层级化实验引导中学物理运动观念形成

麦树荣　彭晓春　陈泳仪

摘   要：运动观念是中学物理观念的重要内容，通常运动观念与相互作用观念并在一起，注重研究运动特征产生的原因，忽视了运动的属性观、描述观、形式观与规律观，忽视了运动观念内涵的分析与研究。通过中学物理实验及数据处理软件的辅助应用，从运动属性的研究、运动径迹的描述、运动形式的分析以及运动规律的探究与总结，促进学生运动观念的形成。

关键词：中学物理分层实验；Tracker软件；运动观念

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）5-0061-5

运动观念是中学物理观念的重要内容，物理学和生活中的很多问题，都可以用与运动有关的守恒思想来统一描述，并得出了“运动是绝对的”结论，由此对运动的理解也从概念上升到了观念的层次［1］。通过中学物理实验展示运动的径迹，并由Tracker软件进行数据分析，掌握运动的属性、描述、形式及规律，促进运动观念的形成。

1    “运动观念”的内涵

高中物理的运动是指机械运动，研究物体位置变化及变化的规律。在《普通高中物理课程标准（2017年版）》“机械运动与物理模型”模块中要求用概念、图像及公式对运动的特征进行研究，从物理概念、物理实验、物理模型、物理图像、数学规律、思维方法等方面提升对质点运动的认识，加强对运动形式（如平抛运动、圆周运动、简谐运动等）的研究［2］。

1.1    运动的属性观

“日往则月来，月往则日来，日月相推而明生焉；寒往则暑来，暑往则寒来，寒暑相推而岁成焉。”说明运动是物质的固有属性，是绝对的，是永恒的，静止则是相对的、暂时的和局部的，是物质运动的一种特殊形式。静止是认识、区分事物的基础，运动打破静止使事物向前发展，运动与静止在一定条件下可以转变。运动同物质是不可分离的，物质不能脱离运动而存在，运动也不能离开物质而存在。世界上的各种现象，都是物质运动的表现形式。高中物理运动观念是指机械运动的特殊性和规律性。

1.2    运动的描述观

如何描述运动呢？需要引入一些描述运动所需的基本概念，诸如“质点”“位移”“时间”“速度”“加速度”等。再结合图像、公式、运动的径迹进行科学分析与研究。概念是对现实情境的整合与抽象，通过具体情境的分析来建立概念，这是一个建模的过程。将具体的物理对象或过程抽象为物理模型，是物理学的重要研究方法。利用这种方法可以先抽取概念模型，再建构各类运动的模型，利用概念深度分析各类的运动特征，对运动进行精准描述，再结合日常生活情境将这些模型用于生产生活实践中。

1.3    运动的形式观

运动的形式就是物质的存在和变化的形式，不同的运动形式反映了运动的不同种类，物质运动包括宇宙中发生的一切变化和过程，运动形式广义可分为机械运动、物理运动、化学运动、生物运动、社会运动等。

自然界中的一切物体都在不停运动，从高中物理视域上看，运动的物质丰富多彩，例如机械、分子、电磁、原子等；运动的形式变化多端，例如直线运动、匀速运动、变速运动、曲线运动、匀速圆周运动、变速曲线运动、热运动、电磁运动等。如何研究运动的形式呢？依据研究领域的不同，可以分为机械运动、热运动、电磁运动和原子及原子核内部的运动［3］。

1.4    运动的规律观

物质的运动都遵循着相应的规律，中学物理表现为：（1）匀速直线运动规律、匀变速直线运动规律、牛顿运动定律；（2）抛体运动规律、匀速圆周运动规律；（3）电荷及电流的运动规律、电磁场的运动规律；（4）机械的振动与传播规律、电磁波与光传播规律；（5）分子的热运动规律、气体状态方程。

2    中学物理运动观念研究

通过CNKI查阅，近十年来有关“运动观念”的文献数共计14篇，关于“中学物理运动观念”的文献数为1篇，物理观念下的“运动观念”究竟是什么？包含了哪些内容没有具体说明？因长期以来对于中学物理运动观念的研究总是与相互作用的观念结合在一起，重视关注运动现象背后力学的原因。中学物理教师忽视了对中学物理运动特征的研究以及对运动观念内涵的充分认识，使得物理学科核心素养运动观念难以落实。在物理学史上对于运动规律的研究经历了一个长期的过程，从历史角度去认识运动观念，可获得一些方法与体验。

大约在16世纪，第谷非常器重开普勒，因为开普勒数学能力强，第谷请来开普勒当自己的助手，并且强调在天文的研究中一定要尊重观测事实。1601年第谷去世，他将自己二十多年的天文观测资料留给了开普勒。开普勒视恩师留下的观察资料为珍宝，并且相信天体的运动是有规律的，这些规律亦可适用于尽可能多的星辰。于是，开普勒运用数学方法对第谷的数据资料进行系统分析和整理。在当时那个年代，在庞大的数据之中寻找到普适的规律如同大海捞针一般。在获得各行星绕太阳运转的周期和平均距离以后，通过数据观察，随着周期增大，平均距离也在增大。第一步可以计算a/t，检测a与T是否存在正比关系；通过正比例关系的计算，观察分析得到数据，需要增大平均距离。第二步可以计算a2/t，检测a2与T是否存在正比关系；通过a2/t的计算数据，观察分析也没有正比关系，此处不用再计算a2/t2。进一步计算a2/t3，得到了令人惊奇的结果（表1）。

开普勒做了多达70次艰苦而复杂的计算，发现纬度的误差最大仍可达到0.133弧度，开普勒坚信第谷的测量工作是非常严谨的，开普勒放弃了偏心圆的假设，终于证明了开普勒第一定律，也叫椭圆定律。开普勒后来说：“8弧分不能忽视，正是这一点，导致了天文学上的一场彻底革命”。

现代信息技术为数据处理提供了更多便利，通过观察发现记录运动系列数据，通过数据处理发现背后所隐藏的运动形式与规律，这是建构运动观念最本源的途径。在中学物理中运动形式主要研究内容为：匀速直线运动、匀变速直线运动、抛体运动、圆周运动、简谐运动、机械波传播、电磁波传播、电子跃迁等。

3    以中学物理实验促进运动观念形成的深度教学策略

在新课程标准中，对于运动观念的描述是缺失的，其包含的内容及研究的方法没有具体的说明与指导。从物理学史的角度来看，研究运动形式及规律发现的历程与实验和数据分析是难以分开的。

3.1    通过中学物理分层实验建构模型促进运动观念的形成

对生产生活实践中的某个具体对象、条件或过程而抽象化的、理想化的物理情境就叫物理模型。物理运动模型就是针对物体所经历的过程、物体所处的状态进行抽象化、理想化的处理，便于对物体运动的形式、本质及规律进行研究。例如，匀速直线运动、自由落体运动、弹性碰撞和简谐运动等。我们中学所研究的物理运动大多来源于生产生活中，通过创设实验条件进行理想化处理，并针对数据进行分析与总结，认清运动特征、本质及规律，建构运动模型（图1）。

3.2    通过中学物理分层实验建构运动模型促进运动观念形成的案例

物理是一门贴近生活的学科，而生活中的现象纷繁复杂，对于某一研究对象与过程存在诸多外界的影响因素。建模就是要去掉这些外界因素，抽象出简单、清晰、理想的模型。

3.2.1    自由落体运动模型的建构

自由落体运动是最经典的匀加速直线运动，在日常生活中物体下落的运动与自由落体运动是不一样的，如何建构自由落体运动的模型呢？自由落体运动模型建构如表2所示。

3.2.2    受迫振动模型的建构

耳机中膜片的振动、弹奏钢琴时琴键振动以及风吹大桥桥身的晃动是生活中的受迫振动，怎样使学生认识受迫振动，理解其产生的原因及特征呢？受迫振动模型建构如表3所示。

3.3    中学物理实验结合Tracker软件促进运动观念形成的教学方法

Tracker软件是一个建立于开源物理架构下的影像分析与建模的工具，其工作原理是通过分析物理实验的视频，追踪视频中所研究质点的运动轨迹，从而高效得出准确的实验数据。探寻将Tracker软件应用于中学物理实验的教学策略，可有效提升实验教学的有效性。

3.3.1    恰当选择实验内容，凸显软件优势

Tracker软件能精确追踪质点的运动轨迹，分析运动性质。因此应用在运动学，尤其是复杂、抽象的运动相关实验教学中更能体现其优势。如研究多个物体的关联速度时（图2），通过软件分析可清晰看到关联物体的运动特征，帮助学生建立、理解物理模型，为后续的计算讲解奠定基础。

3.3.2    合理利用软件资源，深入探究运动规律

Tracker软件对物体运动状态的分析是较为全面的，合理利用其功能对中学物理实验教学有很大助益。以最常见的单摆运动为例，在一定条件下单摆运动可看作是简谐运动，部分学生因抽象思维发展还不成熟，很难将摆球的往返运动与简谐运动的图像联系起来，从而难以理解和掌握其中的物理概念、规律。通过Tracker软件对单摆小球进行分析，可直观呈现其简谐运动的规律（图3），帮助学生学习。此外，该实验视频还可应用在“用单摆测量重力加速度”实验中，用于准确测量单摆的运动周期。

3.3.3    整合改进传统实验，培养学生实验设计能力

受实验仪器精度不够、实验效果不明显、创新性不足等条件的制约，传统中学物理实验教学的开展困难重重，利用Tracker软件可有效整合、改进部分传统实验。如在探究平抛运动的规律时，学生利用平抛运动实验演示仪进行实验，由于小球运动的时间太短，很多学生并非“看到”而是“听到”两个小球相遇。为了进一步探究平抛运动的特点，教师可引导学生利用Tracker软件从提高实验的精确度、实验结果可视化等方面改进实验（图4）。

运动观念是中学物理观念的重要内容之一，通常运动观念与相互作用观念并在一起，更注重研究运动特征产生的原因，由此忽视了运动的属性观、描述观、形式观与规律观，忽视了运动观念内涵的分析与研究。通过中学物理实验及数据处理软件的辅助应用，从运动属性的研究、运动径迹的描述、运动形式的分析以及运动规律的探究与总结进行深度教学研究，促进运动观念形成。

参考文献：

［1］胡家光，马显留.初中物理运动观念的内涵分析及培养策略研究［J］.物理通报，2021（3）：63-65，68.

［2］教育部基础教育课程教材专家工作委员会.普通高中物理课程标准（2017年版）解读［M］.北京：高等教育出版社，2018：74-75.

［3］毛予廷.运动与相互作用观念层级模型建构及高中物理教材适应性分析［D］.重庆：西南大学，2018.

［4］周伟波，李阳，林晓盈.物理核心素养的融合框架初探——以“开普勒三大定律的发现”为例［J］.物理教学探讨，2019，37（4）：15-18.

（栏目编辑    刘   荣）

收稿日期：2024-02-21

基金项目：广东省教育科学研究“十三五”规划课题“中学物理实验师生合作创新SSCC模式的建构与实践”（2021YQJK051）；课程教材研究所校本课程建设推进项目第六批课题“中学物理实验迁移创新项目式学习的校本课程开发与实施”（JCSXBKC06005）。

作者简介：麦树荣（1977-），男，中学高级教师，主要从事中学物理教学工作。