【摘要】作為一款具有動態(tài)捕捉和物理建模雙重功能的視頻分析軟件，為豐富教學手段、培養(yǎng)中學生核心素質(zhì)提供了新思路。 本文針對傳統(tǒng)實驗教學中常見的問題，以初中數(shù)學選修一第二章第四節(jié)中的“自由落體”為例，設計了符合中學生認知特點的教學流程，并利用視頻分析收集和分析實驗的軟件。 數(shù)據(jù)提高了教學效率，激發(fā)了中學生的興趣，提高了中學生的核心素質(zhì)。
【關鍵詞】視頻分析軟件、自由落體、核心質(zhì)量
一、簡介
普通中學數(shù)學課程標準有明確的要求：在學習方法上，指出中學生的主體性，注重中學生自主學習能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使中學生成為學習大師。
在教學方法上，指出實驗探索的重要性，把實驗探索作為中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計，防止中學生錯誤的“探索”按照班主任或課本規(guī)定的步驟進行； 在實驗數(shù)據(jù)的收集中，應注意信息技術(shù)在實驗中的應用。
在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下物理聲的利用視頻，實驗數(shù)據(jù)的采集方式越來越現(xiàn)代化、多樣化。 現(xiàn)代信息技術(shù)在化學教學尤其是實驗中的應用，可以大大增加實驗數(shù)據(jù)的采集難度，提高教學效率。
2.傳統(tǒng)實驗教學的不足
在中學數(shù)學教學中，實驗是數(shù)學教學的重要組成部分。 班主任在教學中有意識地設置實驗探索環(huán)節(jié)，不僅可以幫助中學生更好地理解相關數(shù)學概念和數(shù)學規(guī)律，還可以幫助中學生掌握數(shù)學的研究方法，增強實驗技能。 目前，傳統(tǒng)的實驗教學往往存在以下不足。
中學生的主體地位未被重視
在傳統(tǒng)的實驗教學模式中，由于成績評價的存在，班主任往往選擇讓中學生背誦化學知識，從而忽視了中學生主體性在實驗探索中的重要作用。 這樣的學習是一種無意義的機械學習，不符合課程標準的理念。
中學生是學習的主體，他們的學習過程就是主動構(gòu)建知識體系的過程。 為此，在教學中，班主任必須重視中學生的主體地位，鼓勵中學生運用知識積極思考、主動探索。 只有這樣的類才是動態(tài)類。
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，中學生往往只能在班主任的指導下重現(xiàn)書本上的實驗。 這樣做實驗不利于中學生能力的培養(yǎng)。 而且，由于所使用的實驗方法和實驗儀器基本相同，很容易造成少數(shù)中學生抄襲其他中學生的實驗數(shù)據(jù)，而不是動手和思考，而受到嚴厲的懲罰。學生實驗探索的熱情。 ，這不利于中學生實踐能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。
硬件設施無法滿足實驗要求
中學數(shù)學實驗可操作性較高，涉及的專業(yè)設備較多，如打點計時器、牛頓管、力傳感器等。此外，中學數(shù)學實驗對實驗數(shù)據(jù)的采集要求較高，對許多實驗數(shù)據(jù)的有效呈現(xiàn)也有較高的要求。數(shù)學定律需要精確的數(shù)據(jù)測試。
但由于我國教育資源不平衡，大多數(shù)分校由于資金和場地的限制，很難完全配備上述設備。 有的中學有實驗室但常年缺乏維護和保養(yǎng)，經(jīng)常閑置。 ，不利于實驗教學的開展。
3. 針對上述問題的改進
視頻跟蹤軟件基本功能介紹
視頻跟蹤軟件是德國卡布里洛學院道格拉斯·布朗院士開發(fā)的一款對化學實驗視頻進行圖像分析和物理建模的軟件。
該軟件可以通過化學實驗的視頻片段來跟蹤分析視頻中研究的粒子的運動軌跡，從而簡單高效地獲得相關實驗數(shù)據(jù)并闡明數(shù)學規(guī)律。
目前，國內(nèi)外許多學者和班主任已成功地將其運用到運動學、動力學、光學等領域的數(shù)學實驗和教學中。
數(shù)學教學中的應用策略
① 以問題為線索，激發(fā)中學生參與實驗探索的熱情
在實驗教學過程中，如果班主任不能調(diào)動中學生積極參與實驗探索的積極性，那么即使班主任能夠通過這些實驗將具體的事物具體化、形象化，也無法充分發(fā)揮學生的主觀能動性。能夠加強學生對數(shù)學概念的理解和規(guī)律的理解，因為這不是中學生主動建構(gòu)的知識，而只是中學生記憶的知識。
班主任應重視中學生的主體地位，將化學實驗改為“設計參與活動”。 在此過程中，班主任可以充分利用視頻、圖片等現(xiàn)代信息資源，形象地表達具體的數(shù)學問題，并以問題為線索，積極引導中學生積極參與相關數(shù)學問題的討論，并運用自己的意志、思維和動手能力，幫助老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方法，凸顯實驗的樂趣
一般中學化學實驗教學中，實驗方法僵化，實驗場景與中學生日常接觸的常見情況不同。 為此，一些中學生會對化學實驗形成抵觸情緒。 經(jīng)常處理事情。
借助軟件強大的視頻分析功能，班主任可以提前從網(wǎng)上找到很多與生活場景相關的化學實驗視頻，導出到軟件中進行分析。 這不僅可以豐富化學實驗的教學方法，還可以凸顯實驗的樂趣，引導中學生感受化學知識的生命意義。
③利用技術(shù)優(yōu)勢，增強數(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。 很多化學實驗往往因設備限制而出現(xiàn)較大偏差，不方便中學生進行化學繪圖和數(shù)據(jù)分析。 只有利用強大的視頻分析能力來收集和處理實驗數(shù)據(jù)才能解決這個問題。 并且有利于培養(yǎng)中學生的體育思維。 讓中學生更直觀地了解化學現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律。
4.本節(jié)內(nèi)容分析
本章位于2019年人教小學數(shù)學選修一第二章第四節(jié)，是中學生掌握勻速直線運動規(guī)律后需要學習的常用運動方法。 自由落體的學習不僅是中學生之前所學知識的綜合運用，也是對中學生邏輯思維和科學探究能力的重要訓練。
教材從“探究影響物體下落速度的原因”問題出發(fā)，引出了伽利略與亞里士多德之間的百年爭論。 通過邏輯推理和論證實驗，不僅打破了中學生長期以來的誤解，而且提出了自由落體原理。 概念，并通過實驗探索的方法，了解了自由落體運動的規(guī)律和重力加速度的概念。
本節(jié)的重點是闡明自由落體的本質(zhì)，探索自由落體的規(guī)律。 難點在于擺脫中學生以往的觀念，正確理解自由落體的概念。
五、學習情況分析
有利的激勵：在學習本節(jié)內(nèi)容之前，中學生已經(jīng)掌握了勻變速直線運動的相關規(guī)律，初步具備了一定的實驗探索能力。
不利誘因：中學生的邏輯思維尚處于萌芽期，受生活經(jīng)歷影響，存在“重物必須落得快”的錯誤觀念。
6. 紀律素質(zhì)達到
化學概念：
1.正確理解自由落體運動的概念。
2.了解自由落體運動定律。
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于影響物體下落速度的原因的爭論，感受科學推理在數(shù)學研究中的應用。
2、通過自由落體的探索過程，培養(yǎng)中學生基于科學推理和客觀事實敢于批評和批評的科學思維。
科學探究：
1.感受基于實驗事實進行合理推測、探索和發(fā)現(xiàn)數(shù)學規(guī)律的科學探究過程。
2、培養(yǎng)中學生根據(jù)客觀數(shù)學現(xiàn)象進行合理推測、設計實驗方案、總結(jié)數(shù)學規(guī)律的能力。
科學心態(tài)和責任：
1、了解伽利略的生平事跡，培養(yǎng)中學生追求真理、勇于實踐的科學精神。
2、在探究過程中，培養(yǎng)中學生實事求是的科學心態(tài)。
3.在交流、討論和設計實驗的過程中，感受科學探究的協(xié)作和發(fā)展。
7、教學流程設計
教學流程如右圖1所示：
圖1 自由落體教學流程
流程說明：
首先，將自然界中常見的墜落動作以視頻片段的形式展示出來，不僅引起了中學生的興趣，也鼓勵中學生更多地關注生活中的事物，發(fā)現(xiàn)生活的美好。 。
接下來提出問題：以上動作有哪些共同特點？ 將中學生的視角拉回數(shù)學情境，對上述現(xiàn)象進行具體總結(jié)，并引出本節(jié)課的主題：自由落體。
隨后，班主任演示了實驗：將一枚硬幣和一張鋪好的紙從同一高度落下，并提出問題：物體下落的速度可能與什么誘因有關？引導中學生進行交流討論提出自己的猜測：①可能與物體的重力有關； ②可能與空氣阻力有關
隨后，班主任用邏輯推理和實驗演示驗證了猜測①，得出結(jié)論：物體下落的速度與物體的重力無關。 同時班主任結(jié)合牛頓管實驗提出了自由落體的概念。
最后班主任問了一個問題：如何探究自由落體的規(guī)律？ 并帶領中學生回憶之前探索卡車速度隨時間變化規(guī)律的實驗，并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)并理解萬有引力的概念加速度。
《自由落體》教學設計
(1)導出新課程
1.通過多媒體視頻導出話題
演示：降雪、柳絮、秋葉等精美視頻片段吸引中學生興趣
問題1：以上動作有哪些共同特點？
生：都是下落動作
老師：很好，明天我們就上去學一種特殊的墜落運動——自由落體
設計意圖：以生活中常見的下落運動為例，引導中學生觀察生活中的現(xiàn)象，從化學的角度思考，從而激發(fā)學習數(shù)學的興趣，培養(yǎng)中學生的觀察能力和具體的概括能力。
(2)自由落體
演示實驗：從同一高度同時放下一枚一美元硬幣和一張紙。 （這里之所以選擇鋪紙進行演示，是因為鋪紙可以幫助中學生直觀地感受到在空氣中下落時空氣阻力的影響）
問題2：誰摔得更快？ 你認為物體下落速度的原因可能是什么？
學生：硬幣掉得很快。
中學生推測：①可能與物體的重力有關； ②可能與空氣阻力有關
驗證推測：①可能與物體的重力有關
設計意圖：班主任通過小實驗的演示，引導中學生觀察實驗現(xiàn)象并做出合理推測，從而培養(yǎng)中學生的科學探究能力。
班主任給中學生講授亞里士多德與伽利略的歷史辯論，并引導中學生進行邏輯推理，找出亞里士多德推論的內(nèi)在矛盾，并從理論上得出：物體下落的速度可能與物體的速度無關。與重力有關。
中學生實驗：將弄皺的紙和硬幣從同一高度釋放，發(fā)現(xiàn)弄皺的紙和硬幣以幾乎相同的速度下落
推論：推測：①不成立
驗證推測：②可能與空氣阻力有關
班主任演示了牛頓管實驗，并引導中學生觀察實驗現(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。
根據(jù)以上實驗推導，班主任給出了自由落體運動的定義：物體僅在重力作用下從靜止落下的運動稱為自由落體運動。 當物體所受的空氣阻力遠大于物體的重力時，下落也可近似視為自由落體運動。
設計意圖：通過邏輯推理和實驗探究的方式驗證猜想，理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)中學生嚴謹?shù)目茖W思維和實踐能力。
(3) 自由落體定律
問題三：如何探索自由落體運動規(guī)律？
班主任帶領中學生回憶了之前探索卡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規(guī)律。
實驗：探索自由落體的運動規(guī)律
1.導入視頻
班主任會提前拍攝自由落體的視頻（為了盡可能減少偏差，本次拍攝采用120幀慢動作拍攝），導出到軟件中。 視頻的背景是一張25×30的方格紙。 網(wǎng)格是3cm
2. 選擇分析片段
打開軟件，點擊菜單“視頻→導入”將視頻導出到軟件中，打開視頻剪輯設置對話框，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，將小球的下落起點設置為坐標原點。 如圖2所示，點擊“標定工具”按鈕，拖動標定桿物理聲的利用視頻，將標定桿拖動到視頻畫面中已知寬度的兩點，輸入兩點之間的實際距離，單位為米。
圖2 以小球落點為坐標原點構(gòu)建笛卡爾坐標系
4. 追蹤物體
單擊“跟蹤”并創(chuàng)建“粒子”。 因為球的速度會比較快，為了減少偏差，這里我們選擇自動跟蹤的方式來逐幀分析球，按住“shift”鍵自動逐幀跟蹤球的位置一。 每跟蹤一個位置，相關的運動數(shù)據(jù)就會以圖表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，將鼠標移到窗口左側(cè)的圖表窗格中，單擊右鍵，選擇“分析”，進入數(shù)據(jù)分析頁面，在這里我們可以選擇拋物線擬合（為了進一步減少偏差，我們可以選擇中間分布比較均勻的點進行數(shù)據(jù)擬合）
圖4 所得實驗數(shù)據(jù)的分析與擬合
討論和思考：
①結(jié)合打點定時器的相關知識，我們應該如何處理上述數(shù)據(jù)才能將偏差降到最低？
② 通過這張圖，你能得到自由落體運動的哪些信息？
學生：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，這樣可以減少偏差。 ②通過該圖像，我們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
班主任總結(jié)了實驗探索的推論：自由落體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。 一般用g表示，估算時一般采用g=9.8m/s2或10m/s2。
設計意圖：利用視頻分析軟件對自由落體運動進行定量分析，大大增加了實驗數(shù)據(jù)的采集難度，使數(shù)學定律更加直觀。 而且，班主任還可以指導中學生運用之前學過的知識來分析實驗數(shù)據(jù)。 分析和培養(yǎng)中學生的科學探究能力。
(4) 重力加速度
班主任給出了不同經(jīng)度的重力加速度表，并提出問題：從這張表中你能得出什么推論？ （指導得出 g 隨著經(jīng)度減小而減小的結(jié)論）
(5)自由落體定律及其應用
班主任類比勻速直線運動公式，指導中學生推導出自由落體運動公式。
（六）課外發(fā)展
這里可以安排課外活動，鼓勵中學生課后互相配合，用尺子測試反應時間。
八、案例分析與反思
①在教學過程的安排上，班主任從科學性原則出發(fā)，在熟悉教材的基礎上，以生活中常見的跌倒現(xiàn)象為出發(fā)點，引出本節(jié)課的主題，并按照本節(jié)知識點的內(nèi)在邏輯安排教學內(nèi)容，并以問題的形式串聯(lián)各個教學環(huán)節(jié)，使中學生進一步了解自由落體運動規(guī)律的探索過程，提高對自由落體運動規(guī)律的探索過程。中學生的邏輯思維能力。
②從探究性原則出發(fā)，在教學中，班主任充分利用演示實驗來調(diào)動中學生的學習興趣，引導中學生觀察實驗現(xiàn)象并提出合理推測，然后從中學生的猜測開始，帶領中學生一步步探索自由落體運動的規(guī)律，充分發(fā)揮中學生的主體性，培養(yǎng)中學生的科學探究能力。
③班主任從直覺原理出發(fā)，在探索自由落體規(guī)律時，充分利用了軟件的可視化能力，向中學生直觀地展示了球下落的過程。 數(shù)據(jù)收集的效率。
從以上對“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，增強數(shù)據(jù)的準確性，而且其內(nèi)置的數(shù)據(jù)分析功能也可以幫助朋友們快速掌握自由落體運動規(guī)律，節(jié)省大量教學時間，提高中學生信息化素質(zhì)。
《自由落體》是作者利用軟件改進熱實驗教學并付諸實踐的第二堂課。 從實際教學情況來看，中學生對牛頓管演示實驗非常感興趣，參與討論也非常熱情。 而且，一些中學生已經(jīng)能夠更加熟練地運用它進行自主探究。 整個教學過程氣氛十分活躍，師生之間交流充分。 對于數(shù)據(jù)表，我沒有使用中學時的智能黑板進行演示，而是采用筆記本電腦投影的方式，將操作界面投影到屏幕上，以便旁邊的中學生觀看。
九、總結(jié)與展望
當前，信息技術(shù)與化學課程資源整合的研究是化學教育領域的熱點話題。 本案例以說明信息技術(shù)應用于小學熱學實驗教學的通常模式，并設計相關案例，進行實際測試，取得了良好的療效。
利用視頻分析軟件圍繞信息技術(shù)與初級熱實驗的融合進行開發(fā)，明確了學校化學信息課程資源的普遍性和多樣性，并通過視頻分析軟件分析了“自由落體”的新教學模式。
同時總結(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)中學生參與實驗、探索的熱情，
② 利用多媒體資源豐富實驗方法，突出實驗的樂趣，
③充分發(fā)揮計算機技術(shù)優(yōu)勢，增強數(shù)據(jù)采集和處理能力。
教學案例實施結(jié)果表明，借助軟件進行實驗分析可以增強中學生的學習興趣，幫助中學生更好地理解實驗原理、掌握相關數(shù)學規(guī)律，有利于中學生的學習。有利于中學生學科核心素質(zhì)的培養(yǎng)，也豐富了學校數(shù)學信息化課程資源。
為今后信息技術(shù)與化學實驗教學的融合研究以及闡述適合信息技術(shù)與化學實驗結(jié)合的常用教學模式提供思路； 使一些缺乏相應實驗設備的校園能夠更好地引導中學生開展實驗探究活動，緩解教育資源的不平衡。
希望今后有更多的教育工作者對軟件在光學實驗中的應用進行研究，充分發(fā)揮軟件的功能，為推動數(shù)學教學信息化貢獻自己的綿薄之力。
參考
[1] 張丹彤. 讓智能手機成為高中化學實驗教學的好幫手[J]. 化學班主任，2014，35(11)：39-40。
[2] 王國華. 信息技術(shù)與中學化學實驗教學深度融合研究[J]． 中考，2022（01）：48-50。
[3] 劉莉. 關鍵詞： 中學數(shù)學熱實驗, 有效教學課程教育研究，2019（07）：148-149。
[4]王剛. 數(shù)字化實驗在小學數(shù)學教學中的應用策略[J]. 教育實踐與研究（下），2020，（01）：57-62。
[5] 黃連峰，史勝敬． 以DIS實驗構(gòu)建高效課堂——以“實驗探究：加速度、力與質(zhì)量的關系”為例[J]. 學校科學園, 2020, 16(04): 29-30+ 57.
[6]徐中岳，于杰，曾宇。 軟件在化學實驗教學中的應用[J]． 中國教育信息化，2014，（12）：75-78。
[7] 洪艷紅. 視頻分析技術(shù)在高中數(shù)學教學中的應用研究[D]． 廣州：湖南師范大學，2017：1-40。
溫馨提示在文章最后
01
關于作者
湖北荊州旺縣城昌縣斑馬湖小學數(shù)學教師秘書，從業(yè)16年，教學成果眾多：榮獲一名教師、一名優(yōu)秀班主任、一名班主任、市級優(yōu)秀班主任、小學優(yōu)質(zhì)班級教學競賽省級銀獎，多次榮獲優(yōu)秀教師、優(yōu)秀班主任等榮譽稱號，多次指導中學生在中學數(shù)學競賽中獲獎。 還曾擔任名師工作室名師，培養(yǎng)指導多名青年班主任獲獎。 多篇論文發(fā)表在權(quán)威雜志上。 主持或參加省、市級課題研究。
02
投稿渠道
班主任頻道面向一線班主任開放，全面招募原創(chuàng)稿件。 稿件一旦被采納，將獲得電子證書和實物禮物獎勵。 提交請掃描二維碼加入群聊，與全省班主任交流。