層級化實驗引導中學物理運動觀念形成

麥樹榮　彭曉春　陳泳儀

摘? ?要：運動觀念是中學物理觀念的重要內容，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生的原因，忽視了運動的屬性觀、描述觀、形式觀與規律觀，忽視了運動觀念內涵的分析與研究。通過中學物理實驗及數據處理軟件的輔助應用，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律的探究與總結，促進學生運動觀念的形成。

關鍵詞：中學物理分層實驗；Tracker軟件；運動觀念

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

運動觀念是中學物理觀念的重要內容，物理學和生活中的很多問題，都可以用與運動有關的守恒思想來統一描述，并得出了“運動是絕對的”結論，由此對運動的理解也從概念上升到了觀念的層次［1］。通過中學物理實驗展示運動的徑跡，并由Tracker軟件進行數據分析，掌握運動的屬性、描述、形式及規律，促進運動觀念的形成。

1? ? “運動觀念”的內涵

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律。在《普通高中物理課程標準（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、數學規律、思維方法等方面提升對質點運動的認識，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，是物質運動的一種特殊形式。靜止是認識、區分事物的基礎，運動打破靜止使事物向前發展，運動與靜止在一定條件下可以轉變。運動同物質是不可分離的，物質不能脫離運動而存在，運動也不能離開物質而存在。世界上的各種現象，都是物質運動的表現形式。高中物理運動觀念是指機械運動的特殊性和規律性。

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“質點”“位移”“時間”“速度”“加速度”等。再結合圖像、公式、運動的徑跡進行科學分析與研究。概念是對現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，對運動進行精準描述，再結合日常生活情境將這些模型用于生產生活實踐中。

1.3? ? 運動的形式觀

運動的形式就是物質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，物質運動包括宇宙中發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？依據研究領域的不同，可以分為機械運動、熱運動、電磁運動和原子及原子核內部的運動［3］。

1.4? ? 運動的規律觀

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

2? ? 中學物理運動觀念研究

通過CNKI查閱，近十年來有關“運動觀念”的文獻數共計14篇，關于“中學物理運動觀念”的文獻數為1篇，物理觀念下的“運動觀念”究竟是什么？包含了哪些內容沒有具體說明？因長期以來對于中學物理運動觀念的研究總是與相互作用的觀念結合在一起，重視關注運動現象背后力學的原因。中學物理教師忽視了對中學物理運動特征的研究以及對運動觀念內涵的充分認識，使得物理學科核心素養運動觀念難以落實。在物理學史上對于運動規律的研究經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，因為開普勒數學能力強，第谷請來開普勒當自己的助手，并且強調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律的，這些規律亦可適用于盡可能多的星辰。于是，開普勒運用數學方法對第谷的數據資料進行系統分析和整理。在當時那個年代，在龐大的數據之中尋找到普適的規律如同大海撈針一般。在獲得各行星繞太陽運轉的周期和平均距離以后，通過數據觀察，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是否存在正比關系；通過正比例關系的計算，觀察分析得到數據，需要增大平均距離。第二步可以計算a2/t，檢測a2與T是否存在正比關系；通過a2/t的計算數據，觀察分析也沒有正比關系，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果（表1）。

開普勒做了多達70次艱苦而復雜的計算，發現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的，開普勒放棄了偏心圓的假設，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，導致了天文學上的一場徹底革命”。

現代信息技術為數據處理提供了更多便利，通過觀察發現記錄運動系列數據，通過數據處理發現背后所隱藏的運動形式與規律，這是建構運動觀念最本源的途徑。在中學物理中運動形式主要研究內容為：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? ? 以中學物理實驗促進運動觀念形成的深度教學策略

在新課程標準中，對于運動觀念的描述是缺失的，其包含的內容及研究的方法沒有具體的說明與指導。從物理學史的角度來看，研究運動形式及規律發現的歷程與實驗和數據分析是難以分開的。

3.1? ? 通過中學物理分層實驗建構模型促進運動觀念的形成

對生產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歷的過程、物體所處的狀態進行抽象化、理想化的處理，便于對物體運動的形式、本質及規律進行研究。例如，勻速直線運動、自由落體運動、彈性碰撞和簡諧運動等。我們中學所研究的物理運動大多來源于生產生活中，通過創設實驗條件進行理想化處理，并針對數據進行分析與總結，認清運動特征、本質及規律，建構運動模型（圖1）。

3.2? ? 通過中學物理分層實驗建構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科，而生活中的現象紛繁復雜，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

自由落體運動是最經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，如何建構自由落體運動的模型呢？自由落體運動模型建構如表2所示。

3.2.2? ? 受迫振動模型的建構

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

3.3? ? 中學物理實驗結合Tracker軟件促進運動觀念形成的教學方法

Tracker軟件是一個建立于開源物理架構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點的運動軌跡，從而高效得出準確的實驗數據。探尋將Tracker軟件應用于中學物理實驗的教學策略，可有效提升實驗教學的有效性。

3.3.1? ? 恰當選擇實驗內容，凸顯軟件優勢

Tracker軟件能精確追蹤質點的運動軌跡，分析運動性質。因此應用在運動學，尤其是復雜、抽象的運動相關實驗教學中更能體現其優勢。如研究多個物體的關聯速度時（圖2），通過軟件分析可清晰看到關聯物體的運動特征，幫助學生建立、理解物理模型，為后續的計算講解奠定基礎。

3.3.2? ? 合理利用軟件資源，深入探究運動規律

Tracker軟件對物體運動狀態的分析是較為全面的，合理利用其功能對中學物理實驗教學有很大助益。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，部分學生因抽象思維發展還不成熟，很難將擺球的往返運動與簡諧運動的圖像聯系起來，從而難以理解和掌握其中的物理概念、規律。通過Tracker軟件對單擺小球進行分析，可直觀呈現其簡諧運動的規律（圖3），幫助學生學習。此外，該實驗視頻還可應用在“用單擺測量重力加速度”實驗中，用于準確測量單擺的運動周期。

3.3.3? ? 整合改進傳統實驗，培養學生實驗設計能力

受實驗儀器精度不夠、實驗效果不明顯、創新性不足等條件的制約，傳統中學物理實驗教學的開展困難重重，利用Tracker軟件可有效整合、改進部分傳統實驗。如在探究平拋運動的規律時，學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，教師可引導學生利用Tracker軟件從提高實驗的精確度、實驗結果可視化等方面改進實驗（圖4）。

運動觀念是中學物理觀念的重要內容之一，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生的原因，由此忽視了運動的屬性觀、描述觀、形式觀與規律觀，忽視了運動觀念內涵的分析與研究。通過中學物理實驗及數據處理軟件的輔助應用，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律的探究與總結進行深度教學研究，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涵分析及培養策略研究［J］.物理通報，2021（3）：63-65，68.

［2］教育部基礎教育課程教材專家工作委員會.普通高中物理課程標準（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及高中物理教材適應性分析［D］.重慶：西南大學，2018.

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

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：2024-02-21

基金項目：廣東省教育科學研究“十三五”規劃課題“中學物理實驗師生合作創新SSCC模式的建構與實踐”（2021YQJK051）；課程教材研究所校本課程建設推進項目第六批課題“中學物理實驗遷移創新項目式學習的校本課程開發與實施”（JCSXBKC06005）。

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