Tracker软件助力物理模型建构教学

陶卓婷　罗新竹　胡志娟

摘    要：物理模型建构教学被认为是培养学生科学思维的关键环节之一，而现代信息技术可作为该环节的一大助力。在新课标、新课改提倡信息化教学的理念下，以“全反射”为例，将Tracker软件应用于物理模型建构的教学过程，分析了Tracker软件的应用原则。以问题链为导向，以真实情境为驱动，借助自制创新教具等手段，组织了一系列Tracker实验探究活动，为有效地将信息技术软件应用于物理模型建构的教学实践提供了参考。

关键词：Tracker软件；物理模型；全反射；科学思维

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）5-0081-6

为促进学生核心素养的养成和发展，《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）对课程目标进行了整合提升，其在“目标要求”中明确指出“会用所学模型分析常见的物理问题”［1］。新课标中“物理模型”出现的频率显著提升［2］，力图把物理建模作为撬动学生科学思维发展的支点，加强学生在真实情境中建构模型和解决实际问题的能力，而信息技术和自制教具正是开展物理模型建构教学的强大助力。

Tracker软件作为一款免费优质的视频分析软件，具有可视化、动态化、模型化等特点，能够用于辅助优化物理模型建构的教学。本文就Tracker软件如何助力物理模型建构教学进行了思考，分析了Tracker软件在物理模型建构教学中的应用原则。以“全反射”为教学实例，设计了创新实验教具，通过对比情境、问题链等方法，阶段式呈现了完整物理模型的建构过程。希望学生能够借助信息技术软件，在问题导向下建构物理模型，以实现其科学思维和关键能力的共同进阶。

1    Tracker助力物理模型建构的教学流程

物理模型是将实际问题理想化，略去一些次要因素，突出主要因素［3］。模型建构是学生认知物理现象、形成科学思维的基础。在物理教学过程中，通常包括建立模型、检验模型、完善模型、应用模型四个模型建构的教学环节［4］。充分利用好这四个教学环节，能帮助学生完成物理模型的建构。但物理模型具有抽象化、理想化的特点，构建模型在传统教学和学生理解过程中均具有难度。

借助Tracker软件可以多方面、多维度地优化物理模型建构，具体的教学流程如图1所示。Tracker软件的视频追踪功能能够动态追踪物体的运动轨迹，直观形象地初步辅助构建出相应的物理模型；软件自带的数据处理区，能帮助分析误差，推动开展模型的修正及检验；曲线拟合绘图功能，能促进完善模型的建构过程。由于Tracker软件能够对生活中真实的物理情境进行视频追踪，且操作简单，也有助于学生将构建模型的历程从课堂延展至课外。学生自主设计实验，通过应用模型充分内化知识，可有效推动物理模型的建构。图文并茂、新旧相融的教学手段能够充分激发学生的学习兴趣，促使学生全程参与课堂，培养学生的物理学科核心素养。

2    Tracker软件应用于物理模型建构教学的原则

基于教学实际，Tracker软件应用于物理模型教学的过程中需要遵循六个原则（图2），以便促使Tracker软件科学、高效地助力教学工作的开展。

2.1    辅助性原则——明确教学目的

Tracker作为现代化教学工具，能够帮助学生去研究一些传统教学手段难以处理的教学问题。作为辅助性教学工具出现在实际的教学过程中，服务于课堂教学活动。Tracker软件融入课堂，应有助于推进物理模型建构的教学，能促进提高教学质量和学生核心素养的达成。相反，Tracker软件若在建模教学片段中并无推进教学或达成教学目标的作用，甚至会舍本逐末，则不应将Tracker软件运用其中。

2.2    人本性原则——着眼教学主体

物理模型教学过程中，学生是学习的主体，Tracker软件的融入无疑为抽象晦涩的建模过程注入新鲜感，迅速引起学生参与课堂的积极性。在实验探究中，潜移默化地培养学生的信息素养。而实际教学中，由于诸多现实因素，学生对于Tracker软件的接受程度不尽相同。因此，教师应在课前充分掌握学情，开展预习工作，以防止软件的使用成为教学难点。在课上，教师应合理把控Tracker软件操作时长，观察学生操作情况，以避免学生对重点内容出现注意力的转移。如此，才能确保Tracker软件真正服务于学生的学习，实现教学的高效与优质。

2.3    互补性原则——丰富教学方法

传统的教学手段有其不可替代性，通过公式和理论的计算推导，能够培养学生的推理能力和抽象逻辑思维。而Tracker软件通过分析实际情境中的物理过程，帮助学生从物理情境中抽象概括出其所涉及的理论规律，从而促进物理模型的建构。Tracker软件和传统教学方法在教学中各有优势，将教学手段有机结合，便能相辅相成，促进学生对于物理模型的深度理解。

2.4    实验性原则——抓牢教学立足点

Tracker本身是一款视频分析软件，其分析的视频是对真实物理实验过程的实时动态反映。无论是Tracker软件的应用还是物理模型的建立，均以实验为基础。基于实验之上所构建的物理模型才能够更好地解释物理现象和物理规律。所以，将Tracker软件应用于物理模型的教学过程中，也需服从这一原则。即从实际出发，以实验为依据，深化渗透物理探究实事求是的精神。

2.5    延展性原则——拓宽教学途径

学生能够开展物理模型的应用，是帮助他们内化并重建物理模型的关键一环。Tracker软件基于实验的操作特点，让学生得以在真实情境中探索建模过程，激发学生创新思维，鼓励学生在不同情境下应用物理模型，解决实际问题。借助Tracker软件激励学生在课外开展物理模型建构的探究活动，能将物理模型建构教学从课堂延伸至课外，真正促进学生自我学习、终身学习以及科学思维等核心素养的发展。

2.6    反馈性原则——落实教学评价

良好的教学评价能够帮助教师优化教学体系，有效的反馈信息将切实助力教学评价的落实。Tracker软件的使用能够使得数据获取更加方便，模型应用更为及时，将实验探究和模型应用的过程显性化。教师能够结合学生表现和成果分析等多元评价手段，多层次把握学生学习情况，进而及时进行教学评价，并将教学评价从结论性评价向过程性评价进行转型，以便帮助教师依据评价结果优化教学策略。

3    Tracker软件应用于物理模型建构教学实例

“全反射”是前一节光的反射和折射相关概念的延伸，是对知识核心“光的传播”问题的进一步深化。这一节的重难点是“全反射的发生条件”［5］。在2019年人教版教材中，该内容是通过静态图片和理论分析进行阐述的，这使得学生难以对该教学重难点形成动态鲜明的感性认识，理解难度大。基于上述 6 个原则，笔者以“全反射”一节为例，自制了创新教具，并有效将Tracker软件应用于“全反射”条件模型的建构过程中。希望帮助学生有效建构“全反射发生条件”的物理模型并加深对知识的理解，整体的教学流程图如图3所示。

3.1    实验引入，建立模型

情境内容：

为了激发学生的认知冲突并引入“光的全反射”这一探究主题，设计了两个实验。一个是“光沿直线传播”，另一个是“水流导光”。通过对比这两个实验，学生能够直观地感受到光在两种不同介质中传播方式的差异。在实验分析中，学生将运用逻辑推理能力探究全反射发生的具体条件，并尝试建立一个初步的条件模型。

为了更直观地展示光路，教师使用自制的弯曲玻璃砖来引导光线，这一方法有效替代了在水流导光实验中难以清晰观察的光路。通过这种建模方式，使光路变得可视化，降低了逻辑推理的抽象性，帮助学生将生活现象与物理知识联系起来，从而形成更加生动和感性的认识。

具体过程：

首先，教师展示图4和图5所示的实验现象。在“光沿直线传播”实验中，教师展示光在均匀介质中沿直线传播的特点。而在“水流导光”实验中，教师展示光如何在水流中传播，并强调两种实验中光传播方式的区别。接着，教师提出一系列问题，构成问题链，引导学生深入思考并探索光的全反射原理。

教师：

（1）为什么激光沿着水流弯曲地向前传播了呢？

（2）光从水射入空气，在两个介质的界面间会发生什么现象？

（3）光此时没有发生折射的原因是什么？

学生对以上问题进行思考讨论，然后回答这些问题。

接着，教师讲解光疏介质和光密介质，以及全反射的定义。

教师：发生全反射的条件是什么？

学生根据定义和折射定律可以绘制如图6所示的折射图。当光从介质射入真空时，如果入射角等于临界角，就能恰好发生全反射。并建立发生全反射的条件模型：

（1）光从光密介质射向光疏介质；

（2）入射角等于临界角。

然后，教师针对水流导光实验再次提出问题。

教师：如何清晰地观察光在弯曲状物质中的传播路径？

学生进行思考和讨论，并根据水流的导光情境，产生设计弯曲玻璃砖的想法。

教师展示如图7所示的自制教具——弯曲玻璃砖，并实验演示光射入弯曲玻璃砖的情形，帮助学生抽象建立光在弯曲状物质中的传播路径这一物理模型。

设计意图：

通过对比实验，使学生具有感性认识。通过问题链，让学生对问题进行合理思考和猜想，培养学生的科学思维。通过逻辑推理和理论分析，让学生初步构建发生全反射的条件模型。结合自制创新教具和传统实验，对真实情境进行抽象建模，阶梯式建立光在弯曲状物质中的传播路径的物理模型。

3.2    实验探究，检验模型

实验内容：

学生利用自制弯曲玻璃砖开展探究实验，借助Tracker软件动态捕捉入射角角度，分析入射角和临界角的大小关系，以及其对应的实验现象，从而检验发生全反射的条件模型。

具体内容：

教师：如果入射角大于临界角，还能够发生全反射吗？

学生将弯曲玻璃砖置入空气中，射入激光，并控制入射角大于临界角。利用Tracker软件对入射角的角度进行动态追踪测量，可以测得如图8所示的入射角度变化曲线图。例如，Tracker测得入射角为59.6°时，光在弯曲玻璃砖中发生全反射现象，如图9所示。

学生计算临界角，根据实验现象，分析发现入射角大于临界角时，均发生全反射现象，检验并总结全反射发生的条件：

（1）光从光密介质射入光疏介质；

（2）入射角大于等于临界角。

设计意图：

通过问题引导以及实验探究，引导学生对于全反射发生条件进行深入研究，通过实际的实验数据以及相应的实验现象，从而检验全反射的发生条件这一条件模型，加深学生对于该物理模型的掌握程度。处理实验数据和对Tracker软件的操作，均能培养学生动手探究的能力以及实事求是的精神。

3.3    归纳对比，完善模型

实验内容：

进行“光射入置于食用油中的玻璃砖”实验，和先前“光射入置于空气中的玻璃砖”实验进行对比，利用Tracker软件对比入射角相同时实验现象的不同，从而完善全反射的条件模型。

具体内容：

教师：如果临界角增大了，是更易发生全发射还是更不易发生全反射？

学生进行理论计算和逻辑推理，发现临界角增大时，将更加不易发生全反射。学生进行实验，将有机玻璃砖置于食用油中，不断改变入射角的角度，利用Tracker软件测量出入射角大小，并根据“光射入置于食用油中的玻璃砖”实验所得数据，选取相同入射角，对比观察实验现象。例如图10，当仍取入射角为59.6°时，此时并未发生全反射现象。

学生计算可得此时临界角为80.6°，根据实验现象发现：当玻璃砖从置于空气到置于食用油中，原来的入射角均小于此时的临界角，此时没有发生全反射。学生通过实验验证了理论的正确性，完善全反射概念知识：临界角的角度增大，将更不易发生全反射现象。

教师：入射角度一致，比较当发生折射和全反射时反射光强度大小是怎样的？

学生根据实验现象，对比入射角度一致时反射光强度的大小（图11），发现当发生折射时，反射光线的强度明显小于发生全反射时反射光线的强度。

教师：为什么发生折射时的反射光强度小于发生全反射时的反射光强度？

学生：根据能量守恒定律（忽略玻璃对光线的吸收），发生折射时，入射光的强度等于反射光与折射光的强度之和；发生全反射时，入射光的强度等于反射光的强度。完善发生全反射和折射时反射光的强度对比。

设计意图：

通过师生问答，培养学生的科学推理能力。通过实验的对比，加深对临界角该条件的认识，并利用Tracker软件测量了传统教学方法难以测量的入射角角度问题，对理论进行验证，完善物理模型。通过反射光强度对比，加强学生对于物质的能量守恒观念的认识，真正做到理论和实践相结合。

3.4    变式迁移，应用模型

应用内容：

教师利用“光射入弯曲玻璃砖”实验中光的传播情况，以及全反射发生条件模型，引导学生设计光导纤维。学生应用全反射发生条件解释望远镜的原理。

具体内容：

学生根据所建立的全反射发生条件模型，对水流导光的引入问题进行解释。

应用1：光导纤维。

教师提出问题：如何设计才能使得光导纤维避免外界环境干扰，实现稳定的光信号传输？

学生小组讨论，教师点拨，思考光导纤维的设计。

教师总结学生设计，介绍光导纤维的构造与产生全反射的原理。展示光纤、光纤通信技术以及光纤传输图像技术。

应用2：全反射棱镜。

学生认识全反射棱镜，并根据双筒望远镜的简易结构示意图，绘出光路，解释望远镜的工作原理。

设计意图：

学生根据这三个实际问题，尝试应用全反射发生条件模型。并可以在课后利用Tracker软件自行对其中的光路和入射角等数据进行测量，培养学生的动手能力和科学探究精神。

4    结  论

新课标注重考查学生对真实情境的处理解决能力，而物理模型建构教学能够帮助学生将实际问题中的对象转化为物理模型，推动综合性问题的分析推理，是培养处理真实问题能力的一大助力。教师在遵循辅助性原则、人本性原则、互补性原则等六个原则的基础上，将Tracker这一信息技术软件与物理模型的建构教学进行有效融合，能为物理模型教学打开新思路，解决部分传统教学方法难以处理的问题。能让学生在教学过程中感受到物理模型的建构过程，促使学生加强物理和生活实际之间的联系，提升学生的模型建构能力。

党的二十大报告中明确强调要“推进教育数字化”，现代化技术如何有效助力模型建构教学，充分发挥物理模型建构教学培养学生关键核心素养的作用，其探索永远在路上。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］杨英恺，何述平，李乙.基于文本挖掘的2022版与2011版《义务教育物理课程标准》比较研究［J］.物理教师，2023，44（7）：31-36，40.

［3］人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第一册［M］.北京： 人民教育出版社，2019.

［4］江小安，罗翀.基于探究思维的高中物理建模教学的研究——以“原子的核式结构模型”教学设计为例［J］.物理教学，2021，43（4）：10-12，4.

［5］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

（栏目编辑    贾伟尧）

收稿日期： 2023-10-30

作者简介：陶卓婷（2001-），女，硕士研究生，主要从事物理学科教学研究。

*通信作者：胡志娟（1978-），女，副教授，主要从事信息光学和学科教学（物理）研究。