利Tracker優(yōu)化5E教學(xué)模式

孫玉玲　朱新梅　軒銘浩　王強(qiáng)

摘? 要：“繩連物”是連接體模型的一個(gè)重要模塊，該模型中繩兩端所連物體的速度關(guān)系是教與學(xué)的難點(diǎn)。采用５Ｅ教學(xué)模式，借助Tｒａｃｋｅｒ軟件追蹤“繩連物”連接體中兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)過程，利用可視化的實(shí)驗(yàn)探究方法化解教學(xué)難點(diǎn)，深化對“繩連物”連接體模型的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：“繩連物”連接體模型；Ｔｒａｃｋｅｒ軟件；５Ｅ教學(xué)模式

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）6-0064-5

“繩連物”連接體是高中物理常見的模型，它涉及到連接體問題中力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，需要應(yīng)用隔離法與整體法等物理學(xué)基本方法。對該模型的正確理解可以幫助學(xué)生深度建立運(yùn)動(dòng)觀和相互作用觀，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

５Ｅ教學(xué)模式是科學(xué)教育領(lǐng)域的一種現(xiàn)代化教育模式，一共包括五個(gè)環(huán)節(jié)：吸引（Ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）、 探究（Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ）、解釋（Ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ）、遷移（Ｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ）和評價(jià)（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）。５Ｅ教學(xué)模式注重培養(yǎng)學(xué)生的探究能力與交流合作能力，有助于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)［１－２］。

Ｔｒａｃｋｅｒ軟件是一種用于視頻分析的物理軟件，可以對運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行追蹤，通過建構(gòu)相關(guān)的物理模型，對物體的位移、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)量進(jìn)行定量分析。在物理教學(xué)中，利用Ｔｒａｃｋｅｒ軟件對視頻過程進(jìn)行分析，有利于吸引學(xué)生注意力，活躍課堂氣氛，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟迪學(xué)生的思維，加深學(xué)生對物理過程的理解，從而提高教學(xué)效果。目前，越來越多的教育工作者利用Ｔｒａｃｋｅｒ軟件進(jìn)行物理課程數(shù)字化信息教學(xué)［３－４］。本文以“繩連物”連接體模型為例，探討了應(yīng)用Tｒａｃｋｅｒ軟件優(yōu)化５Ｅ教學(xué)模式的方法和思路，供同行借鑒。

１? ? 模型建構(gòu)與分析

常見的幾種“繩連物”連接體模型如圖１所示。圖１（ａ）的模型1和圖１（ｂ）的模型2中，兩物體沿繩方向運(yùn)動(dòng)，速度大小相等，學(xué)生很容易理解。而圖１（ｃ）中的模型3所示的是“岸上拉船”模型，該模型中船不沿繩方向運(yùn)動(dòng)，肖驍?shù)仍敿?xì)討論了如何利用朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)傳感器套件中的光電門器件對船速進(jìn)行測量，并比較了實(shí)驗(yàn)測量值與理論計(jì)算值的誤差，很好地驗(yàn)證了岸上拉繩的繩速與船速的關(guān)系［５］。但是，其實(shí)驗(yàn)裝置比較專業(yè)和復(fù)雜，不易用于課堂教學(xué)。

對于類似“岸上拉船”的模型，包含物體不沿繩方向運(yùn)動(dòng)的情況，需要根據(jù)運(yùn)動(dòng)效果對各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度按沿繩方向和垂直于繩方向進(jìn)行分解。根據(jù)總繩長不變的特點(diǎn)，繩兩端位置在相同時(shí)間內(nèi)變化量的量值相等，即兩物體沿繩方向的速率相等。但是，對于沒有學(xué)過用位移變化率來表示速率的高中生而言，這種分析比較抽象，學(xué)生往往不會(huì)分析兩物體的運(yùn)動(dòng)過程，不能很好地理解和掌握兩個(gè)物體速度大小之間的關(guān)系。為了幫助學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)探究過程，深刻理解類似“岸上拉船”模型中各物體的速度關(guān)系，本文采用５Ｅ教學(xué)模式開展相關(guān)教學(xué)過程，借助Ｔｒａｃｋｅｒ軟件分析“岸上拉船”這一類“繩連物”連接體模型中各物體速度大小的關(guān)系。

２? ? 教學(xué)過程

２．１? ? 提出問題，引發(fā)思考（Ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）

例題１ 如圖２所示，重物A質(zhì)量為M，運(yùn)動(dòng)方向豎直向下，物體B質(zhì)量為m，運(yùn)動(dòng)方向水平向右。當(dāng)繩子與水平面的夾角為α?xí)r，A的速度為v_A，問此時(shí)B的速度v_B為多少？

師：回顧我們常見的“繩連物”連接體，如圖１的模型１和模型２，這個(gè)問題與我們常見的“繩連物”連接體有何不同？

生：在我們常見的“繩連物”連接體中，物體運(yùn)動(dòng)方向與繩子方向一致，繩子兩端物體的速度相等，而在這個(gè)問題中，物體運(yùn)動(dòng)方向與繩子方向并不一致。這個(gè)問題類似于圖１中模型３所示的“岸上拉船”問題。

師：這個(gè)問題是典型的物體運(yùn)動(dòng)方向不沿繩的“繩連物”連接體問題，要想知道兩個(gè)物體的速度，就要清楚vA與vB的關(guān)系。同學(xué)們猜想一下，這兩個(gè)物體的速度存在著什么關(guān)系呢？

生：v_A等于v_B，v_A大于v_B……

師：我們之前學(xué)習(xí)過Ｔｒａｃｋｅｒ軟件，能否利用Ｔｒａｃｋｅｒ軟件來探究兩者的速度關(guān)系呢？

生：利用Ｔｒａｃｋｅｒ軟件對物體A與物體B的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行追蹤，再分析兩者的速度關(guān)系就可以。

師：老師這邊已經(jīng)準(zhǔn)備了小車、形變可以忽略不計(jì)的細(xì)線（繩）、鉤碼、砝碼等實(shí)驗(yàn)器材。下面，請同學(xué)們參與搭建實(shí)驗(yàn)裝置。

２．２? ? 小組合作，主動(dòng)探究（Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ）

采用實(shí)驗(yàn)探究的方法獲取圖２中物體A與物體B的速度。學(xué)生之間相互配合，把小車和砝碼用細(xì)線連接，砝碼表示物體A，小車表示物體B，用鉤碼代替滑輪并固定在上方的支架上，細(xì)線繞過鉤碼。讓學(xué)生用三腳架固定好手機(jī)，從靜止釋放小車，拍攝砝碼和小車運(yùn)動(dòng)的視頻如圖３所示。

拍攝結(jié)束后，將視頻導(dǎo)入Ｔｒａｃｋｅｒ進(jìn)行處理。分別對小車和砝碼進(jìn)行追蹤，圖４（ａ）為小車位置追蹤圖，圖４（ｂ）為砝碼位置追蹤圖。為了便于同時(shí)分析小車和砝碼的速度大小，將兩物體的速度追蹤數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ｅｘｃｅｌ表格進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，作出了小車與砝碼的速率隨時(shí)間的變化曲線，如圖５所示。

２．３? ? 利用可視化結(jié)果，合理解釋模型（Ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ）

師：從小車與砝碼的速率對比圖中，大家有什么發(fā)現(xiàn)？

生：從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，小車和砝碼的速率不相等，并且小車的速率始終大于砝碼的速率，這是為什么呢？

師：由于小車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，也就是小車的合運(yùn)動(dòng)是水平向右的。速度是按實(shí)際效果分解的，同學(xué)們來觀察視頻中小車的運(yùn)動(dòng)過程（此處慢速播放），細(xì)繩拉著小車，使小車產(chǎn)生了哪些效果？

生：一個(gè)效果是小車有沿繩方向上升的運(yùn)動(dòng)趨勢，另一個(gè)效果是小車相對滑輪固定軸旋轉(zhuǎn)的趨勢，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)合成后的總效果為小車水平向右運(yùn)動(dòng)。

師：所以小車的合速度應(yīng)該分解為平行于繩方向的分速度v∥，以及垂直于繩方向的分速度v⊥（圖６），其中v_∥=v_車cosα。接下來，利用視頻選取六幀圖像，畫出速度分解示意圖，并測量細(xì)線與水平面夾角α，探究砝碼速率與小車沿繩方向分速度大小之間的關(guān)系，將數(shù)據(jù)記錄在表１中，并畫出對應(yīng)的散點(diǎn)圖，如圖７所示。由所得數(shù)據(jù)可知，在誤差允許的范圍內(nèi)，該實(shí)驗(yàn)中砝碼速率與小車沿繩方向分速度大小相等，即v_砝碼=v_車cosα，其中，0°<α<90°。這樣，就可以很好地解釋圖５中小車的速率為什么始終大于砝碼的速率。

２．４? ? 拓展延伸，有效遷移（Ｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ）

師：我們已經(jīng)掌握了小車速度大小和砝碼速度大小的關(guān)系，也學(xué)會(huì)了分解小車的速度。現(xiàn)在，請大家分析圖１ （ｃ）模型３中的小船速度大小v₂與拉繩速度大小v₁之間滿足怎樣的關(guān)系？

生：在繩拉船的問題中，小船合速度方向水平向左，將小船速度沿平行于繩和垂直于繩方向分解，沿繩方向分速度的大小等于拉繩速度v₁，即：v₁=v₂cosθ。

師：大家已經(jīng)初步掌握了物體運(yùn)動(dòng)方向不沿繩的“繩連物”連接體問題的速度分析方法。最關(guān)鍵的就是將物體運(yùn)動(dòng)看成是平行于繩方向和垂直于繩方向的合運(yùn)動(dòng)，且兩物體沿繩方向的速度大小相等。接下來，我們一起來看一道例題。

例題２ 如圖８（ａ）所示，A，Ｂ兩車通過一個(gè)細(xì)繩跨繞在定滑輪兩側(cè)，分別放于光滑水平面上，A車以速度vA向右做勻速直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)繩與水平面夾角分別是α和β時(shí)， B車的速度是多少？

師：這個(gè)問題中，兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)方向都不沿繩，兩車的速度有什么聯(lián)系呢？

生：A車沿繩方向的分速度大小和B車沿繩方向的分速度大小相等。

師：請同學(xué)們結(jié)合我們學(xué)習(xí)的速度分解方法，來解決這個(gè)問題。

生：將兩車速度分別正交分解成沿繩方向和垂直于繩方向，如圖８（ｂ）所示。利用剛才實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)論，兩車沿繩方向速度相等，即

２．５? ? 全程評價(jià)，提升素養(yǎng)（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）

師：請同學(xué)們思考我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為什么小車沿繩的分速度大小和重物砝碼的速度大小相比會(huì)有誤差？

生：利用Tｒａｃｋｅｒ?qū)ε臄z的視頻進(jìn)行數(shù)據(jù)處理會(huì)存在一些誤差。另外，測量角度時(shí)也會(huì)存在誤差。

生生互評：同學(xué)之間相互討論小車速度如何分解？為什么要這樣分解？在遷移環(huán)節(jié)，同學(xué)之間相互檢查速度分解圖示是否正確。

除了上述的師生評價(jià)和生生評價(jià)的具體內(nèi)容之外，評價(jià)過程貫穿于整個(gè)教學(xué)過程。吸引環(huán)節(jié)通過不同“繩連物”連接體模型的呈現(xiàn)，過渡到“岸上拉船”這一類模型，引發(fā)學(xué)生的思考。此時(shí)，可以通過提問判斷學(xué)生的注意力和興趣是否集中在怎么判斷繩兩端物體的速度大小上。探究環(huán)節(jié)可以評價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建、實(shí)驗(yàn)過程的規(guī)范性、視頻的拍攝方式和技巧、利用Ｔｒａｃｋｅｒ追蹤小車和砝碼的視頻處理方法等環(huán)節(jié)。解釋環(huán)節(jié)可以評價(jià)學(xué)生對圖像的描述是否科學(xué)。比如，應(yīng)該描述成小車的速度可以沿平行于繩和垂直于繩方向分解，因?yàn)樗俣仁鞘噶?，可以采用平行四邊形定則進(jìn)行分解。但是，在比較小車沿繩分速度與砝碼速度的關(guān)系時(shí)，應(yīng)該表達(dá)為二者速度大小的關(guān)系。因?yàn)檫@兩個(gè)速度方向是不一致的，真正用來比較的是速度大小。遷移環(huán)節(jié)可以評價(jià)學(xué)生在分析物理問題時(shí)能否抓住關(guān)鍵要素。例如，能否抓住模型３的“繩連物”連接體中物體速度大小關(guān)系的關(guān)鍵點(diǎn)。

３? ? 結(jié)束語

通過創(chuàng)設(shè)類似“岸上拉船”模型的“繩連物”連接體模型的問題情境，吸引學(xué)生猜想繩兩端物體速度的大小關(guān)系，激發(fā)學(xué)生對這一類模型的探索興趣。借助Ｔｒａｃｋｅｒ軟件追蹤“繩連物”連接體中兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)過程，利用可視化幫助學(xué)生探究吸引環(huán)節(jié)提出的問題：“繩連物”連接體模型中各物體運(yùn)動(dòng)速度大小之間的關(guān)系。視頻拍攝及分析過程可以培養(yǎng)學(xué)生的合作交流能力。解釋環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理和分析過程可以提高學(xué)生借助信息化手段的實(shí)驗(yàn)探究能力?！耙粓D勝千言”，學(xué)生通過不同角度砝碼速率和小車沿繩速率的圖像，可以非常直觀地得到二者之間的關(guān)系，深度理解速度分解法。通過遷移環(huán)節(jié)中問題的設(shè)置和學(xué)生解決問題的情況，可以判斷學(xué)生是否進(jìn)行了有效的知識遷移。

“繩連物”連接體模型不僅涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的分析，還包含豐富的動(dòng)力學(xué)問題。比如，高中物理必修一“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)典型的“繩連物”連接體模型，國外已有學(xué)者利用不同的數(shù)字化信息手段對這一類模型進(jìn)行了深度探究［６］。所以，利用５Ｅ教學(xué)模式建構(gòu)“繩連物”連接體模型，并借助Ｔｒａｃｋｅｒ?qū)υ撃Ｐ瓦M(jìn)行視頻追蹤分析，突出了學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生經(jīng)歷了模型建構(gòu)過程，有效促進(jìn)了學(xué)生的知識遷移，是非常有意義的教學(xué)實(shí)踐探索。

參考文獻(xiàn)：

［１］吳成軍，張敏．美國生物學(xué)“５Ｅ”教學(xué)模式的內(nèi)涵、實(shí)例及其本質(zhì)特征［Ｊ］． 課程·教材·教法，２０１０，３０（６）：１０８－１１２．

［２］邱蕾，袁海泉．基于“５Ｅ”教學(xué)模式的物理觀念教學(xué)探討［Ｊ］．中學(xué)教學(xué)參考， ２０２２（５）：５７－５９．

［３］邵欣穎，程敏熙，楊博，等．用視頻分析軟件Ｔｒａｃｋｅｒ研究小球在豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)［Ｊ］．物理教師，２０１９，４０（６）：５８－５９．

［４］軒銘浩，朱新梅．利用Ｔｒａｃｋｅｒ軟件對“水流星”問題進(jìn)行探究［Ｊ］．物理之友，２０２１，３７（５）：１７－１８．

［５］肖驍，李正福，陳清梅．繩端速度關(guān)系問題的實(shí)驗(yàn)研究——以“岸上拉船”模型為例［Ｊ］．中學(xué)物理，２００８，２６（８）：２７－２８．

［６］Ｓｕáｒｅｚ Ｈ Ｊ Ｈ，Ｍａｃｈａｄｏ－Ｈｉｇｕｅｒａ Ｍ，Ｍｕｏｚ Ｊ Ｈ． Ｔｗｏ ｂｌｏｃｋｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂｙ ａ ｓｔｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｅｎｓｉｏｎ：ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｃａｓｅ［Ｊ］． Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，２０２０，５５（5）：55022-1-７．

（欄目編輯? ? 賈偉堯）