Tracker軟件助力物理模型建構教學

陶卓婷　羅新竹　胡志娟

摘? ? 要：物理模型建構教學被認為是培養學生科學思維的關鍵環節之一，而現代信息技術可作為該環節的一大助力。在新課標、新課改提倡信息化教學的理念下，以“全反射”為例，將Tracker軟件應用于物理模型建構的教學過程，分析了Tracker軟件的應用原則。以問題鏈為導向，以真實情境為驅動，借助自制創新教具等手段，組織了一系列Tracker實驗探究活動，為有效地將信息技術軟件應用于物理模型建構的教學實踐提供了參考。

關鍵詞：Tracker軟件；物理模型；全反射；科學思維

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）5-0081-6

為促進學生核心素養的養成和發展，《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）對課程目標進行了整合提升，其在“目標要求”中明確指出“會用所學模型分析常見的物理問題”［1］。新課標中“物理模型”出現的頻率顯著提升［2］，力圖把物理建模作為撬動學生科學思維發展的支點，加強學生在真實情境中建構模型和解決實際問題的能力，而信息技術和自制教具正是開展物理模型建構教學的強大助力。

Tracker軟件作為一款免費優質的視頻分析軟件，具有可視化、動態化、模型化等特點，能夠用于輔助優化物理模型建構的教學。本文就Tracker軟件如何助力物理模型建構教學進行了思考，分析了Tracker軟件在物理模型建構教學中的應用原則。以“全反射”為教學實例，設計了創新實驗教具，通過對比情境、問題鏈等方法，階段式呈現了完整物理模型的建構過程。希望學生能夠借助信息技術軟件，在問題導向下建構物理模型，以實現其科學思維和關鍵能力的共同進階。

1? ? Tracker助力物理模型建構的教學流程

物理模型是將實際問題理想化，略去一些次要因素，突出主要因素［3］。模型建構是學生認知物理現象、形成科學思維的基礎。在物理教學過程中，通常包括建立模型、檢驗模型、完善模型、應用模型四個模型建構的教學環節［4］。充分利用好這四個教學環節，能幫助學生完成物理模型的建構。但物理模型具有抽象化、理想化的特點，構建模型在傳統教學和學生理解過程中均具有難度。

借助Tracker軟件可以多方面、多維度地優化物理模型建構，具體的教學流程如圖1所示。Tracker軟件的視頻追蹤功能能夠動態追蹤物體的運動軌跡，直觀形象地初步輔助構建出相應的物理模型；軟件自帶的數據處理區，能幫助分析誤差，推動開展模型的修正及檢驗；曲線擬合繪圖功能，能促進完善模型的建構過程。由于Tracker軟件能夠對生活中真實的物理情境進行視頻追蹤，且操作簡單，也有助于學生將構建模型的歷程從課堂延展至課外。學生自主設計實驗，通過應用模型充分內化知識，可有效推動物理模型的建構。圖文并茂、新舊相融的教學手段能夠充分激發學生的學習興趣，促使學生全程參與課堂，培養學生的物理學科核心素養。

2? ? Tracker軟件應用于物理模型建構教學的原則

基于教學實際，Tracker軟件應用于物理模型教學的過程中需要遵循六個原則（圖2），以便促使Tracker軟件科學、高效地助力教學工作的開展。

2.1? ? 輔助性原則——明確教學目的

Tracker作為現代化教學工具，能夠幫助學生去研究一些傳統教學手段難以處理的教學問題。作為輔助性教學工具出現在實際的教學過程中，服務于課堂教學活動。Tracker軟件融入課堂，應有助于推進物理模型建構的教學，能促進提高教學質量和學生核心素養的達成。相反，Tracker軟件若在建模教學片段中并無推進教學或達成教學目標的作用，甚至會舍本逐末，則不應將Tracker軟件運用其中。

2.2? ? 人本性原則——著眼教學主體

物理模型教學過程中，學生是學習的主體，Tracker軟件的融入無疑為抽象晦澀的建模過程注入新鮮感，迅速引起學生參與課堂的積極性。在實驗探究中，潛移默化地培養學生的信息素養。而實際教學中，由于諸多現實因素，學生對于Tracker軟件的接受程度不盡相同。因此，教師應在課前充分掌握學情，開展預習工作，以防止軟件的使用成為教學難點。在課上，教師應合理把控Tracker軟件操作時長，觀察學生操作情況，以避免學生對重點內容出現注意力的轉移。如此，才能確保Tracker軟件真正服務于學生的學習，實現教學的高效與優質。

2.3? ? 互補性原則——豐富教學方法

傳統的教學手段有其不可替代性，通過公式和理論的計算推導，能夠培養學生的推理能力和抽象邏輯思維。而Tracker軟件通過分析實際情境中的物理過程，幫助學生從物理情境中抽象概括出其所涉及的理論規律，從而促進物理模型的建構。Tracker軟件和傳統教學方法在教學中各有優勢，將教學手段有機結合，便能相輔相成，促進學生對于物理模型的深度理解。

2.4? ? 實驗性原則——抓牢教學立足點

Tracker本身是一款視頻分析軟件，其分析的視頻是對真實物理實驗過程的實時動態反映。無論是Tracker軟件的應用還是物理模型的建立，均以實驗為基礎。基于實驗之上所構建的物理模型才能夠更好地解釋物理現象和物理規律。所以，將Tracker軟件應用于物理模型的教學過程中，也需服從這一原則。即從實際出發，以實驗為依據，深化滲透物理探究實事求是的精神。

2.5? ? 延展性原則——拓寬教學途徑

學生能夠開展物理模型的應用，是幫助他們內化并重建物理模型的關鍵一環。Tracker軟件基于實驗的操作特點，讓學生得以在真實情境中探索建模過程，激發學生創新思維，鼓勵學生在不同情境下應用物理模型，解決實際問題。借助Tracker軟件激勵學生在課外開展物理模型建構的探究活動，能將物理模型建構教學從課堂延伸至課外，真正促進學生自我學習、終身學習以及科學思維等核心素養的發展。

2.6? ? 反饋性原則——落實教學評價

良好的教學評價能夠幫助教師優化教學體系，有效的反饋信息將切實助力教學評價的落實。Tracker軟件的使用能夠使得數據獲取更加方便，模型應用更為及時，將實驗探究和模型應用的過程顯性化。教師能夠結合學生表現和成果分析等多元評價手段，多層次把握學生學習情況，進而及時進行教學評價，并將教學評價從結論性評價向過程性評價進行轉型，以便幫助教師依據評價結果優化教學策略。

3? ? Tracker軟件應用于物理模型建構教學實例

“全反射”是前一節光的反射和折射相關概念的延伸，是對知識核心“光的傳播”問題的進一步深化。這一節的重難點是“全反射的發生條件”［5］。在2019年人教版教材中，該內容是通過靜態圖片和理論分析進行闡述的，這使得學生難以對該教學重難點形成動態鮮明的感性認識，理解難度大?；谏鲜?6 個原則，筆者以“全反射”一節為例，自制了創新教具，并有效將Tracker軟件應用于“全反射”條件模型的建構過程中。希望幫助學生有效建構“全反射發生條件”的物理模型并加深對知識的理解，整體的教學流程圖如圖3所示。

3.1? ? 實驗引入，建立模型

情境內容：

為了激發學生的認知沖突并引入“光的全反射”這一探究主題，設計了兩個實驗。一個是“光沿直線傳播”，另一個是“水流導光”。通過對比這兩個實驗，學生能夠直觀地感受到光在兩種不同介質中傳播方式的差異。在實驗分析中，學生將運用邏輯推理能力探究全反射發生的具體條件，并嘗試建立一個初步的條件模型。

為了更直觀地展示光路，教師使用自制的彎曲玻璃磚來引導光線，這一方法有效替代了在水流導光實驗中難以清晰觀察的光路。通過這種建模方式，使光路變得可視化，降低了邏輯推理的抽象性，幫助學生將生活現象與物理知識聯系起來，從而形成更加生動和感性的認識。

具體過程：

首先，教師展示圖4和圖5所示的實驗現象。在“光沿直線傳播”實驗中，教師展示光在均勻介質中沿直線傳播的特點。而在“水流導光”實驗中，教師展示光如何在水流中傳播，并強調兩種實驗中光傳播方式的區別。接著，教師提出一系列問題，構成問題鏈，引導學生深入思考并探索光的全反射原理。

教師：

（1）為什么激光沿著水流彎曲地向前傳播了呢？

（2）光從水射入空氣，在兩個介質的界面間會發生什么現象？

（3）光此時沒有發生折射的原因是什么？

學生對以上問題進行思考討論，然后回答這些問題。

接著，教師講解光疏介質和光密介質，以及全反射的定義。

教師：發生全反射的條件是什么？

學生根據定義和折射定律可以繪制如圖6所示的折射圖。當光從介質射入真空時，如果入射角等于臨界角，就能恰好發生全反射。并建立發生全反射的條件模型：

（1）光從光密介質射向光疏介質；

（2）入射角等于臨界角。

然后，教師針對水流導光實驗再次提出問題。

教師：如何清晰地觀察光在彎曲狀物質中的傳播路徑？

學生進行思考和討論，并根據水流的導光情境，產生設計彎曲玻璃磚的想法。

教師展示如圖7所示的自制教具——彎曲玻璃磚，并實驗演示光射入彎曲玻璃磚的情形，幫助學生抽象建立光在彎曲狀物質中的傳播路徑這一物理模型。

設計意圖：

通過對比實驗，使學生具有感性認識。通過問題鏈，讓學生對問題進行合理思考和猜想，培養學生的科學思維。通過邏輯推理和理論分析，讓學生初步構建發生全反射的條件模型。結合自制創新教具和傳統實驗，對真實情境進行抽象建模，階梯式建立光在彎曲狀物質中的傳播路徑的物理模型。

3.2? ? 實驗探究，檢驗模型

實驗內容：

學生利用自制彎曲玻璃磚開展探究實驗，借助Tracker軟件動態捕捉入射角角度，分析入射角和臨界角的大小關系，以及其對應的實驗現象，從而檢驗發生全反射的條件模型。

具體內容：

教師：如果入射角大于臨界角，還能夠發生全反射嗎？

學生將彎曲玻璃磚置入空氣中，射入激光，并控制入射角大于臨界角。利用Tracker軟件對入射角的角度進行動態追蹤測量，可以測得如圖8所示的入射角度變化曲線圖。例如，Tracker測得入射角為59.6°時，光在彎曲玻璃磚中發生全反射現象，如圖9所示。

學生計算臨界角，根據實驗現象，分析發現入射角大于臨界角時，均發生全反射現象，檢驗并總結全反射發生的條件：

（1）光從光密介質射入光疏介質；

（2）入射角大于等于臨界角。

設計意圖：

通過問題引導以及實驗探究，引導學生對于全反射發生條件進行深入研究，通過實際的實驗數據以及相應的實驗現象，從而檢驗全反射的發生條件這一條件模型，加深學生對于該物理模型的掌握程度。處理實驗數據和對Tracker軟件的操作，均能培養學生動手探究的能力以及實事求是的精神。

3.3? ? 歸納對比，完善模型

實驗內容：

進行“光射入置于食用油中的玻璃磚”實驗，和先前“光射入置于空氣中的玻璃磚”實驗進行對比，利用Tracker軟件對比入射角相同時實驗現象的不同，從而完善全反射的條件模型。

具體內容：

教師：如果臨界角增大了，是更易發生全發射還是更不易發生全反射？

學生進行理論計算和邏輯推理，發現臨界角增大時，將更加不易發生全反射。學生進行實驗，將有機玻璃磚置于食用油中，不斷改變入射角的角度，利用Tracker軟件測量出入射角大小，并根據“光射入置于食用油中的玻璃磚”實驗所得數據，選取相同入射角，對比觀察實驗現象。例如圖10，當仍取入射角為59.6°時，此時并未發生全反射現象。

學生計算可得此時臨界角為80.6°，根據實驗現象發現：當玻璃磚從置于空氣到置于食用油中，原來的入射角均小于此時的臨界角，此時沒有發生全反射。學生通過實驗驗證了理論的正確性，完善全反射概念知識：臨界角的角度增大，將更不易發生全反射現象。

教師：入射角度一致，比較當發生折射和全反射時反射光強度大小是怎樣的？

學生根據實驗現象，對比入射角度一致時反射光強度的大?。▓D11），發現當發生折射時，反射光線的強度明顯小于發生全反射時反射光線的強度。

教師：為什么發生折射時的反射光強度小于發生全反射時的反射光強度？

學生：根據能量守恒定律（忽略玻璃對光線的吸收），發生折射時，入射光的強度等于反射光與折射光的強度之和；發生全反射時，入射光的強度等于反射光的強度。完善發生全反射和折射時反射光的強度對比。

設計意圖：

通過師生問答，培養學生的科學推理能力。通過實驗的對比，加深對臨界角該條件的認識，并利用Tracker軟件測量了傳統教學方法難以測量的入射角角度問題，對理論進行驗證，完善物理模型。通過反射光強度對比，加強學生對于物質的能量守恒觀念的認識，真正做到理論和實踐相結合。

3.4? ? 變式遷移，應用模型

應用內容：

教師利用“光射入彎曲玻璃磚”實驗中光的傳播情況，以及全反射發生條件模型，引導學生設計光導纖維。學生應用全反射發生條件解釋望遠鏡的原理。

具體內容：

學生根據所建立的全反射發生條件模型，對水流導光的引入問題進行解釋。

應用1：光導纖維。

教師提出問題：如何設計才能使得光導纖維避免外界環境干擾，實現穩定的光信號傳輸？

學生小組討論，教師點撥，思考光導纖維的設計。

教師總結學生設計，介紹光導纖維的構造與產生全反射的原理。展示光纖、光纖通信技術以及光纖傳輸圖像技術。

應用2：全反射棱鏡。

學生認識全反射棱鏡，并根據雙筒望遠鏡的簡易結構示意圖，繪出光路，解釋望遠鏡的工作原理。

設計意圖：

學生根據這三個實際問題，嘗試應用全反射發生條件模型。并可以在課后利用Tracker軟件自行對其中的光路和入射角等數據進行測量，培養學生的動手能力和科學探究精神。

4? ? 結? 論

新課標注重考查學生對真實情境的處理解決能力，而物理模型建構教學能夠幫助學生將實際問題中的對象轉化為物理模型，推動綜合性問題的分析推理，是培養處理真實問題能力的一大助力。教師在遵循輔助性原則、人本性原則、互補性原則等六個原則的基礎上，將Tracker這一信息技術軟件與物理模型的建構教學進行有效融合，能為物理模型教學打開新思路，解決部分傳統教學方法難以處理的問題。能讓學生在教學過程中感受到物理模型的建構過程，促使學生加強物理和生活實際之間的聯系，提升學生的模型建構能力。

黨的二十大報告中明確強調要“推進教育數字化”，現代化技術如何有效助力模型建構教學，充分發揮物理模型建構教學培養學生關鍵核心素養的作用，其探索永遠在路上。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］楊英愷，何述平，李乙.基于文本挖掘的2022版與2011版《義務教育物理課程標準》比較研究［J］.物理教師，2023，44（7）：31-36，40.

［3］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書物理必修第一冊［M］.北京： 人民教育出版社，2019.

［4］江小安，羅翀.基于探究思維的高中物理建模教學的研究——以“原子的核式結構模型”教學設計為例［J］.物理教學，2021，43（4）：10-12，4.

［5］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，2020.

（欄目編輯? ? 賈偉堯）

收稿日期： 2023-10-30

作者簡介：陶卓婷（2001-），女，碩士研究生，主要從事物理學科教學研究。

*通信作者：胡志娟（1978-），女，副教授，主要從事信息光學和學科教學（物理）研究。