张睿 闫彩霞
山东省青岛第二中学 物理学生发展研究室 山东 青岛 266061
摘要：基于新课标、新教材的背景和物理学科核心素养能力的培养目标，本文将现代信息技术与建模教学相结合，设计相关建模教学的策略，以探究平抛运动的规律为例，利用生活中的真实情景，培养学生的模型建构能力。
关键词：现代信息技术；情境化教学；模型建构能力；平抛运动规律；
科学思维是高中物理学科核心素养之一，而模型建构是科学思维的重要组成部分。模型建构是基于经验事实进行抽象概括的过程，进而构建问题的本质图景。有了模型的建构，才会有科学推理、科学论证、质疑创新等要素。目前中学物理教学中缺乏对模型和建模本质深层次的认知，原因之一是教师对物理模型研究的不深入，其二有些教师从观念上还没有提升到从物理学科素养的高度培养学生科学建模的能力。视频分析软件Tracker是一个视频跟踪分析和建模工具软件， 在呈现视频的同时能够进行定量分析，生成质点运动过程中的位移、速度、加速度随时间变化的关系图像。
本文以高中物理新人教版必修二《平抛运动》为例，设置生活化的物理情境，以《请你来当飞行员》这个游戏贯穿本节课始终。通过创设物理情境、构建物理模型、研究表征物理模型、修正检验物理模型、整合应用物理模型的教学设计流程完成了本节教学。
1创设物理情境
飞机投弹是平抛运动中的典型例子，下面请同学试玩《请你来当飞行员》这个游戏（如图1），看能否炸中海盗船？学生一开始并不容易通过投弹炸中海盗船，基于该真实情景问题，教师引导学生提出问题：飞机投出的炮弹在下落过程是一种什么性质的运动？它的运动规律如何？如何记录物体运动的轨迹？
2 构建物理模型
在这一部分将利用tracker软件来辅助建模，简化物理情境，将物体看做质点，构建质点运动模型进行研究。
首先需要拍摄一段物体做平抛运动的视频，录制视频时可放一把17.5cm的尺子作为定标杆以确定物体运动的真实位移。接下来将视频导入tracker软件中进行追踪分析。导入软件后先建立直角坐标系，选取向右向上为正方向，小球的抛出点为坐标原点。插入定标杆输入定标杆的真实长度，最后点击工具栏中的“创建/质点”，在质点下拉菜单中选择“自动追踪”逐帧追踪小球的位置。如图2所示。在主界面上可以显示小球运动的位置、轨迹、速度图像。圆点图标可以看做质点，可以将小球的运动轨迹及每一帧的位置简化后显示出来，达到构建物理模型的目的。既方便又形象直观，还有利于学生进一步分析所构建的模型。
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图2 视频分析软件Tracker主界面
3 研究表征物理模型
利用Tracker视频分析软件的频闪功能，通过调整工具栏中“goast”和“dark goast”生成频闪照片，如图3所示。学生可以根据频闪照片对小球平抛运动的性质进行猜想：小球在竖直方向的速度是逐渐增大的，并且加速度是恒定不变的；小球在水平方向上速度可能是不变的。再针对上一环节小球的运动位移、速度图像运用Tracker软件自带的数据分析工具进行分析。
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图3 频闪照片
观察小球水平方向上的位移—时间图像近似可以看成一条直线，如图4所示，斜率为速度。故对其进行直线拟合速度约为0.7138m/s.由此可以得出平抛运动的水平方向上的分运动为匀速直线运动。
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图4 水平方向运动情况
再看小球竖直方向上的速度-时间图像，如图5所示。对其进行拟合依然得到一条直线，斜率即为加速度，并且初始时刻小球是从静止开始运动的，由此可得小球做的是初速度为零的匀加速直线运动，加速度的大小为9.731m/s2。由于规定向上为正方向，故斜率为负的。
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图5 竖直方向运动情况
4 修正检验模型
4.1修正模型
在实际情况中，空间存在空气阻力，会对小球的运动产生影响，所以所测的加速度的值比自由落体加速度的值略小。国际上将在纬度450的海平面上精确测量的重力加速度，g=9.80665m/s2作为重力加速度的标准值，在一般计算中取g=9.8m/s2。另外由于追踪的误差会导致数据拟合产生较小的误差。所以在图像拟合过程中分别出现了、数量级的截距。经过模型的修正，学生会对平抛运动的定义和规律有了更加明确的认识，更加理解平抛运动的位移、速度、加速度和时间之间的关系。
4.2检验模型
修正后的模型是否正确，可以通过tracker软件的建模功能进行检验。使用软件建立质点粒子的平抛运动模型与该运动进行比对。创建出与刚才相同的坐标系，将小球的的质量参数、标准重力加速度输入到软件中，设置初始时刻的速度、位置，点击播放，就可以得到质点粒子模型，如图6所示。
将两者的轨迹进行比对，左边绿色为建立的质点运动模型，右边红色为小球实际运动轨迹。通过两者的轨迹对比发现建立的质点粒子运动模型的运动轨迹和小球在空气中的实际运动轨迹非常相似，略有偏差的原因主要是受
空气阻力的影响，基本可以验证上述修正的模型。
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图6 标准模型与实际运动对比图
5 整合应用模型
5.1整合模型
通过以上的分析可以得出：在空气阻力可以忽略，在实验拟合过程误差允许的范围内，平抛运动的物体水平方向是匀速直线运动，竖直方向是自由落体运动。
5.2应用模型
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清楚了平抛运动的规律，再请同学进行《请你来当飞行员》游戏，这次投弹的同学不是随意点中投弹，好像在思考什么，同时炸中的概率更高了。笔者随机采访了两个飞行员，投弹画面如图7.（女飞行员投弹的时候海盗船是静止的，她说根据数据给的高度，以及飞机飞行的速度，可以求出飞机距离海盗船水平距离多远投弹；男飞行员投弹的时候海盗船是运动的，他说根据数据给的高度，以及飞机与海盗船的相对速度，可以求出飞机距离海盗船水平距离多远投弹；）此时同学们响起了热烈的掌声。上这节课时恰逢“山东舰”交付的第二天，笔者不失时机的对学生进行了爱国主义的教育，告诉每个同学我们不是生活在一个和平的世界，是我们生活在一个和平的国家，鼓励学生努力学习，报效祖国。
6 教学设计特点
6.1 重视情景创设，将实际问题转化成物理问题
核心素养导向下教师要为学生创设真实的物理情景，学生从飞机投弹炸海盗船的真实情境中发现和提炼问题，并通过物理模型将实际问题转化为物理问题，辅以软件进行实验和研究，从而达到解决实际问题的目的。
6.2 注重信息技术辅助教学，实现信息技术与物理教学的融合
教师应该设计各种学习活动让学生利用信息技术提升物理学习的能力。本教学设计利用视频分析软件Tracker辅助研究平抛运动的规律，不仅解决了常规实验中出现的问题，还提高了学生运用物理模型的能力。
6.3 基于模型建构研究物理规律，落实核心素养的培养
本教学设计设置生活化的物理情境，以《请你来当飞行员》这个游戏贯穿本节课始终。通过创设物理情境、构建物理模型、研究表征物理模型、修正检验物理模型、整合应用物理模型的教学设计流程完成了本节教学。从而形成对平抛运动模型的认识和使用，培养学生的学科核心素养。
6.4 重视科学探究能力的培养
教师通过真实情境让学生萌发出问题，利用信息技术代替传统实验研究平抛运动规律，让学生通过信息收集技术和信息处理方法形成探究计划和探究方案，最后完成实验。
参考文献：
[1]闫彩霞，邢洪明.现代信息技术对高中物理课堂教学的改进——以“自由落体运动”教学为例[J].物理教学，2019（07）：19-20.
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