利用摄像头模拟场景让学生体验身临其境的感觉——谈初中“机械运动”的教学

李 昂

(北京市第八中学 北京 100033)

“机械运动”一课是初中物理的起始课，所以能否通过起始课让初学物理的初二学生对物理产生浓厚的兴趣是十分重要的.“运动和静止”虽是生活中很常见的现象，但是对于初二的学生而言，他们学习本节课时仍然存在着一些认知障碍.

1 学生学习本课存在的障碍

(1)学生刚开始学习物理，缺乏理性思维，很多学生看问题非常感性，不能很快学会利用本课所学的知识去正确解释生活现象.

(2)人们在分析问题时通常习惯从自己熟悉的角度进行观察和判断，在研究运动和静止的问题时，习惯认为地面是不动的，潜意识里总想以地面为参照物.

(3)本节课的常规教学中，通常只是利用一些生活现象或相关的图片、视频来帮助分析，学生都只是以“旁观者”的角度进行学习，甚至存在凭空去想象情景的现象，导致学生理解问题不够深入，分析具体问题时，看似容易的问题却经常会出错.

2 实验的设计和教学片断

针对本课中存在的以上问题，笔者设计了演示实验，力图通过实验，帮助学生克服这些障碍，帮助学生亲身融入每一个实例，在提高学生学习兴趣的同时，培养学生的理性思维以及崇尚真知的科学素养.

本实验需要使用微型无线网络摄像头(约300元)，摄像头的相关操作如下：

(1)摄像头产品附带有安装软件，需先在有网络的电脑上进行软件的安装；

(2)实验前在电脑上插入“随身WIFI”建立无线网络；

(3)利用此前安装的软件，将摄像头与电脑通过“随身WIFI”建立的无线网络相连；

(4)连接好后电脑屏幕将显示出摄像头拍摄的实时画面，同时可将画面传送到投影屏幕上.

实验一：运动和静止的相对性

运动和静止的相对性是本节课的难点之一，原因是学生潜意识中总以地面为参照物进行研究，而当变换参照物研究问题时，由于初二学生缺乏理性思维，难以用本节课刚学习的知识分析问题，所以经常会出现错误.

(1)教具准备

1)将摄像头与电脑进行无线连接.

2)选用规格为80 cm×40 cm×0.5 cm的泡沫板1块，制作底座并进行安装，使泡沫板能竖直放置.泡沫板上打印好80 cm×40 cm的树林背景图案.

3)准备一辆长约30 cm长的玩具小汽车，最好选用没有车窗玻璃的小汽车，从而方便安装摄像头，并避免车窗玻璃反光等因素对摄像头成像清晰度的影响.将摄像头放置在车坐上或用双面胶贴在车门上，让镜头对准车窗外，并尽量让玩具车的车窗出现在摄像头的视野中，以便模拟乘客坐在车中看向窗外时的情景，如图1所示.

图1 将摄像头装在车上，以车为参照物

(2)教学片断

教师在桌面上推动暂未安装摄像头的小车.

师：小车运动了么？

生：小车运动了，因为小车相对于树木(或桌面)发生了位置的变化.

师：树木运动了么？

多数学生：树木没有运动.

少数学生：树也可以运动，比如坐在车里时，感觉树木是向车后运动的.

教师将摄像头固定在车上，用摄像头对准路旁的树木，如图1所示.教师推动小车，引导学生认真观察投影屏幕，如图2所示.

图2 摄像头拍下的画面

师：这一次，树运动了吗？

生：树运动了.

师：你是如何判断出树运动了？

生：相对于车窗，树的位置变了.

师：同样的一片树林，刚才大家说树没有运动，现在却说树运动了，这是为什么？

生：说树静止，是以地面为参照物；说树运动，是以车窗为参照物.两次选择的参照物不一样，使得结论不一样.

教师总结：同一物体在同一段时间内，既可以说它是静止的，也可以说它是运动的，这是因为所选的参照物不同.参照物不同，结论就可能不同，运动和静止是相对的，判断物体运动还是静止必须选择参照物.

实验二：空中加油机

空中加油机的问题也是学生在本节学习的难点之一，学生在判断受油机相对于加油机的运动状况时就往往会出错，因为学生从未在加油机的视角观察过受油机；类似的，以飞机为参照物，判断地面的运动状况时，也会有学生错答成静止，因为生活经验告诉学生地面似乎永远是静止的，部分学生还不能正确根据机械运动的知识去理性分析.

本实验利用微型无线网络摄像头，将摄像机安装在加油机模型上，从加油机的视角观察受油机和地面的运动情况，从而可以直观观察到，当以加油机为参照物时，受油机和地面的运动状态如何.此外，若将摄像头安装在受油机上，则是以受油机为参照物.

(1)教具准备

选用一个翼展约50 cm，机长约50 cm的大飞机模型模拟加油机，另一个翼展约19 cm，机长约17 cm的小飞机模拟受油机，用一根细木条模拟加油管道，并用细木杆将两架飞机相连，两端用双面胶与飞机粘连，如图3所示.要注意，细木杆与小飞机要尽量轻.组装完成如图4所示.

图3 连接加油机与受油机

图4 组装好的效果图

(2)教学片断

师：空中加油机在给受油机加油的过程中，若以加油机为参照物，受油机运动了么？

部分学生：受油机是运动的，因为飞机在天上飞行就是运动的.

部分学生：受油机是静止的，因为加油时两架飞机一起飞行，受油机相对于加油机没有位置变化.

师：到底谁说得对？我们通过一个小实验来进行研究.我们把摄像头安装在加油机上(图5)，从加油机上看向受油机，同时观察屏幕，能看到什么现象？

图5 将摄像头安装在加油机上对准受油机

生：屏幕中背景在运动，但是受油机在屏幕中位置不变，没有运动(图6).

图6 以加油机为参照物，观察受油机

师：以加油机为参照物，受油机是运动的还是静止的？你是如何判断的？

生：受油机在屏幕中的位置没有变化，说明若是在加油机上观察，看到受油机的位置并没有变化，所以以加油机为参照物，受油机是静止的.

类似地，还可以将摄像头固定在加油机上并对准地面，飞机飞行时，观察屏幕可以发现地面相对于加油机是运动的.

实验三：地球同步卫星

地球同步卫星是学生从未亲眼见过的，学生无法站在地面看见地球同步卫星，这使得学生分析同步卫星的运动情况时存在困难.以往教学中教师通常借助于视频，但是在判断此类问题时，学生也只能在视频或课件中以旁观者的角度去观察.

本实验利用摄像头，通过实验的方法帮助学生“站在地面”去观察同步卫星的运动情况，帮助学生“亲眼看到”同步卫星.

(1)教具准备

用泡沫制作人造卫星的小模型，卫星模型大小要参考三球仪的大小，本次实验选用的卫星模型大小为2 cm×0.8 cm×0.5 cm.

将三球仪的月球模型卸下，并在地球模型的转动轴上绑上细铁丝，细铁丝的另一端安装好地球同步卫星的模型，并将其调整到“赤道”上方，如图7所示.由于同步卫星模型与地球模型同轴，所以二者转动角速度相同，可以同步转动.改装好的三球仪如图8所示.

图7 安装同步卫星模型

图8 改装好的三球仪

(2)教学片断

教师播放地球同步卫星的小视频.

播放视频后提问：请同学们描述一下地球同步卫星是如何绕地球转动的？

生：同步卫星和地球一起转动；地球自转一周，同步卫星也正好绕地球一周；同步卫星始终正对地球某一位置……

师：如果我们以地面为参照物，同步卫星是运动的还是静止的呢？

大部分学生：同步卫星始终和地球一起转动，正对着地面的同一个地方，相对于地面应该是静止的.

少部分学生：可是同步卫星明明在转动着，为什么会静止？

师：你们有没有站在地面上看到过天上的同步卫星？

生：没有.

师：想不想站在地上亲眼看一看同步卫星是如何转动的？

生：想！

教师将摄像头固定在地球上，对准同步卫星.转动地球，引导观察同步卫星在屏幕画面中的运动情况.

师：在地球转动的过程中，以地球为参照物，同步卫星是运动的还是静止的？你是如何判断的？

生：同步卫星模型在屏幕中位置没有变化，相当于我们站在地上看到同步卫星始终在我们头顶，同步卫星相对于我们站的地方位置没有变化，所以以地球为参照物，同步卫星是静止的.

3 教学效果

在利用摄像头改进了教学后，学生在上课时注意力非常集中，热情高涨，新鲜的器材给学生带来很浓厚的学习兴趣.另外由于实验现象直观，能够帮助初学物理的八年级学生身临其境地思考问题，再结合本课学习的知识进行分析，最终解决问题.改进后的教学既能够激发学生的好奇心和求知欲，又能帮助学生更好地理解和掌握基本的科学原理和方法，还能帮助学生提升实证意识以及利用证据说明问题的能力，从而从多方面提升学生的核心素养.

学生的反馈也证明了实验改进的成效.

在课后，有的学生说，“我以前不知道什么是同步卫星，也不知道它是怎么运动的，但是通过摄像头拍摄进行模拟，现象一目了然，就好像我站在地上抬头亲眼看见了同步卫星一样.”有的学生说，“如果不是把摄像头安装在汽车上，我根本想不到生长在地上的树木居然还能运动起来.”还有的学生说，“我本来以为物理课很难，但是没想到第一节物理课就这么有意思，没想到摄像头也能帮助我学习.”当然，也有学生提出了建议，“希望老师能多制作一些模型，比如模拟电梯相对运动的问题、模拟直升飞机相对运动的问题.”

学生给予的肯定说明利用摄像头对“机械运动”这一课的教学改进是非常成功的，而学生的建议也让笔者认识到实验还有可以进一步挖掘之处，需要我们进一步探讨、研究.