利Tracker优化5E教学模式

孙玉玲　朱新梅　轩铭浩　王强

摘  要：“绳连物”是连接体模型的一个重要模块，该模型中绳两端所连物体的速度关系是教与学的难点。采用５Ｅ教学模式，借助Tｒａｃｋｅｒ软件追踪“绳连物”连接体中两个物体的运动过程，利用可视化的实验探究方法化解教学难点，深化对“绳连物”连接体模型的理解，培养学生的科学探究能力，提升學生的物理学科核心素养。

关键词：“绳连物”连接体模型；Ｔｒａｃｋｅｒ软件；５Ｅ教学模式

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）6-0064-5

“绳连物”连接体是高中物理常见的模型，它涉及到连接体问题中力与运动的关系，需要应用隔离法与整体法等物理学基本方法。对该模型的正确理解可以帮助学生深度建立运动观和相互作用观，培养学生的科学思维。

５Ｅ教学模式是科学教育领域的一种现代化教育模式，一共包括五个环节：吸引（Ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）、 探究（Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ）、解释（Ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ）、迁移（Ｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ）和评价（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）。５Ｅ教学模式注重培养学生的探究能力与交流合作能力，有助于提升学生的物理学科核心素养［１－２］。

Ｔｒａｃｋｅｒ软件是一种用于视频分析的物理软件，可以对运动物体进行追踪，通过建构相关的物理模型，对物体的位移、速度和加速度等运动学量进行定量分析。在物理教学中，利用Ｔｒａｃｋｅｒ软件对视频过程进行分析，有利于吸引学生注意力，活跃课堂气氛，提高学生的学习兴趣，启迪学生的思维，加深学生对物理过程的理解，从而提高教学效果。目前，越来越多的教育工作者利用Ｔｒａｃｋｅｒ软件进行物理课程数字化信息教学［３－４］。本文以“绳连物”连接体模型为例，探讨了应用Tｒａｃｋｅｒ软件优化５Ｅ教学模式的方法和思路，供同行借鉴。

１    模型建构与分析

常见的几种“绳连物”连接体模型如图１所示。图１（ａ）的模型1和图１（ｂ）的模型2中，两物体沿绳方向运动，速度大小相等，学生很容易理解。而图１（ｃ）中的模型3所示的是“岸上拉船”模型，该模型中船不沿绳方向运动，肖骁等详细讨论了如何利用朗威数字化信息系统传感器套件中的光电门器件对船速进行测量，并比较了实验测量值与理论计算值的误差，很好地验证了岸上拉绳的绳速与船速的关系［５］。但是，其实验装置比较专业和复杂，不易用于课堂教学。

对于类似“岸上拉船”的模型，包含物体不沿绳方向运动的情况，需要根据运动效果对各个物体的运动速度按沿绳方向和垂直于绳方向进行分解。根据总绳长不变的特点，绳两端位置在相同时间内变化量的量值相等，即两物体沿绳方向的速率相等。但是，对于没有学过用位移变化率来表示速率的高中生而言，这种分析比较抽象，学生往往不会分析两物体的运动过程，不能很好地理解和掌握两个物体速度大小之间的关系。为了帮助学生主动参与实验探究过程，深刻理解类似“岸上拉船”模型中各物体的速度关系，本文采用５Ｅ教学模式开展相关教学过程，借助Ｔｒａｃｋｅｒ软件分析“岸上拉船”这一类“绳连物”连接体模型中各物体速度大小的关系。

２    教学过程

２．１    提出问题，引发思考（Ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）

例题１ 如图２所示，重物A质量为M，运动方向竖直向下，物体B质量为m，运动方向水平向右。当绳子与水平面的夹角为α时，A的速度为v_A，问此时B的速度v_B为多少？

师：回顾我们常见的“绳连物”连接体，如图１的模型１和模型２，这个问题与我们常见的“绳连物”连接体有何不同？

生：在我们常见的“绳连物”连接体中，物体运动方向与绳子方向一致，绳子两端物体的速度相等，而在这个问题中，物体运动方向与绳子方向并不一致。这个问题类似于图１中模型３所示的“岸上拉船”问题。

师：这个问题是典型的物体运动方向不沿绳的“绳连物”连接体问题，要想知道两个物体的速度，就要清楚vA与vB的关系。同学们猜想一下，这两个物体的速度存在着什么关系呢？

生：v_A等于v_B，v_A大于v_B……

师：我们之前学习过Ｔｒａｃｋｅｒ软件，能否利用Ｔｒａｃｋｅｒ软件来探究两者的速度关系呢？

生：利用Ｔｒａｃｋｅｒ软件对物体A与物体B的运动过程进行追踪，再分析两者的速度关系就可以。

师：老师这边已经准备了小车、形变可以忽略不计的细线（绳）、钩码、砝码等实验器材。下面，请同学们参与搭建实验装置。

２．２    小组合作，主动探究（Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ）

采用实验探究的方法获取图２中物体A与物体B的速度。学生之间相互配合，把小车和砝码用细线连接，砝码表示物体A，小车表示物体B，用钩码代替滑轮并固定在上方的支架上，细线绕过钩码。让学生用三脚架固定好手机，从静止释放小车，拍摄砝码和小车运动的视频如图３所示。

拍摄结束后，将视频导入Ｔｒａｃｋｅｒ进行处理。分别对小车和砝码进行追踪，图４（ａ）为小车位置追踪图，图４（ｂ）为砝码位置追踪图。为了便于同时分析小车和砝码的速度大小，将两物体的速度追踪数据导入Ｅｘｃｅｌ表格进行数据处理，作出了小车与砝码的速率随时间的变化曲线，如图５所示。

２．３    利用可视化结果，合理解释模型（Ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ）

师：从小车与砝码的速率对比图中，大家有什么发现？

生：从数据中可以发现，小车和砝码的速率不相等，并且小车的速率始终大于砝码的速率，这是为什么呢？

师：由于小车的实际运动，也就是小车的合运动是水平向右的。速度是按实际效果分解的，同学们来观察视频中小车的运动过程（此处慢速播放），细绳拉着小车，使小车产生了哪些效果？

生：一个效果是小车有沿绳方向上升的运动趋势，另一个效果是小车相对滑轮固定轴旋转的趋势，这两个运动合成后的总效果为小车水平向右运动。

师：所以小车的合速度应该分解为平行于绳方向的分速度v∥，以及垂直于绳方向的分速度v⊥（图６），其中v_∥=v_车cosα。接下来，利用视频选取六帧图像，画出速度分解示意图，并测量细线与水平面夹角α，探究砝码速率与小车沿绳方向分速度大小之间的关系，将数据记录在表１中，并画出对应的散点图，如图７所示。由所得数据可知，在误差允许的范围内，该实验中砝码速率与小车沿绳方向分速度大小相等，即v_砝码=v_车cosα，其中，0°<α<90°。这样，就可以很好地解释图５中小车的速率为什么始终大于砝码的速率。

２．４    拓展延伸，有效迁移（Ｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ）

师：我们已经掌握了小车速度大小和砝码速度大小的关系，也学会了分解小车的速度。现在，请大家分析图１ （ｃ）模型３中的小船速度大小v₂与拉绳速度大小v₁之间满足怎样的关系？

生：在绳拉船的问题中，小船合速度方向水平向左，将小船速度沿平行于绳和垂直于绳方向分解，沿绳方向分速度的大小等于拉绳速度v₁，即：v₁=v₂cosθ。

师：大家已经初步掌握了物体运动方向不沿绳的“绳连物”连接体问题的速度分析方法。最关键的就是将物体运动看成是平行于绳方向和垂直于绳方向的合运动，且两物体沿绳方向的速度大小相等。接下来，我们一起来看一道例题。

例题２ 如图８（ａ）所示，A，Ｂ两车通过一个细绳跨绕在定滑轮两侧，分别放于光滑水平面上，A车以速度vA向右做匀速直线运动，当绳与水平面夹角分别是α和β时， B车的速度是多少？

师：这个问题中，两个物体的运动方向都不沿绳，两车的速度有什么联系呢？

生：A车沿绳方向的分速度大小和B车沿绳方向的分速度大小相等。

师：请同学们结合我们学习的速度分解方法，来解决这个问题。

生：将两车速度分别正交分解成沿绳方向和垂直于绳方向，如图８（ｂ）所示。利用刚才实验探究的结论，两车沿绳方向速度相等，即

２．５    全程评价，提升素养（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）

师：请同学们思考我们的实验结果，为什么小车沿绳的分速度大小和重物砝码的速度大小相比会有误差？

生：利用Tｒａｃｋｅｒ对拍摄的视频进行数据处理会存在一些误差。另外，测量角度时也会存在误差。

生生互评：同学之间相互讨论小车速度如何分解？为什么要这样分解？在迁移环节，同学之间相互检查速度分解图示是否正确。

除了上述的师生评价和生生评价的具体内容之外，评价过程贯穿于整个教学过程。吸引环节通过不同“绳连物”连接体模型的呈现，过渡到“岸上拉船”这一类模型，引发学生的思考。此时，可以通过提问判断学生的注意力和兴趣是否集中在怎么判断绳两端物体的速度大小上。探究环节可以评价实验装置的搭建、实验过程的规范性、视频的拍摄方式和技巧、利用Ｔｒａｃｋｅｒ追踪小车和砝码的视频处理方法等环节。解释环节可以评价学生对图像的描述是否科学。比如，应该描述成小车的速度可以沿平行于绳和垂直于绳方向分解，因为速度是矢量，可以采用平行四边形定则进行分解。但是，在比较小车沿绳分速度与砝码速度的关系时，应该表达为二者速度大小的关系。因为这两个速度方向是不一致的，真正用来比较的是速度大小。迁移环节可以评价学生在分析物理问题时能否抓住关键要素。例如，能否抓住模型３的“绳连物”连接体中物体速度大小关系的关键点。

３    结束语

通过创设类似“岸上拉船”模型的“绳连物”连接体模型的问题情境，吸引学生猜想绳两端物体速度的大小关系，激发学生对这一类模型的探索兴趣。借助Ｔｒａｃｋｅｒ软件追踪“绳连物”连接体中两个物体的运动过程，利用可视化帮助学生探究吸引环节提出的问题：“绳连物”连接体模型中各物体运动速度大小之间的关系。视频拍摄及分析过程可以培养学生的合作交流能力。解释环节的数据处理和分析过程可以提高学生借助信息化手段的实验探究能力。“一图胜千言”，学生通过不同角度砝码速率和小车沿绳速率的图像，可以非常直观地得到二者之间的关系，深度理解速度分解法。通过迁移环节中问题的设置和学生解决问题的情况，可以判断学生是否进行了有效的知识迁移。

“绳连物”连接体模型不仅涉及运动学问题的分析，还包含丰富的动力学问题。比如，高中物理必修一“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验就是一个典型的“绳连物”连接体模型，国外已有学者利用不同的数字化信息手段对这一类模型进行了深度探究［６］。所以，利用５Ｅ教学模式建构“绳连物”连接体模型，并借助Ｔｒａｃｋｅｒ對该模型进行视频追踪分析，突出了学生的主体地位，让学生经历了模型建构过程，有效促进了学生的知识迁移，是非常有意义的教学实践探索。

参考文献：

［１］吴成军，张敏．美国生物学“５Ｅ”教学模式的内涵、实例及其本质特征［Ｊ］． 课程·教材·教法，２０１０，３０（６）：１０８－１１２．

［２］邱蕾，袁海泉．基于“５Ｅ”教学模式的物理观念教学探讨［Ｊ］．中学教学参考， ２０２２（５）：５７－５９．

［３］邵欣颖，程敏熙，杨博，等．用视频分析软件Ｔｒａｃｋｅｒ研究小球在竖直平面内的圆周运动［Ｊ］．物理教师，２０１９，４０（６）：５８－５９．

［４］轩铭浩，朱新梅．利用Ｔｒａｃｋｅｒ软件对“水流星”问题进行探究［Ｊ］．物理之友，２０２１，３７（５）：１７－１８．

［５］肖骁，李正福，陈清梅．绳端速度关系问题的实验研究——以“岸上拉船”模型为例［Ｊ］．中学物理，２００８，２６（８）：２７－２８．

［６］Ｓｕáｒｅｚ Ｈ Ｊ Ｈ，Ｍａｃｈａｄｏ－Ｈｉｇｕｅｒａ Ｍ，Ｍｕｏｚ Ｊ Ｈ． Ｔｗｏ ｂｌｏｃｋｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂｙ ａ ｓｔｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｅｎｓｉｏｎ：ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｃａｓｅ［Ｊ］． Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，２０２０，５５（5）：55022-1-７．

（栏目编辑    贾伟尧）