基于手機(jī)Vernier Video Physics 的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

丁彥龍　馬廣平　袁世明

摘 要：將智能手機(jī)的APP功能應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐，已成為教師激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的新途徑.利用Vernier Video Physics 研究了小車(chē)的勻加速直線運(yùn)動(dòng)和勻減速直線運(yùn)動(dòng)，得到了運(yùn)動(dòng)的軌跡圖以及小車(chē)運(yùn)動(dòng)的x-t、v-t圖象.實(shí)際生活中最常見(jiàn)的投籃過(guò)程中籃球的運(yùn)動(dòng)，作為二維斜拋運(yùn)動(dòng)的特例，得到了籃球運(yùn)動(dòng)的軌跡圖以及兩個(gè)方向上的x-t、v-t圖象.通過(guò)對(duì)圖象的分析提高學(xué)生對(duì)這些運(yùn)動(dòng)的深刻認(rèn)識(shí)，解決了傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生很難理解為什么將曲線運(yùn)動(dòng)分解為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，使得教學(xué)更具可視化.將現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備應(yīng)用到課堂教學(xué)，提高學(xué)生處理、分析圖象的能力，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)對(duì)高中物理教學(xué)的基本要求.

關(guān)鍵詞：智能手機(jī);Vernier Video Physics ;實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

文章編號(hào)：1008-4134（2019）19-0063中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：丁彥龍（1987-），男，四川成都人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：物理教學(xué)與研究;

馬廣平（1984-），女，四川成都人，碩士，研究方向：教育學(xué);

袁世明（1964-），男，四川成都人，本科，中學(xué)特級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)研究.

1 引言

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)探究是高中物理核心素養(yǎng)的重要組成部分，高中物理中很多概念的建立，規(guī)律的探索與應(yīng)用都與實(shí)驗(yàn)探究密不可分[1].

隨著智能手機(jī)和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展，手機(jī)傳感器、手機(jī)APP作為新興技術(shù)，開(kāi)拓了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路.一些難于測(cè)量、不便觀察、效果不明顯的難題得到了很好解決，同時(shí)提升了課堂教學(xué)中學(xué)生的體驗(yàn)感和創(chuàng)新意識(shí)[2].《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》編寫(xiě)的人教版教材，為了更好地體現(xiàn)時(shí)代特色、發(fā)展學(xué)生綜合素養(yǎng)，在教材中增加了智能手機(jī)測(cè)量物理量的新實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生在感性上體會(huì)智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮的作用[3].

對(duì)運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)與研究一直都是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)，利用智能手機(jī)APP研究運(yùn)動(dòng)開(kāi)創(chuàng)了高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路，目前還未見(jiàn)利用Vernier Video Physics研究運(yùn)動(dòng)的相關(guān)報(bào)道.本文介紹了該APP的具體實(shí)驗(yàn)操作，在此基礎(chǔ)上研究了勻加速直線運(yùn)動(dòng)和勻減速直線運(yùn)動(dòng)及實(shí)際生活中最常見(jiàn)的投籃過(guò)程中籃球的運(yùn)動(dòng).

2 Vernier Video Physics功能簡(jiǎn)介

Vernier Video Physics的工作界面如圖1所示，它具有自動(dòng)化的對(duì)象跟蹤和視頻分析功能，可以捕捉運(yùn)動(dòng)物體的視頻，然后點(diǎn)擊自動(dòng)跟蹤，可以為對(duì)象創(chuàng)建軌跡，得到運(yùn)動(dòng)對(duì)象的x-t、v-t圖象，高中物理教學(xué)中的各種運(yùn)動(dòng)、實(shí)際生活中的運(yùn)動(dòng)例如投籃球、過(guò)山車(chē)、蕩秋千等都可以研究.

具體操作步驟：首先，使用手機(jī)相機(jī)捕捉物理運(yùn)動(dòng)的視頻，從照片庫(kù)中選擇一個(gè)視頻，對(duì)研究對(duì)象自動(dòng)或手動(dòng)添加點(diǎn)到視頻幀;其次，為對(duì)象設(shè)置視頻的比例，設(shè)置坐標(biāo)系;最后，查看軌跡圖以及物體運(yùn)動(dòng)的x-t、v-t圖象，并結(jié)合導(dǎo)出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

3 利用Vernier Video Physics開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究

用手機(jī)拍攝小車(chē)運(yùn)動(dòng)的視頻，打開(kāi)Vernier Video Physics APP并將視頻添加進(jìn)來(lái)，選擇研究對(duì)象，用對(duì)象跟蹤的point 選中小車(chē)，如圖2（a）所示.以小車(chē)的出發(fā)點(diǎn)作為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，如圖2（b）所示，小車(chē)將在鉤碼的拉力作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng).

點(diǎn)擊Track，跟蹤小車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡，小車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖如圖3（a）所示.點(diǎn)擊Graphs，查看運(yùn)動(dòng)的x-t、v-t圖象如圖3（b）所示，從x-t圖象可以看出圖象是一條拋物線，代表小車(chē)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，從圖象上可以得到小車(chē)在不同時(shí)刻的位置，從v-t圖象也可以看出小車(chē)沿水平方向上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，v-t圖象是一條傾斜的直線，通過(guò)計(jì)算圖線的斜率可以得到小車(chē)運(yùn)動(dòng)的加速度.

用同樣的方法，給小車(chē)一個(gè)初速度，小車(chē)在摩擦力的作用下做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，同樣可以得到小車(chē)運(yùn)動(dòng)的軌跡圖如圖4（a）所示，點(diǎn)擊Graphs，查看運(yùn)動(dòng)的x-t、v-t圖象如圖4（b）所示，通過(guò)圖象可以看出，x-t圖象是一個(gè)開(kāi)口向下的拋物線，圖線的斜率在減小，說(shuō)明物體的速度在減小，v-t圖象更清晰的顯示小車(chē)做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，然后靜止.

用手機(jī)拍攝同學(xué)投籃的視頻，打開(kāi)Vernier Video Physics APP并將視頻添加進(jìn)來(lái)，并選擇研究對(duì)象，用對(duì)象跟蹤的point 選中籃球，如圖5（a）所示.以籃球的出發(fā)點(diǎn)作為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，如圖5（b）所示，籃球在空中做的是斜拋運(yùn)動(dòng)，建立了水平方向和豎直方向的坐標(biāo)系就意味著將斜拋運(yùn)動(dòng)分解到水平方向和豎直方向去研究.

點(diǎn)擊Track，跟蹤籃球的運(yùn)動(dòng)軌跡，得到軌跡圖如圖6（a）所示.點(diǎn)擊Graphs，查看兩個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的x-t、v-t圖象，水平方向的圖象如圖6（b）所示，從x-t圖象可以看出圖象是一條傾斜的直線，代表籃球在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，從圖象上可以得到籃球在不同時(shí)刻的位置，圖象的斜率代表籃球做勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度，從水平方向v-t圖象也可以看出籃球在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng).豎直方向上的圖象如圖6（c）所示，x-t圖象是一條拋物線，代表豎直方向做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，v-t圖象是一條傾斜的直線，正半軸的圖象說(shuō)明籃球做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，即物體在豎直方向先向上做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，一直減速到零;負(fù)半軸圖象說(shuō)明籃球做反向的勻加速直線運(yùn)動(dòng).所以，籃球做的斜拋運(yùn)動(dòng)可以分解為水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的豎直上拋運(yùn)動(dòng).

研究物體運(yùn)動(dòng)一直是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)中是根據(jù)物體的受力情況，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律得到加速度，或者利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)計(jì)算小車(chē)在某時(shí)刻的速度和加速度，學(xué)生在理解這種思想的過(guò)程中缺乏直觀的體驗(yàn)，有些甚至記住這種處理方法，這樣不利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和探索精神.運(yùn)用上述實(shí)驗(yàn)手段，可以研究實(shí)際生活中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，通過(guò)實(shí)際的操作，不僅增加直觀體驗(yàn)，而且可視性強(qiáng).通過(guò)學(xué)生分析圖象，提高學(xué)生認(rèn)識(shí)圖象的能力，并將實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過(guò)程，在科學(xué)探究中提升核心素養(yǎng).

4 結(jié)束語(yǔ)

智能手機(jī)的快速發(fā)展助推了教育技術(shù)的革新，正改變著廣大教師教育教學(xué)的手段與思路.不同地區(qū)、不同學(xué)校可能因?yàn)闂l件限制不能裝備全新的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室（如DISlab數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室）.這些基于智能手機(jī)平臺(tái)的技術(shù)使得每個(gè)教育工作者都可以根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)教育教學(xué)方式[1].除了智能手機(jī)APP，還有手機(jī)傳感器，智能手機(jī)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室，手機(jī)制作微課的APP“微課寶”、Course maker等.隨著5G技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，智能手機(jī)在教學(xué)中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛，以智能手機(jī)為代表的移動(dòng)終端將會(huì)引領(lǐng)教育教學(xué)的發(fā)展潮流.

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁彥龍，馬廣平，付靜. 基于手機(jī)加速度傳感器的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J]. 中學(xué)物理， 2019，37（9）：30-32.

[2] 劉玲. 如何使用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和APP開(kāi)發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)[J]. 物理教學(xué)， 2018（9）：29-30.

[3] 鄒麗暉. 基于手機(jī)傳感器的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J]. 中學(xué)物理，2019，37（9）：28-30.

（收稿日期：2019-07-19）