2024年5月6日发(作者：注册表文件丢失或损坏怎么修复)

中学物理

V

〇1.39

N

〇.05

2021年3月

STEAM

教育理念下高中物理卖验设计

—以

Tmcker

探究单摆运动规律为例

许文龙

(浙江省瑞安中学浙江瑞安325200)

摘要：以Tracker软件探究单摆运动规律,跨学科综合运用物理、技术、工程和数学知识，对数据进行拟合处理，并

对结果作简要分析，在STEAM教育理念的指导下，通过多学科的整合，以学生为主体，充分发挥学生的主动性培养学生

的创新思维和实践能力，对基础教育物理实验的改革起到抛砖引玉的作用.

关键词：STEAM教育；Tracker;单摆

中图分类号:G633. 7 文献标识码：B 文章编号：丨008 -4134(2021)05 -0045 -03

目前世界各国正在进人新一轮的竞争，纷纷出台

了各种国家战略，以应对新技术发展与产业革命.在

这种竞争中谁能胜出，关键在于人才.世界各国非常

重视人才的培养，尤其是STEAM人才的培养，各国均

站在国家发展战略的高度来看待STEAM教育的重要

性.物理实验是基础教育的重要组成部分，它影响学

生的实践能力和科学观的培养,影响新课程核心素养

理念的落实.基础教育物理实验教学急需新教育理念

的引领，而STEAM教育正顺应了这样的需求.

1 STEAM教育理念

STEAM教育在原有STEM教育基础上加入了艺

术（Art),是科学（Science)

、

技术（Technology

)、

工程

(Engineering)

、

艺术（Art)和数学（Mathmatics)英语首

字母的缩写.STEAM将原本分散的五门学科集合成

一个整体,分别代表着五类素养，分别是科学素养、技

术素养、工程素养、艺术素养和数学素养.它有助于学

生从更多视角认识不同学科间的联系，提高自身综合

运用知识解决现实问题的能力.

作者简介:许文龙（1977 -)，男，浙江瑞安人，硕士，中学高级教师，研究方向：物理课程与教学、物理竞赛.

今〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜

感，在问题的一一化解中，体验到了学习的乐趣，感受

到了成功的喜悦.笔者还欣喜地看到，伴随着问题的

提出与探讨，同学们积极思考，主动探究，尊重事实，

不断质疑，深入探寻问题的本质，表现出良好的科学

素养.

一名中学生能在学习中提出有价值的原始问题,

既体现学习的主动性和对事物的洞察力，还反映出学

生的学习潜质与创造能力，这标志着学生学习能力到

了一个新的层次.在学习中生成原始问题是一种良好

的学习品质，发现、提出和解决这些问题不仅具有实

际价值，还对学生的未来发展具有长远意义.

鉴于原始物理问题在中学物理教学中的重要作

用，教师应当鼓励学生发现和提出原始问题，不断加

强学生的问题意识.为此，教师需要调整教学思路，课

前需要做精心的教学设计，课上要营造民主自由的课

堂氛围，适时做出巧妙而合理的引导，其中最重要的

是创设具体的物理问题情境.创设物理问题情境有很

多方式，在需要建立真实的问题情境时，实验教学具

有明显的优势，因为基于真实的实验场景，有具体的

任务引导，学生能够身临其境，在边学边做中原始物

理问题应运而生.教师可以充分利用实验教学这个良

好的机会，来促进学生自然地生成原始物理问题.

参考文献：

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材开

发研究中心.普通高中教科书物理（必修第三册）[M].北京:

人民教育出版社,2019.

[2]

[3]

[4]

[5]

阎元红.基于开阔背景下的原始物理问题探析[J].教

杨蕾，胡银泉.论中学物理教学中引人原始问题的重

邢红军，石尧.原始物理问题教学:一个本土化教学理

王兴乃，张诚，陈准，何振华.中学物理仪器的使用与

学与管理,2003(19) :60-61.

要性[•!].物理教学探讨,2015(09) :9 - 10 + 13.

论的创生[J].教育学术月刊,2016(09) :83 - 90.

检验[M].福州：福建教育出版社，1984.

(收稿日期:2020 -11 -26)

• 45 •

2021年3月

STEAM教育主要以基于项目的学习、问题的学

习为主要教学（学习）的方式认识世界，以综合创新的

形式改造世界，培养学生解决问题的创新能力，引导

学生通过合作与实践，完成主题项目和解决生活中遇

到的难题.作为一种超越传统的教育模式，它引导学

生适应不断更新的专业知识和快速变化的社会生活.

将STEAM教育理念融人基础物理实验教学中，

可以有效改善常态基础物理实验教学的弊端.STEAM

教育理念下的基础物理实验教学需要在教学过程中

渗透基于物理学的技术应用和工程建模、注重数学运

算、联系物理学前沿动态以及现代技术等，对教学内

容进行适当重组和扩展，引导学生将物理与技术、工

程、艺术及数学进行有机整合，提高学生的综合素养.

2 STEAM教育理念下物理实验教学的改进

利用Tracker探究单摆运动规律是高中物理基本

实验的拓展，它对学生通过单摆运动图像深化理解单

摆的运动规律和培养学生实验创新意识、数字化实验

能力有很好的辅助作用.本文以STEAM教育理念为

切人点，结合基于Tracker探究单摆运动规律实验案

例，探讨如何在STEAM教育理念指导下开展物理实

验课程教学的创新设计.利用Tracker深度探究单摆

运动规律，突出体现STEAM教育的综合性、探究性、

自主性、互助性、实践性和创新性等特征.

2.1传统实验装置及其不足

传统实验利用漏斗一边来回摆动一边勻速拉动

漏斗下方的硬纸板，观察漏斗所漏出的细沙在硬纸板

上留下的痕迹来研究单摆的运动规律.实验原理是用

硬纸板的匀速运动的位移等效代替单摆运动的时间，

用漏斗左右摆动表征单摆的位移，如图1所示.

图1

使用沙漏演示单摆运动规律的方法虽然简单易

操作，但其精确度不够，适合半定量探究，其误差主要

来源于“漏沙”过程中沙粒运动的影响及难以控制的

硬纸板匀速前进.这种装置和实验方法不利于培养学

生运用跨学科知识分析解决问题的能力，难以有效落

实新课程理念下的核心素养目标.

2.2改进实验培养学生的综合素养

用手机拍摄单摆运动视频，利用Tracker软件分

• 46 •

Vol

. 39

No

. 05 中学物理

析摆球运动拟合出单摆运动的图像.Tracker是一款视

频分析软件，是由美国卡里洛大学的道格拉斯•布朗

教授开发，Tracker通过分析所拍摄的视频，追踪选定

对象的运动轨迹，就可以快捷地进行数据分析，归纳

物理规律，并允许用户建立自己的运动学或动力学模

型进行模拟实验.Tracker已成功用于运动学、动力学，

甚至光谱分析等领域的实验研究.软件界面如图2所

示，所用到的器材有手机（相机）、直尺、小球和细

绳等.

f lr«ckw- a x

Ml «M «矚（Ul •«!■薦d m

a«U

4

-i ♦.必

C i.

■ SO

t -

vBiriamtm

a -

MttMMiMI

j

图2

该实验方法充分体现了学科知识的整合取向，实

验过程要求学生综合运用物理、数学、工程、技术等学

科知识处理数据得出规律，培养学生的科学素养、技

术素养、工程素养和数学素养.STEAM教学以准确的

科学原理为依托，掌握各学科基础知识仍然是开展

STEAM教学的前提，因此在这一实验中，学生必须提

前了解单摆运动的相关知识，这也说明了 STEAM教

学设计很重要.

2.3 实验步骤及数据拟合处理

在纯色背景墙上确定好标尺，比如黑板面上，学

生用手抓住细绳上端，细绳长25cm,绳下端系住一个

小球，用手机拍摄小球在竖直面内摆动的短视频，通

过微信、QQ、APP等将短视频发送到电脑，在电脑上

运行Tracker软件，点击左上角菜单：文件一打开，载

入短视频进行分析处理.具体步骤如下：

(1 )单击Tracker软件:新建一定标杆.将此标杆

上的数字改成0.25单位为m，并将标杆锁定隐藏.

(2) 单击直角坐标轴.按住坐标轴拖动它，将坐标

轴的原点拖到摆球运动的最低点，作为描绘单摆运动

的坐标原点，锁定并隐藏坐标轴.移动黑三角形（▲)

选择跟踪的视频范围.

(3) 单击按钮创建一质点，创建•个“质量A”

击菜单中的自动追踪，根据提示将红色方形虚线框缩

，单

中学物理

V

〇1.39

No

.05

2021年3月

小到刚好容纳小球的大小,单击搜索按钮，追踪分析

其初始位移偏差％ =3.086 x 10_3m,相位C = 1. 136,

视频得到结果如图3所示.振幅4 =3.261 x 10 2m.从图4波形中得出其周期r

(4)在图3右侧上方波形上点鼠标右键，选择“分

=Is.根据单摆周期公式，摆长25cm的单摆,其周期

析”一“拟合”，选择拟合曲线为+/1

+ C),设置合理参数后得到图4所示的拟合结果.从

为

T

= 2

t

图4看出拟合曲线与实际测量数据点吻合得相当好，

图3

图4

3 STEAM教育理念下实验结果分析

激发了学生的学习热情，调动学生学习的积极性.改

改进后的实验比原先的更能体现综合性和新颖

进后的实验方案简单易行，可让学生在课堂合作探

性，需要学生运用多学科素养才能开展探究,体现跨

究:一个学生拿着单摆在黑板前摆动，另一个学生用

学科特性.实验数据的采集由计算机完成，精度高，误

手机（相机)拍摄短视频，然后由学生导人电脑进行数

差小，实验结果直观.在实验设计方面，基于STEAM

据拟合，处理过程与结果直接通过多媒体展示给全班

教育理念，结合工程、信息技术及数学知识进行设计

学生.真正实现了信息技术与传统实验技术的整合,

并开展探究，所涉及的STEAM知识见表1.与传统基

培养学生合作探究精神和能力，有利于学生将理论知

于“沙漏”的实验相比，学生花费更多时间进行自主思

识的学习与实践探究更好地结合.

考与探究，培养了学生的创新能力、数字化实验能力，

表1实验中用到的

STEAM

学科知识

科学技术

工程

艺术

数学

(

S

)

(

T

)

(

E

)(

A

)

(

M

)

视频传输和导入；

Tracker

摆球和摆绳的选择;黑板上

根据实验测得的数据点的分

简谐振动规律:动力

标尺的刻画;控制好单摆在

设计实验课的宣传海报;实

布规律选择恰当的数学函数

视频追踪软件的数据拟合

学知识

平行于黑板的面内摆动；短

验报告的规范设计等

进行拟合，并根据拟合结果

处理

视频的拍摄

分析运动规律

基于STEAM教育理念的物理实验在课程设计和

体现在实验方案的选择、实验装置的设计上，也体现

教学质量上均有明显优势，但改进后的物理实验，课

在实验过程中，鼓励学生通过合作与交流进行探究，

程任务周期长，占用教学时间多，而且需要教师和学

把学生的学习和跨学科课程设计相结合，为探究基础

生熟悉技术和工程方面的知识，这使得STEAM教育

物理实验教学的创新和改革提供新思路与新方向.

理念在当前阶段难以得到广泛应用，因此，可将其作

参考文献：

为综合实践类和探究类物理实验课程开设.

[1]

段雨薇.探索

STEAM

教育项目样态助推科技教

4结束语

创新变革

[

J

].

中学物理，

2019,37(23) :5 -8.

基于STEAM教育理念的物理实验与传统常态物

[2]

段雨薇.基于

STEAM

理念的物理实验课程实践——

理实验不同，它不再限于学科本身，而是将技术、工

STEM

教育视角下《超重》教学案例

[

J

].

中学物理，

20〗8,36

程、艺术和数学与高中物理相结合.STEAM理念不仅

(23) ：44 -47.

(收稿日期：2020-11 -11)

• 47 •

育