创设真实情境 提升学生素养——运用Tracker软件辅助真实情境下探究活动的实践和探索

傅竹伟

（无锡市辅仁高级中学，江苏无锡 214123）

新课程背景下，物理教师们正在努力用各种方式将真实情境引入物理教学.笔者认为，信息化的手段为真实情境与物理教学的结合提供了许多有益的工具.近日，笔者在所任教学校的高一年级进行了一系列结合Tracker软件的教学实践活动，包括组织学生利用Tracker软件的自主探究活动、将Tracker软件和课堂教学相结合等，希望利用Tracker软件和真实情境的有机结合，创设出真实生活情境下的学习和探究环境.

Tracker软件是一种视频分析软件，具有运动物体跟踪和运动分析等功能.本文不赘述软件的具体用法，相关内容可在互联网上找到介绍.本文将主要围绕笔者在“自由落体运动”实际教学中的一次应用实例，论述如何将软件与真实情境有机结合，引导学生的探究活动，分析其在提升学生核心素养方面的积极作用.

1 Tracker软件应用实例：探究活动——探究“自由落体运动的规律”

生活中许多物体的自由下落都可近似认为是自由落体运动，属于一种常见的真实情境.传统的研究方式是利用打点计时器研究重锤的下落运动，这种方式精确度高，科学性强，但学生在实际生活中几乎不会见到重锤的下落，其情境的真实性不如生活中常见物品的下落运动.所以笔者利用Tracker软件引导学生用身边的真实物品，亲手进行探究活动.具体流程如图1所示.

图1 运用Tracker基于真实情境探究活动的设计流程

笔者利用周末前的一节课给学生布置了探究任务：让学生根据自身条件，在家用Tracker软件研究自由落体运动的性质.笔者提出的要求是：在身边寻找一个合适的物品（其下落的运动应接近于自由落体运动），用手机或相机拍摄该物体自由下落的过程，将视频导入电脑，使用Tracker软件进行分析，并绘制其位移 时间图像和速度 时间图像，通过研究和分析，探究自由落体的运动性质，找出自由落体的加速度，并将实验成果制作成PPT，在课堂上展示.

1.1 充分的前期准备

Tracker软件作为一个新工具，在学生从未接触的情况下让他们直接进行探究是不现实的，所以需要教师提前规划和铺垫，让学生经历初步认识到逐步熟悉的过程.笔者在必修一第1章第2节“时间位移”的教学中第1次展示了Tracker软件.笔者提前拍摄了一位学生在操场上跑步的视频，并用软件进行了处理和分析（如图2）.学生第一次认识了Tracker软件及其功能，初步接触如何利用Tracker软件把物体抽象为质点，记录下物体在不同时刻的位置，直接生成位移 时间图像等，而这一基于真实场景的分析也让学生眼前一亮.课后有不少学生来和笔者探讨，学生对于软件的应用产生了一定的兴趣，对于进一步的应用有了期待.在后续加速度的教学、速度时间图像的教学中，笔者都利用了Tracker软件进行了相关内容的应用展示，学生慢慢熟悉并适应软件的应用，为他们之后探究活动的进行打下了基础.

图2 运用Tracker分析学生奔跑时的头部运动

1.2 有效的问题引导

由于条件限制，这项探究活动是让学生在家自主进行的.没有教师现场的指导，探究过程势必会有更多的不可控因素.为了解决这个问题，笔者设置了一系列的问题及活动要求，以引导学生合理有效地展开探究活动.引导问题如下.

（1）查阅资料，了解什么是自由落体运动.

预设答案：只受重力（不受空气阻力）由静止开始的落体运动；

（2）选择什么样的物品做实验合适？为什么？

预设答案：受空气阻力较小的物体，比如小铁球，玻璃珠等；可以减少空气阻力的影响；

（3）释放物体时需要注意什么？

预设答案：必须保证物体由静止释放，以保证物体初速度为0；

（4）拍摄下落过程时要注意哪些问题？

预设答案：拍摄设备需保持平稳，最好使用三脚架；

（5）你得到的自由落体运动的速度时间图像是怎样的？说明自由落体运动是什么运动？

预设答案：速度 时间图像接近一条倾斜直线.说明自由落体运动是匀加速直线运动；

（6）如果你得到的自由落体运动是匀变速直线运动，其加速度是多少？

预设答案：加速度接近9.8m／s2；

（7）你认为应该如何改进你的实验以让实验结果更科学？

预设答案：使用拍摄精度更高的设备以减少残影的影响；选用质量更大体积更小的物体来进行实验，以减少空气阻力的影响等；

（8）在改进实验之后你得到的实验结果有什么变化？说明什么问题？

预设答案：利用空气阻力影响更小的物体进行实验，加速度越来越接近9.8m／s2；说明理想状态下的自由落体运动是加速度大小为9.8m／s2的匀加速直线运动.

学生在探究活动进行之前以及进行的过程中，需要围绕着这8个问题进行思考和分析.这8个问题中，前4 个问题是引导学生更为精确地进行实验操作，后4 个问题则是引导学生对实验数据进行研究和讨论，进一步地尝试更精确的实验，逐步得到科学准确的结论.

1.3 即时的在线指导

虽然学生是在各自家中进行探究活动，但在学生进行过程中，笔者通过网络的方式始终和学生保持着联系，并对他们进行即时的指导.探究活动的过程中，学生不仅仅基于之前的引导性问题进行思考和尝试，还不断提出新的问题和想法，比如利用慢速摄影优化拍摄效果、利用Tracker 软件研究伽利略的探究过程（利用斜面来研究落体运动）等等，并根据这些问题和想法进行调整和新的尝试，同学们之间也进行着充分的交流和讨论，探究活动过程中，同学们的科学探究能力得到了充分的培养.

1.4 精彩的交流展示

探究活动之后，笔者收集了学生们的成果.出乎笔者意料的是，学生们的研究并没有仅仅局限于自由落体运动性质一项，而是生成了更为丰富的成果，其中包括：

（1）历史上对于自由落体运动的研究；

（2）利用尺子和橡皮进行伽利略斜面实验的重现；

（3）拍摄设备适用性的分析以及拍摄过程中畸变问题的解决；

（4）尝试了反应尺的制作.

笔者挑选了较为成功的几个小组，对他们的结果进行了基本的分类，让他们结合自身的探究活动从不同的方面，在课堂上进行交流展示.学生们的表现远超笔者预料，探究过程、遇到的困难、如何解决和改进、最终的探究成果等等都完整精彩地呈现了出来（图3-图5）.由于学生们自己都亲手进行了实验，每个人都感同身受，学习交流的氛围超过了笔者之前的绝大多数课堂.

图3

图4

图5

1.5 积极的评价反馈

为了让展示过程更能激发学生的热情，提升学生的评价能力，笔者尝试设计了评价量表（如表1），分别从物理内容和展示能力的角度，让学生对各自展示内容和过程进行评价，评价表如下.

表1

评价对象：

彼此之间的相互评价，让学生的热情被进一步激发，学生通过彼此之间的互动讨论，提问辩论，集思广益，相互启智.

2 Tracker软件辅助真实情境下探究活动对学生核心素养的提升

2.1 激发学习兴趣

兴趣是最好的老师，只有对学习有了兴趣，才能自然产生学习和研究的热情.探究活动中，很多同学尝试了用多种不同的物品进行实验，并在多次实验中进行比较和分析，找出不同物品作为实验对象的适合性.还有的学生尝试了不同的拍摄背景，以便于更加凸显研究对象的运动过程.学生对于此次探究活动表现出了极为浓厚的兴趣.笔者之后也利用问卷星对学生进行了调查，其中在“Tracker软件是否让你更有兴趣对物理知识进行探究？”的问题中，94.24%的同学表示大大提升了兴趣或提升了一些兴趣（图6）；在“你认为Tracker软件使用是否有助于你对于相关知识的掌握？”的问题中，94.12%的同学表示很有帮助或者有一定的帮助（图7）；在“今后你是否愿意运用Tracker软件对其他问题或知识进行研究？”的问题中，86.28%的同学表示非常愿意或者较为愿意（图8）.

图6

图7

图8

结果表明，这次探究活动大大激发了学生的学习兴趣.绝大多数学生都表示愿意更多尝试此类结合信息技术的探究活动.

2.2 突破时空限制

传统的物理实验受到各种条件的限制，大多数情况下，只能利用在校时间在实验室进行.这次探究活动则突破了时空的限制，让居家实验变得可能.在之后的教学过程中，笔者还多次尝试让学生进行居家实验，比如在超失重的教学中，让学生提前在家进行体重秤上的下蹲起立实验；在圆周运动的教学中，让学生利用周末时间体验骑自行车过拱形桥等等.并让学生拍摄视频，将视频拿到课堂上进行分析和讨论.选择合适的实验，让学生居家进行，学生随时随地进行学习和研究，既拓展了学生学习的疆域，也让学生真正感受着物理与生活的密切关系.

2.3 建立物理观念

真实的教学情境，更能帮助学生建立科学的物理观念.Tracker软件作为视频分析软件，其最大的价值便在于使研究场景完全真实化和生活化.学生在这次探究过程中所用的对象从清一色的小铁球或重锤，变成了生活中各种常见的物品，有乒乓球、牛奶罐、网球、橡皮等等；探究活动中，学生还邀请了自己的父母、兄弟姐妹一起参与，这些都让这次探究活动变得真实而生动.Tracker软件辅助真实情境创设的教学方式既可运用于探究活动，也可运用于日常教学，例如笔者在必修二第5章第1节“曲线运动”的教学中，再次使用Tracker软件，分析了现场拍摄的投篮视频，供学生在课堂上进行分析研究（图9—10）.总之，Tracker软件的应用，为基于真实情境的物理教学提供了极大的可能，也使得学生的运动观、相互作用观等物理观念在真实的情境中得到了建立和发展.

图9

图10

2.4 促进科学思维

科学思维包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新.在这次探究活动中，学生的各种科学思维在不知不觉中得到了发展.例如，Tracker软件将视频导入后的一个步骤是把研究的物体抽象为质点来进行标注，使用过程中还需要把运动轨迹用平滑曲线连接，这些对于学生的模型建构能力自然而然地产生了影响；此外，由于没有限制学生所选择的物体，学生在选择的过程中有了自然的思考，什么样的物体适合用来做研究，不同的物体分别会产生什么影响，物体的体积、重量，甚至材质、色彩、物体下落过程中的旋转都成了他们考虑的因素，在对这些问题进行思考和分析以及不断尝试的过程中，学生的科学推理、科学论证、质疑创新等能力都得到了促进.

2.5 发展科学探究

学生在基于引导性问题设计实验的过程中，发现了不少其他问题，比如背景对清晰度的影响，拍摄设备对实验的影响等等.为了成功地进行实验，他们深入思考，寻找证据，努力解决问题.在制作展示文档的过程中，他们对自己的探究过程进行描述，对实验结果进行分析和解释.实验过程中，大家提出各种问题，尝试为这些问题寻求证据和解决方案，对自己的实验结果进行分析和解释，并在师生之间、学生之间开展充分的讨论和交流.在之后的课堂中，向同学展示自己的实验成果.整个过程，学生的各方面科学探究能力得到了充分地发展.

2.6 培养科学态度

这次探究活动中，也有一些学生没有得到理想的结果.在此情况下，他们中的大多数并没有简单粗暴地修改数据，他们一方面大方地展示自己不理想的成果，另一方面努力寻找产生误差的原因，积极寻求改进方案，学生实事求是的科学态度得到了培养.还有学生告诉笔者，自己几乎花了一整天的时间查阅资料，进行实验，改进操作，整理成果，制作展示文档等等，学生身上无畏失败，不断尝试的精神也在慢慢生长.

3 结语

将诸如Tracker软件这样的信息技术与课堂教学和探究活动进行有效结合，使学生做到了真实情境下的学习和探究，让学生真正做到了有深度的思考、有意义的探究、有质量的交流，也真正地让学生的核心素养得到了有效地提升.