【摘要】 作為一款具有動態(tài)捕捉和數(shù)學建模雙重功能的視頻分析軟件,為豐富教學手段、培養(yǎng)學生核心能力提供了新的思路。 本文基于傳統(tǒng)實驗教學中常見問題，以高中物理必修課一第二章第四節(jié)“自由落體運動”為例，設(shè)計了符合學生認知特點的教學流程，利用視頻分析軟件收集并分析實驗。 數(shù)據(jù)提高教學效率，激發(fā)學生興趣，提高學生核心能力。
【關(guān)鍵詞】視頻分析軟件、自由落體運動、核心素養(yǎng)
一、簡介
普通高中物理課程標準明確要求：在學習方法上，強調(diào)學生的主體性，培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力，讓學生成為學習的主人。
在教學方法上，強調(diào)實驗探索的重要性，把實驗探索作為學生的學習目標和重要的教學方法，加強實驗方案的自主設(shè)計，避免學生按照既定步驟進行錯誤的“探索”。教師或教科書； 在實驗數(shù)據(jù)收集方面，注重信息技術(shù)在實驗中的應(yīng)用。
在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，收集實驗數(shù)據(jù)的方法更加現(xiàn)代化和多樣化。 現(xiàn)代信息技術(shù)在物理教學特別是實驗中的應(yīng)用，可以大大降低實驗數(shù)據(jù)的采集難度，提高教學效率。
2.傳統(tǒng)實驗教學的弊端
在高中物理教學中，實驗是物理教學的重要組成部分。 教師在教學中有意識地設(shè)置實驗探索環(huán)節(jié)，不僅可以幫助學生更好地理解相關(guān)物理概念和物理定律，還可以幫助學生掌握物理研究方法、提高實驗技能。 目前，傳統(tǒng)的實驗教學往往存在以下缺陷。
學生的學科地位不被重視
在傳統(tǒng)的實驗教學模式中，由于分數(shù)考核的存在，教師往往選擇讓學生記憶、背誦物理知識，從而忽視了學生主體性在實驗探索中的重要作用。 這種學習是毫無意義的機械學習，不符合課程標準的理念。
學生是學習的主體，他們的學習過程就是主動構(gòu)建知識體系的過程。 因此，在教學中，教師必須重視學生的主體地位，鼓勵學生運用知識積極思考和探索。 只有這樣的課堂才能成為充滿活力的課堂。
程序化操作，虛假“探索”
傳統(tǒng)的實驗教學中，無論是教學方法還是教學內(nèi)容都是固定的高中物理教學視頻網(wǎng)，學生往往只能在教師的指導(dǎo)下重現(xiàn)書本上的實驗。 這樣的實驗不利于學生能力的培養(yǎng)。 而且，由于所使用的實驗方法和實驗儀器基本相同，很容易導(dǎo)致少數(shù)學生抄襲其他學生的實驗數(shù)據(jù)，而沒有進行動手實踐和思考，從而挫傷了學生實驗探索的積極性。 ，這不利于培養(yǎng)學生的動手實踐能力和創(chuàng)新思維能力。
硬件設(shè)施難以滿足實驗要求
高中物理實驗可操作性很強，涉及到很多專業(yè)設(shè)備，如打點計時器、牛頓管、力傳感器等。此外，高中物理實驗對實驗數(shù)據(jù)的采集、實驗數(shù)據(jù)的有效呈現(xiàn)等要求很高。許多物理定律需要精確的數(shù)據(jù)測量。
但由于我國教育資源不平衡，大多數(shù)學校由于資金和空間的限制，很難全面配置上述設(shè)備。 有些學校有實驗室，但長期缺乏維護和保養(yǎng)，經(jīng)常閑置。 這不利于實驗教學的發(fā)展。
3. 針對上述問題的使用改進
視頻跟蹤軟件基本功能介紹
視頻跟蹤軟件是美國卡布里洛大學 Brown教授開發(fā)的一款用于物理實驗視頻的圖像分析和數(shù)學建模的軟件。
該軟件可以通過物理實驗視頻片段跟蹤分析視頻中研究的粒子的運動軌跡，從而簡潔高效地獲得相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，揭示物理規(guī)律。
目前，國內(nèi)外許多學者和教師已成功地將其應(yīng)用到運動學、動力學包括光學等領(lǐng)域的物理實驗和教學中。
物理教學中的應(yīng)用策略
① 以問題為線索，激發(fā)學生參與實驗探索的熱情
在實驗教學過程中，如果教師不能調(diào)動學生的積極性，讓學生主動參與實驗探索，那么即使教師能夠通過這樣的實驗將抽象的事物具體化、形象化，也很難加強學生對物理概念的理解。和物理學。 對規(guī)律的理解，因為這不是學生主動建構(gòu)的知識，而只是為了方便學生記憶知識。
教師應(yīng)重視學生的主體地位，將物理實驗轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸O(shè)計參與活動”。 在此過程中，教師可以充分利用視頻、圖片等現(xiàn)代信息資源，形象地表達抽象的物理問題，并以問題為線索，不斷主動引導(dǎo)學生主動參與相關(guān)物理問題的討論，用自己的意志來討論它們。 以及思維和動手能力，幫助教師或獨立完成實驗操作，加深對理論知識的理解。
②利用多媒體資源豐富實驗形式，凸顯實驗趣味性
在平時的高中物理實驗教學中，實驗形式僵化，實驗情境與學生日常接觸到的常見情境不同。 因此，有些學生會對物理實驗產(chǎn)生排斥心理，在實驗探索過程中往往會應(yīng)付。 完畢。
利用軟件強大的視頻分析功能，教師可以提前從網(wǎng)上找到許多與生活場景相關(guān)的物理實驗視頻，導(dǎo)入到軟件中進行分析。 這不僅可以豐富物理實驗的教學形式，而且可以凸顯實驗的趣味性，引導(dǎo)學生感受物理知識在生活中的意義。
③利用技術(shù)優(yōu)勢，提高數(shù)據(jù)采集和處理能力
信息化教學的出現(xiàn)是教學現(xiàn)代化的重要標志，也是當前新課程改革的重要組成部分。 許多物理實驗往往因設(shè)備限制而存在較大誤差，不方便學生進行物理繪圖和數(shù)據(jù)分析。 利用強大的視頻分析能力來采集和處理實驗數(shù)據(jù)就可以很好地解決這個問題。 并且有利于培養(yǎng)學生的數(shù)學思維。 使學生更加直觀地認識物理現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律。
4.本節(jié)內(nèi)容分析
本章位于人民教育出版社2019年高中物理必修課一第二章第四節(jié)。學生掌握了勻變速直線運動規(guī)律后，需要研究一種常見的運動形式。 這是生命中勻變速直線運動的規(guī)律。 具體應(yīng)用。 學習自由落體運動不僅是學生之前所學知識的綜合運用，也是對學生邏輯思維和科學探究能力的重要訓練。
教科書從“探討影響物體下落速度的因素”問題出發(fā)，引出了伽利略和亞里士多德之間的百年爭論。 通過邏輯推理和演示實驗，消除了學生長期以來的誤解，提出了自由落體運動理論。 概念，并通過實驗探索，我們得到了自由落體運動的規(guī)律，理解了重力加速度的概念。
本節(jié)的重點是闡明自由落體運動的本質(zhì)并探索自由落體運動的規(guī)律。 難點在于打破學生以往的觀念，正確理解自由落體運動的概念。
5、學習情況分析
有利因素：在學習本部分內(nèi)容之前，學生已掌握勻速直線運動的相關(guān)規(guī)律，初步具備一定的實驗探究能力。
缺點：學生邏輯思維處于初級階段，且受生活經(jīng)歷影響英語作文，存在“重物必須落得快”的誤區(qū)。
6. 學科素養(yǎng)的成就
物理概念：
1.正確理解自由落體運動的概念。
2.了解自由落體運動規(guī)律。
3. 闡明自由落體運動的性質(zhì)。
科學思維：
1. 通過了解伽利略和亞里士多德關(guān)于影響物體下落速度的因素的爭論，體驗科學推理在物理研究中的應(yīng)用。
2、體驗探索自由落體運動的過程，培養(yǎng)學生基于科學推理和客觀事實的科學思維，勇于質(zhì)疑和批評。
科學探究：
1.了解根據(jù)實驗事實做出合理猜測、探索和發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的科學探究過程。
2.培養(yǎng)學生根據(jù)客觀物理現(xiàn)象進行合理猜測、設(shè)計實驗方案、總結(jié)物理規(guī)律進行科學探究的能力。
科學態(tài)度和責任：
1、了解伽利略的生平事跡，培養(yǎng)學生追求真理、敢于實踐的科學精神。
2、在探究過程中，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度。
3. 在交流、討論和實驗設(shè)計的過程中，感受科學探究的協(xié)作性和發(fā)展性。
7、教學流程設(shè)計
教學流程如下圖1所示：
圖1 自由落體運動教學流程
流程說明：
首先，將自然界常見的墜落動作以視頻片段的形式展現(xiàn)出來，不僅引起了學生的興趣，也促使他們更加關(guān)注生活中的事物，發(fā)現(xiàn)生活的美好。
接下來提出問題：以上動作有什么共同特點？ 將學生的視角帶回物理情境，對上述現(xiàn)象進行抽象總結(jié)，引出本節(jié)課的主題：自由落體運動。
隨后，老師演示了實驗：將一枚硬幣和一張展開的紙從同一高度落下，并提出問題：物體下落的速度可能與哪些因素有關(guān)？引導(dǎo)學生進行交流討論，提出自己的想法。自己猜想：①可能與物體的重力有關(guān)②可能與空氣阻力有關(guān)
之后，老師用邏輯推理和實驗演示驗證了猜想①，得出物體下落的速度與物體的重力無關(guān)。 同時老師結(jié)合牛頓管實驗提出了自由落體運動的概念。
最后老師提出了一個問題：如何探究自由落體運動的規(guī)律？ 他還帶領(lǐng)學生回憶之前探索汽車速度隨時間變化規(guī)律的實驗，利用軟件探索自由落體運動規(guī)律，闡明自由落體運動的本質(zhì)，理解重力加速度的概念。
《自由落體運動》教學設(shè)計
（一）新課程介紹
1.通過多媒體視頻引入話題
展示：大雪紛飛、柳絮飄揚、秋葉飛舞等精美視頻片段吸引了學生的興趣。
問題一：以上運動項目有哪些共同特點？
學生：都是下落動作
老師：很好，那今天我們來學習一個特殊的下落動作——自由落體動作。
設(shè)計意圖：以生活中常見的下落運動為例，引導(dǎo)學生從物理的角度觀察生活中的現(xiàn)象和思考，激發(fā)學生學習物理的興趣，培養(yǎng)學生的觀察能力和抽象概括能力。
(2)自由落體運動
演示實驗：將一枚一元硬幣和一張展開的紙從同一高度同時落下。 （這里之所以選擇鋪開的紙進行演示，是為了讓學生直觀地感受到鋪開的紙在空中落下時空氣阻力的影響）
問題2：誰摔得更快？ 您認為哪些因素可能與物體下落的速度有關(guān)？
學生：硬幣掉得很快。
學生猜測：①可能與物體的重力有關(guān)②可能與空氣阻力有關(guān)
驗證猜想：①可能與物體的重力有關(guān)
設(shè)計意圖：教師通過演示小實驗，引導(dǎo)學生觀察實驗現(xiàn)象并做出合理猜測，培養(yǎng)學生的科學探究能力。
教師向?qū)W生講授亞里士多德與伽利略的歷史辯論，引導(dǎo)學生進行邏輯推理，找出亞里士多德結(jié)論本身的內(nèi)在矛盾，從理論上得出物體下落的速度可能與重力無關(guān)。
學生實驗：將紙揉成球狀，將硬幣從相同高度釋放。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，卷成一團的紙和硬幣以幾乎相同的速度下落。
結(jié)論：猜想：①不成立
驗證猜想：②可能與空氣阻力有關(guān)
教師演示牛頓管實驗，引導(dǎo)學生觀察實驗現(xiàn)象。
小結(jié)：在沒有空氣阻力的情況下，不同重量的物體以相同的速度下落。
老師根據(jù)上述實驗結(jié)論給出了自由落體的定義：物體僅在重力作用下從靜止落下的運動稱為自由落體。 當物體的空氣阻力遠小于物體的重力時，下落也可近似視為自由落體運動。
設(shè)計意圖：采用邏輯推理和實驗探究兩種方法，驗證猜想，理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維和實踐能力。
(3) 自由落體運動定律
問題三：如何探索自由落體運動規(guī)律？
老師帶領(lǐng)學生回憶了之前探索汽車速度隨時間變化規(guī)律的實驗，并利用軟件探索了自由落體運動的規(guī)律。
實驗：探索自由落體物體的運動規(guī)律
1.導(dǎo)入視頻
老師會拍一段提前拍攝好的自由落體視頻（為了盡可能減少誤差，本次拍攝采用120幀慢動作拍攝），導(dǎo)入到軟件中。 視頻背景是一張25×30的方格紙，每個小格子為3cm
2. 選擇分析片段
打開軟件，點擊菜單“視頻→導(dǎo)入”將視頻導(dǎo)入軟件中，打開視頻剪輯設(shè)置對話框高中物理教學視頻網(wǎng)，確定待分析視頻的起點和終點。
3.建立坐標系
單擊“顯示坐標軸”按鈕，將小球下落的起點設(shè)置為坐標原點。 如圖2所示，點擊“標定工具”按鈕，將標定桿拖動到視頻屏幕中已知距離的兩點，輸入兩點之間的實際距離（以米為單位）。
圖2 以球的落點為坐標原點建立直角坐標系。
4. 追蹤物體
單擊“軌跡”并創(chuàng)建一個“粒子”。 由于球會移動得更快，為了減少誤差，我們選擇手動跟蹤的方法對球進行逐幀分析。 按住“shift”鍵可手動一一跟蹤球的位置。 每跟蹤一個位置，相關(guān)的運動數(shù)據(jù)就會以圖形和表格的形式顯示在窗口右側(cè)。 如圖3所示。
圖3 跟蹤球的位置并收集數(shù)據(jù)
5、結(jié)果分析
如圖4所示，將鼠標移至窗口右側(cè)的圖表窗格，單擊右鍵，選擇“分析”，進入數(shù)據(jù)分析頁面。 這里我們可以選擇拋物線擬合（為了進一步減小誤差，我們可以選擇使用中間均勻分布的點進行數(shù)據(jù)擬合）
圖4 所得實驗數(shù)據(jù)的分析擬合
討論與思考：
① 結(jié)合打點定時器的相關(guān)知識，我們應(yīng)該如何處理上述數(shù)據(jù)才能將誤差降到最低？
②通過這張圖你能得到關(guān)于自由落體運動的哪些信息？
健康：①我們可以選擇中間分布比較均勻的點進行數(shù)據(jù)處理，這樣可以減少誤差②從這張圖可以得出自由落體運動是勻加速直線運動，其加速度約為9.74m /s2
老師總結(jié)實驗調(diào)查的結(jié)論：自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動。 自由落體的加速度也稱為重力加速度，通常用g表示。 一般計算時，通常采用g=9.8m/s2或10m/s2。
設(shè)計意圖：利用視頻分析軟件對自由落體運動進行定量分析，大大降低了實驗數(shù)據(jù)的采集難度，并以更直觀的形式呈現(xiàn)物理規(guī)律。 教師還可以引導(dǎo)學生運用之前學過的知識來分析實驗數(shù)據(jù)。 進行分析并培養(yǎng)學生的科學探究能力。
(4)重力加速度
老師給出一個不同緯度的重力加速度表，并問：從這張表中你能得出什么結(jié)論？ （由此得出g隨緯度增加而增加的結(jié)論）
(5)自由落體定律及應(yīng)用
教師用勻變速直線運動公式類比，引導(dǎo)學生推導(dǎo)自由落體運動公式。
（六）課外發(fā)展
這里可以安排課外活動，鼓勵學生課后互相配合，用尺子測量反應(yīng)時間。
八、案例分析與反思
① 在教學過程的安排上，教師依據(jù)科學原理，熟悉教材，以生活中常見的跌倒現(xiàn)象為切入點，引入本課的主題，并按照之間的內(nèi)在邏輯進行安排。結(jié)合本節(jié)教學內(nèi)容中的知識點，并通過提問的方式連接各個教學環(huán)節(jié)，使學生進一步理解探索自由落體運動規(guī)律的過程，提高學生的邏輯思維能力。
②從探究原則出發(fā)，在教學中，教師充分利用演示實驗，調(diào)動學生的學習興趣，引導(dǎo)學生觀察實驗現(xiàn)象并提出合理猜想，然后從學生的猜想出發(fā)，一步步引導(dǎo)學生探索自由落體運動規(guī)律的一步。 ，充分發(fā)揮學生的主體性，培養(yǎng)學生的科學探究能力。
③教師從直覺原理出發(fā)，在探究自由落體運動規(guī)律時，充分利用軟件的可視化能力，直觀地向?qū)W生展示了球下落的過程，并利用視頻分析軟件大大豐富了形式實驗探究和改進提高數(shù)據(jù)收集效率。
從上述對“自由落體運動”的改進來看，利用軟件探索自由落體運動不僅可以大大簡化實驗數(shù)據(jù)的采集過程，而且可以提高數(shù)據(jù)的準確性。 同時，其自身的數(shù)據(jù)分析功能也可以幫助學生快速弄清楚自由落體運動的規(guī)律，節(jié)省大量教學時間的同時也提高了學生的信息素養(yǎng)。
《自由落體運動》是作者利用軟件改進力學實驗教學并付諸實踐的第二課。 從實際教學情況來看，學生們對牛頓管的演示實驗非常感興趣，參與討論的熱情也很高。 一些學生已經(jīng)能夠更熟練地運用它進行獨立探究。 整個教學過程，氣氛十分活躍，師生之間交流充分。 而且，在這次教學中，為了讓后面的學生能夠清楚地看到數(shù)據(jù)。 對于表格，我沒有使用學校的智能黑板進行演示。 而是用電腦屏幕投影將操作界面投射到屏幕上，供后面的學生觀看。
九、總結(jié)與展望
當前，信息技術(shù)與物理課程資源整合的研究是物理教育界的熱門話題。 本案例以實例探索了信息技術(shù)應(yīng)用于高中力學實驗教學的一般模式，并設(shè)計了相關(guān)案例，進行了實際測試，取得了良好的效果。
利用視頻分析軟件著眼于信息技術(shù)與高中力學實驗的融合，明確了中學物理信息課程資源的普遍性和多樣性，并通過視頻分析軟件探討了“自由落體運動”的新教學模式。 。
同時，還總結(jié)了實驗教學中將采用的三種策略：
① 以問題為線索，激發(fā)學生參與實驗探索的熱情，
②利用多媒體資源豐富實驗形式，凸顯實驗的趣味性，
③利用計算機技術(shù)的優(yōu)勢，提高數(shù)據(jù)采集和處理能力。
教學案例實施結(jié)果表明，利用軟件進行實驗分析可以提高學生的學習興趣，幫助學生更好地理解實驗原理、掌握相關(guān)物理定律，有利于培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)、也豐富了中學物理的信息化。 課程資源。
為今后信息技術(shù)與物理實驗教學融合的研究以及適合信息技術(shù)與物理實驗結(jié)合的通用教學模式的探討提供思路； 讓一些缺乏相應(yīng)實驗設(shè)備的學校能夠更好地引導(dǎo)學生進行實驗探究活動。 緩解教育資源失衡。
希望今后有更多的教育工作者對軟件在光學實驗中的應(yīng)用進行研究，充分挖掘軟件的功能，為推動物理教學信息化貢獻自己的微薄之力。
參考
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關(guān)于作者
湖南省長沙市望城區(qū)長郡則馬湖中學高中物理教師。 16年教學經(jīng)驗。 教學成果眾多：獲高中精品課程教學競賽市級一等獎1名、精品課程1門、省級精品課程1門、市級一等獎。 ，多次榮獲優(yōu)秀班主任、優(yōu)秀教師等榮譽稱號，多次指導(dǎo)學生高中物理競賽獲獎，擔任名師工作室名師并培養(yǎng)指導(dǎo)多名青年教師獲獎，出版在權(quán)威刊物發(fā)表論文多篇，并主持或參與省市級項目研究。
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