示。為學生提供有關平拋分運動特點的直觀感性體驗，同時感受合運動與分運動之間的等時性與獨立性。為進一步“化未知為已知”奠定基礎。

問題：平拋運動在水平與豎直方向上的分運動分別有什么特點？

活動猜測：平拋運動在水平方向上做勻速直線運動，在豎直方向上做自由落體運動。

2.2.3" 結合計算機技術，定量分析運動軌跡

活動6：引導學生使用Tracker軟件，通過研究運動軌跡與時間的關系來定量研究平拋運動。教師介紹自制教具以及Tracker軟件使用原理，演示教具并錄制平拋運動視頻，通過Tracker軟件獲取平拋小球運動軌跡坐標變化情況及其對應時刻信息。使用圖像法對水平與豎直兩個方向的分運動進行數據分析，根據實際選擇合適的擬合函數，擬合出x-t、y-t函數關系，還可以擬合出x-y軌跡方程。函數擬合分析，如圖3所示。實驗將自制教具、計算機技術與課堂教學進行融合，使學生了解視頻分析技術，提升科學探究能力、更新科學探究手段，增強學生的數據處理能力，理解物理模型的構建方法[ 2 ]。

使用Tracker軟件擬合出分方向上位移與時間的函數關系方程：x=0.901t-0.001，y=-4.894t2-0.041t+0.006，以及軌跡方程：y=-6.237x2+0.004。

教師引導學生進行分析交流，得出實驗結論：在水平方向上分運動為勻速直線運動，速度大小為0.873 m/s2；在豎直方向上的分運動為勻加速直線運動，豎直方向上加速度大小為9.702 m/s2；y-x函數為二次函數，平拋運動軌跡為拋物線。最后進行實驗誤差分析，綜合分析誤差可能由軌道調平、拍攝角度、水平軌道摩擦力、運動物體追蹤定位等方面引起，在此高精度的探究實驗過程中要格外注意實驗操作的嚴謹性與科學性。

問題1：如何對Tracker軟件提取出的運動物理量進行分析處理，以便便捷直觀地發現平拋運動的規律？

問題2：根據擬合結果分別寫出三個函數關系式，分析平拋分運動特點與運動軌跡特點。

問題3：請同學們分組，分析實驗誤差。

2.2.4" 聚焦位移、速度等物理量，驗證平拋運動的分解

活動7：對平拋運動的分解部分進行直觀的拓展實驗：使用自制教具使三個小球由同時刻同起點分別演示一個平拋運動和水平方向的勻速直線運動（與平拋運動初速度相同）、豎直方向的自由落體運動這兩個“模擬分運動”。借助Tracker軟件聚焦位移和速度兩個運動物理量，將平拋小球的分運動與對應“模擬分運動”小球進行矢量對比，會發現在誤差允許范圍內平拋小球的分運動即為“模擬分運動”——水平方向的勻速直線運動（此速度與平拋運動初速度相同）和豎直方向的自由落體運動，實驗過程中小球運動軌跡追蹤定位情況及其部分矢量關系如圖4所示。以此生動、定量的實驗教學環節來驗證平拋運動的合成與分解，使學生對平拋運動分解的理解進一步具體至位移、速度等物理量，為后續平拋運動規律的得出與應用奠定良好認知基礎；同時深化學生對于運用“運動合成與分解方法”分析運動時，其所涉及到的分運動與合運動之間的等時性、獨立性的理解感悟，為后續復雜曲線運動的學習奠基。

教師設問：能否聚焦到具體的物理量，對平拋運動分運動特點進行驗證？

教師引導學生計劃并進行實驗：

（1）實驗原理及操作：利用教具功能實現三個小球同時從坐標原點開始運動，分別做初速度相同的水平勻速直線運動和平拋運動，以及豎直方向的自由落體運動，使水平勻速直線運動與平拋運動的初速度大小相等；結合Tracker軟件分析技術分別提取運動錄像中三個物體運動的物理量，獲取在不同時刻三個小球依次對應的x、y方向上的運動位移和運動速度；取若干間隔相等（0.025 s）的時刻，將同一時刻水平與豎直方向兩個“模擬分運動”的位移、速度物理量（如表1所示），分別和平拋運動的相應分方向的位移、速度物理量進行比較（如表2所示），通過物理量吻合分析來進行平拋運動的分解驗證。

（2）實驗假設：不同時刻水平與豎直方向兩個“模擬分運動”的位移、速度物理量，分別和對應時刻平拋運動的相應分方向的位移、速度物理量相等。

（3）數據處理。

（4）實驗結論：不同時刻水平與豎直方向兩個“模擬分運動”的位移、速度物理量，分別和對應時刻平拋運動的相應分方向的位移、速度物理量在誤差范圍內相等。

（5）實驗評估與誤差分析：誤差可能由軌道調平、拍攝角度、水平軌道摩擦力、入射初速度、運動物體追蹤定位等方面引起。在此高精度的探究實驗過程中要格外注意實驗操作的嚴謹性與科學性。

教師引導學生小組討論得出實驗結論：在勻速直線運動和平拋運動初速度相等時，將沿著水平與豎直方向的兩個等時、獨立的勻速直線運動和自由落體運動，使用“運動合成與分解的方法”進行運動合成，通過位移、速度等物理量進行驗證，可得出二者合運動為平拋運動。

2.3" 學以致用，體驗虛擬平拋小游戲

活動8：以學生感興趣的虛擬游戲為載體，圍繞平拋運動創建模擬現實的物理場景，使用虛擬現實技術Unity3D軟件創建物理平拋運動小游戲：飛機空投物資，飛機在水平飛行過程中可釋放物資，調節飛機與輪船的速度，使物資投中輪船達成救援目標。在飛機投彈的問題情境中學生通過改變飛機的高度、投彈的平拋初速度等去實現救援目標，經歷模型建構、知識遷移和科學推理等過程，提升學科核心素養和問題解決能力，寓教于樂，學以致用[ 3 ]。

3" 教學反思

3.1" 自制教具結合Tracker軟件的使用

自制教具一材多用，替代平拋豎落儀和雙軌平拋儀展示平拋運動分運動方向上的運動特點、演示平拋運動以供結合計算機技術進行定量研究、搭建三球同時刻、同起點開始運動的場景實現以位移和速度物理量為研究對象的平拋運動合成與分解實驗。教學設計結合計算機技術——視頻跟蹤分析軟件Tracker，追蹤平拋運動小球軌跡，精簡實驗數據處理程序，實現軟件擬合x-t、y-t和x-y函數關系；獲取不同時刻運動小球的位移和速度等物理量，為平拋運動的實驗探究提供更強大的定量分析手段。

3.2" 聚焦具體物理量進行運動合成與分解的驗證，同時突出獨立性與等時性

根據當前平拋運動教學設計研究，一般教學邏輯為使用運動合成與分解的方法進行平拋運動的分解—探究在分運動方向上的平拋運動特點—理論推導平拋運動分運動規律并進行矢量合成得到平拋運動的規律[ 4 ][ 5 ][ 6 ]。

本教學設計對此部分進行生動直觀的實驗拓展，使三個小球由同時刻、同起點開始分別演示兩個“模擬分運動”與一個平拋運動，運用Tracker軟件獲取相關運動物理量，聚焦位移和速度進行運動合成與分解的驗證，為學生提供更豐富具體的平拋運動合成與分解的感性體驗，使學生深刻領悟運動合成與分解這種化曲為直、化繁為簡的科學方法，為后續斜拋、圓周運動、帶電粒子在電場中的運動等復雜曲線運動的學習深刻奠基。

3.3" 可行性分析

認知思維方面，高一學生初步具備運動觀念與相互作用的物理觀念，能夠從物理學視角洞察問題本質；已養成一定的科學思維范式，分析、遷移、推理能力較強，抽象思維能力有待進一步加強，演示生活中拋體運動再結合自制教具與Tracker軟件依次進行定性、定量實驗，輔助學生思考，構建平拋運動模型。

知識基礎方面，學生剛學習曲線運動、運動的合成與分解方法，并且掌握牛頓運動定律，具有一定理論知識和科學方法的基礎；經歷過勻變速運動實驗及其打點計時器的使用，對物體運動規律的研究具有一定實驗基礎；但是學生對于初學知識的掌握不夠深刻，難以達到靈活應用，需要教師逐步啟發引導實驗，實驗設計過程減少過于開放的問題避免學生因思路過于偏離而降低課堂效率。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京： 人民教育出版社，2022.

［2］ 過炎亮，肖芝清.應用Tracker軟件改進平拋運動實驗[J].物理之友，2020，36（9）：44-47.

［3］ 聶雅瑞. 信息技術輔助高中物理教學的實踐研究[D].南充：西華師范大學，2020.

［4］ 郜易梁.信息技術支持下的教學實踐：以“平拋運動”為例[J].中學理科園地，2018，83（14）：29-30，32.

［5］ 曹會.促進深度學習的實驗教學創新設計：以“實驗：探究平拋運動的特點”為例[J].物理教師，2021，42（1）：12-15，20.

［6］ 馬博.基于建構主義的高中物理課堂教學設計：以“平拋運動”為例[J].物理教學探討，2022，40（10）：27-30，35.