層級化實驗引導(dǎo)中學(xué)物理運動觀念形成

麥樹榮　彭曉春　陳泳儀

摘? ?要：運動觀念是中學(xué)物理觀念的重要內(nèi)容，通常運動觀念與相互作用觀念并在一起，注重研究運動特征產(chǎn)生的原因，忽視了運動的屬性觀、描述觀、形式觀與規(guī)律觀，忽視了運動觀念內(nèi)涵的分析與研究。通過中學(xué)物理實驗及數(shù)據(jù)處理軟件的輔助應(yīng)用，從運動屬性的研究、運動徑跡的描述、運動形式的分析以及運動規(guī)律的探究與總結(jié)，促進學(xué)生運動觀念的形成。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理分層實驗；Tracker軟件；運動觀念

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）5-0061-5

運動觀念是中學(xué)物理觀念的重要內(nèi)容，物理學(xué)和生活中的很多問題，都可以用與運動有關(guān)的守恒思想來統(tǒng)一描述，并得出了“運動是絕對的”結(jié)論，由此對運動的理解也從概念上升到了觀念的層次［1］。通過中學(xué)物理實驗展示運動的徑跡，并由Tracker軟件進行數(shù)據(jù)分析，掌握運動的屬性、描述、形式及規(guī)律，促進運動觀念的形成。

1? ? “運動觀念”的內(nèi)涵

高中物理的運動是指機械運動，研究物體位置變化及變化的規(guī)律。在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》“機械運動與物理模型”模塊中要求用概念、圖像及公式對運動的特征進行研究，從物理概念、物理實驗、物理模型、物理圖像、數(shù)學(xué)規(guī)律、思維方法等方面提升對質(zhì)點運動的認識，加強對運動形式（如平拋運動、圓周運動、簡諧運動等）的研究［2］。

1.1? ? 運動的屬性觀

“日往則月來，月往則日來，日月相推而明生焉；寒往則暑來，暑往則寒來，寒暑相推而歲成焉。”說明運動是物質(zhì)的固有屬性，是絕對的，是永恒的，靜止則是相對的、暫時的和局部的，是物質(zhì)運動的一種特殊形式。靜止是認識、區(qū)分事物的基礎(chǔ)，運動打破靜止使事物向前發(fā)展，運動與靜止在一定條件下可以轉(zhuǎn)變。運動同物質(zhì)是不可分離的，物質(zhì)不能脫離運動而存在，運動也不能離開物質(zhì)而存在。世界上的各種現(xiàn)象，都是物質(zhì)運動的表現(xiàn)形式。高中物理運動觀念是指機械運動的特殊性和規(guī)律性。

1.2? ? 運動的描述觀

如何描述運動呢？需要引入一些描述運動所需的基本概念，諸如“質(zhì)點”“位移”“時間”“速度”“加速度”等。再結(jié)合圖像、公式、運動的徑跡進行科學(xué)分析與研究。概念是對現(xiàn)實情境的整合與抽象，通過具體情境的分析來建立概念，這是一個建模的過程。將具體的物理對象或過程抽象為物理模型，是物理學(xué)的重要研究方法。利用這種方法可以先抽取概念模型，再建構(gòu)各類運動的模型，利用概念深度分析各類的運動特征，對運動進行精準(zhǔn)描述，再結(jié)合日常生活情境將這些模型用于生產(chǎn)生活實踐中。

1.3? ? 運動的形式觀

運動的形式就是物質(zhì)的存在和變化的形式，不同的運動形式反映了運動的不同種類，物質(zhì)運動包括宇宙中發(fā)生的一切變化和過程，運動形式廣義可分為機械運動、物理運動、化學(xué)運動、生物運動、社會運動等。

自然界中的一切物體都在不停運動，從高中物理視域上看，運動的物質(zhì)豐富多彩，例如機械、分子、電磁、原子等；運動的形式變化多端，例如直線運動、勻速運動、變速運動、曲線運動、勻速圓周運動、變速曲線運動、熱運動、電磁運動等。如何研究運動的形式呢？依據(jù)研究領(lǐng)域的不同，可以分為機械運動、熱運動、電磁運動和原子及原子核內(nèi)部的運動［3］。

1.4? ? 運動的規(guī)律觀

物質(zhì)的運動都遵循著相應(yīng)的規(guī)律，中學(xué)物理表現(xiàn)為：（1）勻速直線運動規(guī)律、勻變速直線運動規(guī)律、牛頓運動定律；（2）拋體運動規(guī)律、勻速圓周運動規(guī)律；（3）電荷及電流的運動規(guī)律、電磁場的運動規(guī)律；（4）機械的振動與傳播規(guī)律、電磁波與光傳播規(guī)律；（5）分子的熱運動規(guī)律、氣體狀態(tài)方程。

2? ? 中學(xué)物理運動觀念研究

通過CNKI查閱，近十年來有關(guān)“運動觀念”的文獻數(shù)共計14篇，關(guān)于“中學(xué)物理運動觀念”的文獻數(shù)為1篇，物理觀念下的“運動觀念”究竟是什么？包含了哪些內(nèi)容沒有具體說明？因長期以來對于中學(xué)物理運動觀念的研究總是與相互作用的觀念結(jié)合在一起，重視關(guān)注運動現(xiàn)象背后力學(xué)的原因。中學(xué)物理教師忽視了對中學(xué)物理運動特征的研究以及對運動觀念內(nèi)涵的充分認識，使得物理學(xué)科核心素養(yǎng)運動觀念難以落實。在物理學(xué)史上對于運動規(guī)律的研究經(jīng)歷了一個長期的過程，從歷史角度去認識運動觀念，可獲得一些方法與體驗。

大約在16世紀，第谷非常器重開普勒，因為開普勒數(shù)學(xué)能力強，第谷請來開普勒當(dāng)自己的助手，并且強調(diào)在天文的研究中一定要尊重觀測事實。1601年第谷去世，他將自己二十多年的天文觀測資料留給了開普勒。開普勒視恩師留下的觀察資料為珍寶，并且相信天體的運動是有規(guī)律的，這些規(guī)律亦可適用于盡可能多的星辰。于是，開普勒運用數(shù)學(xué)方法對第谷的數(shù)據(jù)資料進行系統(tǒng)分析和整理。在當(dāng)時那個年代，在龐大的數(shù)據(jù)之中尋找到普適的規(guī)律如同大海撈針一般。在獲得各行星繞太陽運轉(zhuǎn)的周期和平均距離以后，通過數(shù)據(jù)觀察，隨著周期增大，平均距離也在增大。第一步可以計算a/t，檢測a與T是否存在正比關(guān)系；通過正比例關(guān)系的計算，觀察分析得到數(shù)據(jù)，需要增大平均距離。第二步可以計算a2/t，檢測a2與T是否存在正比關(guān)系；通過a2/t的計算數(shù)據(jù)，觀察分析也沒有正比關(guān)系，此處不用再計算a2/t2。進一步計算a2/t3，得到了令人驚奇的結(jié)果（表1）。

開普勒做了多達70次艱苦而復(fù)雜的計算，發(fā)現(xiàn)緯度的誤差最大仍可達到0.133弧度，開普勒堅信第谷的測量工作是非常嚴謹?shù)模_普勒放棄了偏心圓的假設(shè)，終于證明了開普勒第一定律，也叫橢圓定律。開普勒后來說：“8弧分不能忽視，正是這一點，導(dǎo)致了天文學(xué)上的一場徹底革命”。

現(xiàn)代信息技術(shù)為數(shù)據(jù)處理提供了更多便利，通過觀察發(fā)現(xiàn)記錄運動系列數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)背后所隱藏的運動形式與規(guī)律，這是建構(gòu)運動觀念最本源的途徑。在中學(xué)物理中運動形式主要研究內(nèi)容為：勻速直線運動、勻變速直線運動、拋體運動、圓周運動、簡諧運動、機械波傳播、電磁波傳播、電子躍遷等。

3? ? 以中學(xué)物理實驗促進運動觀念形成的深度教學(xué)策略

在新課程標(biāo)準(zhǔn)中，對于運動觀念的描述是缺失的，其包含的內(nèi)容及研究的方法沒有具體的說明與指導(dǎo)。從物理學(xué)史的角度來看，研究運動形式及規(guī)律發(fā)現(xiàn)的歷程與實驗和數(shù)據(jù)分析是難以分開的。

3.1? ? 通過中學(xué)物理分層實驗建構(gòu)模型促進運動觀念的形成

對生產(chǎn)生活實踐中的某個具體對象、條件或過程而抽象化的、理想化的物理情境就叫物理模型。物理運動模型就是針對物體所經(jīng)歷的過程、物體所處的狀態(tài)進行抽象化、理想化的處理，便于對物體運動的形式、本質(zhì)及規(guī)律進行研究。例如，勻速直線運動、自由落體運動、彈性碰撞和簡諧運動等。我們中學(xué)所研究的物理運動大多來源于生產(chǎn)生活中，通過創(chuàng)設(shè)實驗條件進行理想化處理，并針對數(shù)據(jù)進行分析與總結(jié)，認清運動特征、本質(zhì)及規(guī)律，建構(gòu)運動模型（圖1）。

3.2? ? 通過中學(xué)物理分層實驗建構(gòu)運動模型促進運動觀念形成的案例

物理是一門貼近生活的學(xué)科，而生活中的現(xiàn)象紛繁復(fù)雜，對于某一研究對象與過程存在諸多外界的影響因素。建模就是要去掉這些外界因素，抽象出簡單、清晰、理想的模型。

3.2.1? ? 自由落體運動模型的建構(gòu)

自由落體運動是最經(jīng)典的勻加速直線運動，在日常生活中物體下落的運動與自由落體運動是不一樣的，如何建構(gòu)自由落體運動的模型呢？自由落體運動模型建構(gòu)如表2所示。

3.2.2? ? 受迫振動模型的建構(gòu)

耳機中膜片的振動、彈奏鋼琴時琴鍵振動以及風(fēng)吹大橋橋身的晃動是生活中的受迫振動，怎樣使學(xué)生認識受迫振動，理解其產(chǎn)生的原因及特征呢？受迫振動模型建構(gòu)如表3所示。

3.3? ? 中學(xué)物理實驗結(jié)合Tracker軟件促進運動觀念形成的教學(xué)方法

Tracker軟件是一個建立于開源物理架構(gòu)下的影像分析與建模的工具，其工作原理是通過分析物理實驗的視頻，追蹤視頻中所研究質(zhì)點的運動軌跡，從而高效得出準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)。探尋將Tracker軟件應(yīng)用于中學(xué)物理實驗的教學(xué)策略，可有效提升實驗教學(xué)的有效性。

3.3.1? ? 恰當(dāng)選擇實驗內(nèi)容，凸顯軟件優(yōu)勢

Tracker軟件能精確追蹤質(zhì)點的運動軌跡，分析運動性質(zhì)。因此應(yīng)用在運動學(xué)，尤其是復(fù)雜、抽象的運動相關(guān)實驗教學(xué)中更能體現(xiàn)其優(yōu)勢。如研究多個物體的關(guān)聯(lián)速度時（圖2），通過軟件分析可清晰看到關(guān)聯(lián)物體的運動特征，幫助學(xué)生建立、理解物理模型，為后續(xù)的計算講解奠定基礎(chǔ)。

3.3.2? ? 合理利用軟件資源，深入探究運動規(guī)律

Tracker軟件對物體運動狀態(tài)的分析是較為全面的，合理利用其功能對中學(xué)物理實驗教學(xué)有很大助益。以最常見的單擺運動為例，在一定條件下單擺運動可看作是簡諧運動，部分學(xué)生因抽象思維發(fā)展還不成熟，很難將擺球的往返運動與簡諧運動的圖像聯(lián)系起來，從而難以理解和掌握其中的物理概念、規(guī)律。通過Tracker軟件對單擺小球進行分析，可直觀呈現(xiàn)其簡諧運動的規(guī)律（圖3），幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。此外，該實驗視頻還可應(yīng)用在“用單擺測量重力加速度”實驗中，用于準(zhǔn)確測量單擺的運動周期。

3.3.3? ? 整合改進傳統(tǒng)實驗，培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力

受實驗儀器精度不夠、實驗效果不明顯、創(chuàng)新性不足等條件的制約，傳統(tǒng)中學(xué)物理實驗教學(xué)的開展困難重重，利用Tracker軟件可有效整合、改進部分傳統(tǒng)實驗。如在探究平拋運動的規(guī)律時，學(xué)生利用平拋運動實驗演示儀進行實驗，由于小球運動的時間太短，很多學(xué)生并非“看到”而是“聽到”兩個小球相遇。為了進一步探究平拋運動的特點，教師可引導(dǎo)學(xué)生利用Tracker軟件從提高實驗的精確度、實驗結(jié)果可視化等方面改進實驗（圖4）。

運動觀念是中學(xué)物理觀念的重要內(nèi)容之一，通常運動觀念與相互作用觀念并在一起，更注重研究運動特征產(chǎn)生的原因，由此忽視了運動的屬性觀、描述觀、形式觀與規(guī)律觀，忽視了運動觀念內(nèi)涵的分析與研究。通過中學(xué)物理實驗及數(shù)據(jù)處理軟件的輔助應(yīng)用，從運動屬性的研究、運動徑跡的描述、運動形式的分析以及運動規(guī)律的探究與總結(jié)進行深度教學(xué)研究，促進運動觀念形成。

參考文獻：

［1］胡家光，馬顯留.初中物理運動觀念的內(nèi)涵分析及培養(yǎng)策略研究［J］.物理通報，2021（3）：63-65，68.

［2］教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2018：74-75.

［3］毛予廷.運動與相互作用觀念層級模型建構(gòu)及高中物理教材適應(yīng)性分析［D］.重慶：西南大學(xué)，2018.

［4］周偉波，李陽，林曉盈.物理核心素養(yǎng)的融合框架初探——以“開普勒三大定律的發(fā)現(xiàn)”為例［J］.物理教學(xué)探討，2019，37（4）：15-18.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：2024-02-21

基金項目：廣東省教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃課題“中學(xué)物理實驗師生合作創(chuàng)新SSCC模式的建構(gòu)與實踐”（2021YQJK051）；課程教材研究所校本課程建設(shè)推進項目第六批課題“中學(xué)物理實驗遷移創(chuàng)新項目式學(xué)習(xí)的校本課程開發(fā)與實施”（JCSXBKC06005）。

作者簡介：麥樹榮（1977-），男，中學(xué)高級教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)工作。