基于现代信息技术的物理实验对比研究

曹阳　张轶炳

摘 要：“测量重力加速度”实验，是学习“自由落体运动”的概念及其运动规律的重要环节，该实验实现了将物理概念的静态表征向物理问题解决体系的动态表征的转化，同时利用现代信息技术作为媒介进行实验数据处理，使现代信息技术成为促进学习者学习的认知发展和激励情感的工具，以达到培养学习者核心素养的目标.

关键词：现代信息技术、物理实验对比、重力加速度

文章编号：1008-4134（2019）13-0029 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

基金项目：宁夏大学大学生创新基金项目“物理STEM实验设计与开发”（项目编号：2019107490302）.

作者简介：曹阳（1995-），女，黑龙江汤原人，硕士研究生，研究方向：物理学科教学.

通讯作者：张轶炳（1964-），女，宁夏人，硕士，教授，研究方向：中学物理教育.

教育部颁发的2017版《普通高中物理课程标准》中明确提出：“通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认识自然界，形成科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力[1].”

近年来，随着核心素养的提出以及课程改革的推进，知识的学习观已经从事实本位转向理解取向，而基于现代信息技术的物理实验是实现物理学科知识观转变的桥梁.笔者以“测量重力加速度”的实验为例，谈谈以现代信息技术为工具处理实验数据，并且对比几种测量重力加速度方法的优势与弊端，选择最利于学习者参与的物理实践，经历“自由落体运动”知识诞生过程，理解物理学科本质，培养学科实践力的方法，并且在数据处理方面，在原有的图象法的原理基础上，经过公式推导，新增加了一种图象的绘制方法，同时对逐差法与间隔平均法进行了误差计算，为选择处理数据的方法提供了更“好”的证据.

1 研究背景

1.1 教材分析

在整册书的编排上，匀加速直线运动的教学重点在于规律的应用，自由落体运动的新课教学侧重于培养学生的科学探究能力及逻辑思维能力，对促进学生的全面发展具有重要意义.

在教材的第二章中“自由落体运动”一节，编排在运动学的基本概念和匀加速直线运动等知识后，是匀加速直线运动的一个特例.通过对自由落体运动这种常见的、特殊的运动的研究，可以更好地对前面知识复习和巩固，同时也加强了物理学习与实际生活的联系.而且通过在授课过程中讲授研究物理问题的基本思路和科学方法，为以后研究比较复杂的运动规律打下良好的基础.

1.2 学情分析

1.2.1 知识水平

学生已具备了与本节课内容相关的实际生活经验，并且知道加速度是描述速度变化快慢的物理量，了解匀加速直线运动的概念以及位移、速度、加速度、时间的关系及相应的公式，并且学生已经具备一定的实验操作的理论知识、记录实验数据、绘制图象的能力.

1.2.2 心理特征

学生思维活跃，求知欲强，但物理形象思维、抽象思维、逆向思维能力较弱.

1.2.3 学习需求分析

在学习本节内容之前，学生已经学习了利用打点计时器定量测量速度、加速度的方法，具备一定的实验操作及数据处理的能力.此外，学生学习了匀加速直线运动的相关知识以及运动图象的画法，但是自由落体运动作为匀变速直线运动的一个特殊实例，学生此时仍因现实生活经验导致学生的原有认知中存在错误的前概念，所以需要学习本节课的内容.

2 实验对比实证研究

本节课拟采用实验的方法帮助学习者进行意义建构，受美国普通高中物理教材《原理与问题》中提到的等效表示法的启示，即运动图、数据表、文字、图象等描述运动的方法是等效的，以數据表格为桥梁将实物图向运动图象转化[2]，培养学生用数形结合的思想解决实际问题，帮助学习者进行多重编码，以实现信息的有效输入及输出.基于班级授课制的教学体制以及课时分配，笔者亲身经历了以下四种实验过程，测量了宁夏回族自治区银川市的重力加速度（真实值为9.7961m/s2），对本实验进行实证分析，寻找最优方案.

2.1 打点计时器测量重力加速度

本实验主要使用12005型自由落体仪（图1）、纸带、重物、刻度尺.按照实验步骤进行3次实验，对其中一条第1、2点之间的距离为2mm的有效纸带（图2）进行数据分析（见表1）.

优势：将钢球动态的运动过程变成静态的暂留过程，更为直观.

弊端：对实验环境要求较高，需要在暗室进行实验，并且闪光灯对人眼有一定的伤害，为提高准确度，需要分辨率较高的摄像设备，造价较高，不利于普遍推行.

2.5 视频分帧技术测量重力加速度

视频分帧技术与频闪照相技术原理相似.前者是摄像机记录下钢球的下落过程.然后把视频文件导入计算机，利用适当的播放软件（如暴风影音）可以逐帧观察钢球在相应时刻的位置，而各帧照片之间的时间间隔可以通过说明书进行查询.此外可以通过图象处理将钢球的逐帧照片粘贴到一张照片上，制成仿“频闪”照片.而后者使用连拍功能，可以拍出在相同的时间间隔内，钢球下落过程中的位置变化情况，也可经过图片处理制成频闪照片.宁夏大学郑宇晴曾利用频闪相机取得了很好的实验效果[4].

3 结束语

在真正实践中发现，很多时候实验的结果与真实值之间存在较大差距.此时，学习者容易对知识存在误解，所以在实际教学中教育者往往“避重就轻”，将实验“讲”给学生，“陈述”实验绝不是好的教学方法，不利于学生进行知识建构，阻断了学生经历知识诞生的过程，不利于物理核心素养，即物理观念、科学探究、科学思维、科学态度与责任四个维度的培养，学习者理应知道，物理的很多规律都是在经过大量的实验之后，抓主要矛盾忽略次要矛盾，经过一系列的逻辑推理得来的，这也是理想模型存在的意义.所以，物理实验在物理教学中的应用需要我们理性对待.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]齐泽维茨著，钱振华译.原理与问题[M].浙江：浙江教育出版社，2008.

[3]杨严辉.用逐差法计算纸带的加速度准确吗？[J].物理教师，2014，35（3）：58-58.

[4]郑宇晴，马文婧，张轶炳等.基于现代信息技术的中学物理实验改进——以“探究自由落体运动规律”为例[J].物理教师，2018（07）： 66-70.

（收稿日期：2019-04-02）