数码探在高中物理教学中的应用

黄绍琴

新课程实施以来，探究式教学在课堂教学中所占的比重越来越大。在高中物理课教学中，探究式教学应用广泛，尤以实验探究（通过实验的方法获取新知）和理论探究（将探究式组织形式和演绎推理相结合）为重。近年来，随着手机、数码相机、iPad、计算机、Internet在生活中的普及，科学的形态在实物实验和数理逻辑之后，出现了基于计算机手段的第三種形态——计算，北京师范大学物理学系教授项华随之提出了一种新的数据探究学习方式，即基于手机、数码相机、网络搜索引擎等信息技术的探究式学习方式，简称数码探。下面我以单摆的课堂教学为例，谈谈数码探在高中物理教学中的应用。

一、教材及教学分析

学习单摆之前，学生已经学习了简谐运动及其图像，了解到简谐运动的图像是一条正（余）弦曲线。单摆是作为简谐运动的实例呈现的，知识点包括单摆的运动规律、受力情况和图像特点，教学重点是单摆振动的特点和单摆周期公式的探究。

（一）关于单摆振动的特点——简谐运动

教材呈现：在单摆的振动特点的学习中，教材先利用墨水摆的实验让学生定性认识单摆的振动图像，初步认识单摆的运动是一种简谐运动；然后对单摆进行受力分析，证明单摆的回复力F回=-kx，进而从理论角度证明了单摆确实是简谐运动。

教学分析：在墨水摆的实验中，由于墨水不断滴下，单摆的重心在下降，摆长变长，周期会改变，此外，人拉白纸的过程也不能保证匀速，因而对应的图像是否正（余）弦曲线按理说应该有不确定性。

（二）定性和定量探究单摆的周期公式

教材呈现：在单摆周期公式的探究中，教材采用了定性和定量相结合的方案。先是通过实验演示和实验观察的方式，定性探究单摆的周期与振幅、质量、摆长等物理量之间的关系，得出单摆的周期只与摆长有关的结论；然后定量探究单摆的周期与摆长的关系，在周期的测量上采用累积法，以减小周期的测量误差。

教学分析：受教室实验条件限制，在演示实验中，单摆的摆长在一米左右是比较容易操作的。但是，通过单摆周期公式计算可以发现，0.75米到1.5米之间的摆长，其摆动周期相差不大，相差在0.5s左右，学生凭肉眼观察很难发现单摆的周期与摆长有多大关联。在定量测量中，受各方面影响，学生用常规方法测量时间也会有一定误差。

二、利用数码探改进教学的尝试

针对上述分析，为尽量减少实验误差，我决定利用数码设备和相应的计算机软件，对单摆的振动图像的得出过程及对周期公式的定性、定量探究过程进行重新设计。

我们需要用到的数码设备有：摄像头，Mr.captor3.0频闪截图软件，ACDSee6.0图片处理软件。

（一）单摆振动图像的获得

1.设备安装。将一个摄像头和电脑连接，对准单摆的摆球进行拍摄，以便在电脑屏幕上显示摆球的运动；利用频闪截屏软件Mr.captor3.0，可以设定为每隔0.05秒到0.1秒截取屏幕上划定区域的图像，这样就实现了时间和物体位置的同步测量，如图1。

2.图片截获。实验开始，我选用了0.1s来截取图片。Mr.Captor3.0会在截图的存放文件夹中自动命名一系列图片文件，将这些图片按照时间顺序排序，如图2。其中的每一幅图片都详细地记录了摆球在某一时刻的准确位置。

3.图片浏览。用图片浏览器既可以单张逐个浏览图片，也可以用自动播放方式整体观察单摆的运动动态。

4.生成单摆的位移-时间图像。用ACDSee6.0的图册功能即可生成一系列图像的拼图，这就是单摆的位移-时间图像，如图3。

学生既可以单张查看图片，也可以放慢过程来观察单摆的运动；利用拼图来得到单摆的振动图像，能有效地帮助学生建立感性认识。相对墨水摆实验来说，数码探的实验方法显然更加直观明了。

（二）定性定量探究单摆的周期公式

1.图片获取与观察。采用控制变量法，分别只改变振幅、质量、摆长等物理量，重复上述实验操作，可得出一系列新的位移-时间图像，供我们研究单摆的周期与振幅、质量、摆长等物理量之间的关系。图4为改变同一小球的振幅后得出的两张不同的位移-时间图像，图5分别是大小相同的铁球和塑料球的位移-时间图像，图6是不同摆长的同一小球的位移-时间图像。

同一小球，振幅不同。振幅A：T=1.67s，振幅B：T=1.68s

（注：由于选定的频闪区域不同，大小有视差）

大小相同的铁球和塑料球。铁球T=1.68s，塑料球T=1.68s

同一小球，摆长不同。摆长0.85m：T=1.69s；摆长1m：T=1.82s

观察以上图像变化可以很明显地发现，单摆的周期只与摆长有关，而与振幅、质量无关。清晰准确的演示实验，可以让学生获得充分的感性认识，这就为学生进入下一个教学环节，对单摆周期公式与摆长的定量探究打下了心悦诚服的“信任基础”。

2.定量探究单摆的周期与摆长的关系。采用以上方法获取不同摆长下单摆的频闪图片，用Excel表格处理，得到数据，进而得出结论：T2=3.3984L，T2∝L。如图7。

理论上：T 2=[4π2g]L[≈]3.9478L；在实验误差许可的范围内，有T 2=[4π2g]L成立。上面的探究，不仅让学生探究出周期的平方与摆长成正比，而且利用获得的实验数据与理论上的单摆周期公式做比较，从实验的角度验证了单摆的周期公式，进而加深了学生对单摆周期公式的认识。

数码探在高中物理教学中的应用远不止这一个案例。比如利用几何画板的测量功能、Mr.captor3.0频闪截屏功能以及对应的图片处理软件（如ACDSee6.0）对高中阶段的匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动等知识点展开数据探究，效果也很好。（作者为2011年本科毕业的青年教师） （责编 白聪敏）