【摘要】Tracker 作为一款具有动态捕捉和数学建模双重功能的视频分析软件，为丰富教学方式、培养学生核心素养提供了新思路。基于传统实验教学中常见的问题，本文以高中物理必修一第2章的第4节的“自由落体运动”为例，设计了符合学生认知特点的教学过程，运用 Tracker 视频分析软件采集和分析实验数据，提高了教学效率，激发了学生兴趣，提升了学生的核心素养。

【关键词】Tracker 视频分析软件，自由落体运动，核心素养

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一、引言

普通高中物理课程标准明确要求：在学习方式上，强调学生的主体性，重视培养学生的自主学习能力及创新能力，让学生成为学习的主人。

在教学方式上，强调实验探索的重要性，将实验探索视为学生的学习目标以及重要的教学方式，要强化实验方案的自我设计，避免学生按照教师或教材的既定步骤进行虚假“探究”；在实验数据收集上，重视信息技术在实验中的运用。

在信息技术高速发展的背景下，实验数据的采集方式更加现代化与多样化，将现代信息技术应用在物理教学尤其是实验中，能极大地降低实验数据的采集难度，提高教学效率。

二、传统实验教学中存在的不足

在高中物理教学中，实验是物理教学的重要组成部分。教师在教学中有意识地设置实验探索环节既有利于学生更好地理解相关的物理概念及物理规律，又有利于学生掌握物理学的研究方法，提高实验技能。当前，在传统的实验教学中常常存在着以下不足。

1、学生的主体性地位没有得到重视

在传统的实验教学模式中，由于分数考核的存在，教师往往会选择让学生对物理知识进行记忆与背诵，因而忽视了学生主体性在实验探索中的重要作用。这样的学习是一种无意义的机械式学习，与课程标准的理念是不相符的。

学生是学习的主体，其学习过程是一个主动建构知识体系的过程。因此，在教学中，教师必须重视学生的主体地位，鼓励学生运用知识主动思考、积极探索，只有这样的课堂才是一堂有活力的课堂。

2、程序化的操作，虚假的“探究”

在传统的实验教学中，无论是教学方式还是教学内容都是被固定的，学生往往也只是在教师的指导下重现书本上的实验。这样做实验，不利于学生能力的培养，而且，由于所采用的实验方法和实验仪器基本相同，很容易导致少数学生抄袭其他学生的实验数据，而不进行动手与思考，打击学生实验探索的积极性，这样是不利于培养学生的动手实践能力以及创新思维能力的。

3、硬件设施难以满足实验要求

高中物理实验的操作性强，所牵扯的专业性设备较多，如打点计时器、牛顿管、力传感器等。除此之外，高中物理实验对实验数据的收集有较高的要求，许多物理规律的有效呈现需要进行准确的数据测量。

然而，由于我国教育资源的不均衡，大多数学校出于资金和场地的限制，很难将上述设备配置齐全，也有些学校有实验室但长期缺乏维护与保养，很多时候都是处于闲置状态，这都是不利于实验教学的展开的。

三、用Tracker对以上问题的改进

1、Tracker视频跟踪软件的基本功能介绍

Tracker视频跟踪软件是由美国卡布里洛大学的道格拉斯·布朗教授研发的用于物理实验视频的影像分析与数学建模的软件。

该软件可以通过物理实验的视频片段，追踪并分析视频中所研究的质点的运动轨迹，从而简洁高效地得出相关的实验数据并揭示物理规律。

目前，国内外有很多的学者及教师成功地将其运用到运动学、动力学包括光学领域的物理实验和教学当中。

2、Tracker在物理教学中的应用策略

①以问题为线索激发学生参与实验探索的热情

在实验教学的过程中，如果教师不能调动学生的积极性让学生主动地参与实验探索，那么，即使教师能通过这种实验使抽象的东西具体化和视觉化，也难以加强学生对于物理概念以及物理规律的理解，因为这并非学生主动建构得来的知识，而仅仅只是便于学生对于知识的识记。

教师应重视学生的主体性地位，把物理实验改变为一场“设计参与活动”。在这个过程中教师可以充分利用视频、图片等现代信息资源，将抽象的物理问题生动形象地表现出来，并以问题为线索不断积极引导学生主动地加入对相关物理问题的讨论，用自己的意志和思维动手能力，帮助老师或独立完成实验操作，加深对理论知识的理解。

②利用多媒体资源丰富实验形式突出实验的趣味性

在通常的高中物理实验教学中，实验形式僵化且实验情境与学生日常接触到的各种常见情境有所不同，因此，会有部分学生对物理实验产生排斥心理，在实验探索的过程中往往应付了事。

利用Tracker软件强大的视频分析功能，教师可以提前从网上找到许多与生活场景相关的物理实验视频，并将其导入到软件中进行分析。这样既可以丰富物理实验的教学形式也能突出实验的趣味性，引导学生感受到物理知识的生活意义。

③利用Tracker技术优势提高数据收集与处理能力

信息化教学的出现，是教学现代化的重要标志，同样也是当前新课改的重要组成部分。许多物理实验由于器材的限制经常会有较大的误差也不方便学生进行物理作图和数据分析，那么利用Tracker强大的视频分析能力对实验进行数据收集和处理就能很好地解决这个问题。并且有利于培养学生的数学思维。使学生更直观地理解物理现象的内在规律。

四、本节内容分析

本章节位于2019年人教版高中物理必修1 第2章的第4节，是在学生掌握了匀变速直线运动的规律之后需要研究一种常见的运动形式，它是匀变速直线运动规律在生活中的具体应用。研究自由落体运动，既是对学生之前所学知识的综合应用，也是对学生逻辑思维及科学探究能力的重要训练。

教材从“探究影响物体下落快慢的因素”这一问题出发，引出伽利略与亚里士多德的世纪争论，通过逻辑推理以及演示实验，破除了学生长久以来的错误观念，提出了自由落体运动的概念，并通过实验探究的方式，得到了自由落体运动的规律并对重力加速度这一概念进行了了解。

本节内容的重点在于明确自由落体运动的性质以及探究自由落体运动的规律，难点在于破除学生的前概念，正确理解自由落体运动的概念。

五、学习情况分析

有利因素：在学习本节内容之前，学生已掌握了匀变速直线运动的相关规律，并且已初步具备了一定的实验探究能力。

不利因素：学生的逻辑思维正处于起步阶段，且受生活经验的影响，存在着“重的物体下落一定快”的错误认识。

六、学科素养达成

物理观念：

1.正确理解自由落体运动的概念。

2.了解自由落体运动的规律。

3.明确自由落体运动的性质。

科学思维：

1.通过了解伽利略与亚里士多德对于影响物体下落快慢因素的争论，体会科学推理在物理学研究中的应用。

2.经历对自由落体运动的探究过程，培养学生基于科学推理以及客观事实勇于质疑与批判的科学思维。

科学探究：

1.体会基于实验事实进行合理猜想、探究并发现物理规律的科学探究过程。

2.培养学生基于客观物理现象进行合理猜想、设计实验方案、总结物理规律科学探究能力。

科学态度与责任：

1.了解伽利略的生平事迹，培养学生追求真理，敢于实践的科学精神。

2.在探究的过程中，培养学生实事求是的科学态度。

3.在交流讨论、设计实验的过程中，感受到科学探究的协作性以及开发性。

七、教学流程设计

教学流程如下图1所示：

图1 自由落体运动教学流程

流程说明：

首先，以视频片段的形式展示自然界中常见的落体运动，在引起学生兴趣的同时也促进学生多关注生活中事物发现生活的美。

接着，提出问题：以上运动有什么共同特征？将学生的视角拉回到物理情境中，对上述现象进行抽象化概括，引出本节课的主题：自由落体运动。

然后，教师演示实验：将一枚硬币和一张摊开的纸在同一高度落下，并提出问题：物体下落的快慢可能与哪些因素有关？引导学生进行交流讨论并提出自己的猜想：①可能与物体的重力有关②可能跟空气阻力有关

之后，教师分别用逻辑推理以及实验演示两种方式，对猜想①进行验证，得出：物体下落的快慢与物体的重力无关，同时，教师结合牛顿管实验提出自由落体运动的概念。

最后，教师提出问题：如何探究自由落体运动的规律？并带领学生回忆之前探究小车速度随时间变化规律的实验，利用Tracker软件探究自由落体运动规律，明确自由落体运动的性质并了解重力加速度的概念。

《自由落体运动》教学设计

（一）导入新课

1.通过多媒体视频导入课题

展示：大雪纷飞、柳絮翩翩、秋叶飞舞等美丽的视频片段吸引学生的兴趣

问题一：以上运动有什么共同特征？

生：它们都是下落的运动

师：很好，那么今天我们就一起来学习一种特殊的下落运动——自由落体运动

设计意图：以生活中常见的落体运动为例，引导学生观察生活中的现象，并从物理学的角度进行思考，激发学习物理的兴趣，培养学生的观察能力以及抽象概括能力。

（二）自由落体运动

演示实验：将一枚一元的硬币和一张摊开的纸从同一高度同时放下。（这里之所以选择摊开的纸进行演示，是因为摊开的纸在空中下落时可以帮助学生直观地感受到空气阻力的影响）

问题二：谁下落更快呢？你觉得物体下落的快慢可能与哪些因素有关？

生：硬币下落得快。

学生猜想：①可能与物体的重力有关②可能跟空气阻力有关

验证猜想：①可能与物体的重力有关

设计意图：通过演示小实验，教师引导学生观察实验现象并进行合理猜想，培养学生的科学探究能力。

教师向学生讲授亚里士多德与伽利略的历史争论，并引导学生进行逻辑推理，自己找出亚里士多德结论的内在矛盾，从理论上得出：物体下落的快慢可能与重力无关。

学生实验：将纸揉成团和硬币从同一高度释放，发现揉成团的纸和硬币下落快慢几乎相同

结论：猜想：①不成立

验证猜想：②可能跟空气阻力有关

教师演示牛顿管实验，引导学生观察实验现象。

总结：在没有空气阻力的情况下，不同重量的物体下落快慢相同。

教师依据以上实验结论给出自由落体运动的定义：物体仅在重力的作用下，从静止开始下落的运动叫自由落体运动。当物体所受空气阻力远小于物体的重力时，该下落也可以近似地看成自由落体运动。

设计意图：分别用逻辑推理和实验探究两种方法对猜想进行验证，将理论与实践相联系起来，培养学生严谨的科学思维和实践动手能力。

（三）自由落体运动的规律

问题三：如何探究自由落体运动的规律？

教师带领学生回忆之前探究小车速度随时间变化规律的实验，并利用Tracker软件探究自由落体运动的规律。

实验：探究自由落体的运动规律

1、导入视频

教师将提前拍摄好的一段自由落体的视频（为了尽可能地减少误差，本次拍摄采用120帧慢动作拍摄），导入Tracker软件，视频的背景为一张25×30的方格纸，每个小格为3cm

2、选定分析片段

打开软件，点击菜单“视频→导入”将视频导入软件，打开视频剪辑设定对话框，确定要分析的视频的起点和终点。

3、建立坐标系

点击“显示坐标轴”按钮，将小球的下落起点设为坐标原点。如图2所示，点击“定标工具”按钮，拖动定标杆，将定标杆拖到视频画面中已知间距的两点上，以米为单位输入这两个点之间的实际距离。

图2  以小球下落点为坐标原点建立直角坐标系

4、追踪对象

点击“轨迹”并创建“质点”由于小球的运动速度会比较快，为了减少误差这里我们选择手动追踪方式对小球进行逐帧分析，按住“shift”键逐个手动追踪小球的位置，每追踪一个位置，相关的运动数据就会以图形和表格的形式在窗口的右侧显示出来。如图3所示。

图3  对小球的位置进行追踪并收集数据

5、结果分析

如图4所示，将鼠标移到窗口右侧的图表窗格中，点击右键，选择“分析”，即可进入数据分析页面，这里我们可以选择抛物线拟合（为了进一步减少误差，我们可以选择中间分布较均匀的点进行数据拟合）

图4 对所得实验数据的分析拟合

讨论思考：

①结合打点计时器的相关知识，我们在处理以上数据时应该如何处理才能最大限度地减少误差？

②通过该图像，你能得到关于自由落体运动的哪些信息呢？

生：①我们可以选取中间分布较为均匀的点进行数据处理这样可以减少误差②通过该图像可以得出自由落体运动是匀加速直线运动，它的加速度大概是9.74m/s²

教师总结实验探究的结论：自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，自由落体的加速度也叫重力加速度通常用g表示，一般计算中通常取g=9.8m/s²或者10m/s²

设计意图：运用Tracker视频分析软件对自由落体运动进行定量分析，大大降低了实验数据的收集难度，使物理规律以更为直观的形式呈现，并且教师还可以引导学生运用之前所学习的知识对实验数据进行分析，培养学生的科学探究能力。

（四）重力加速度

教师给出不同纬度的重力加速表格，抛出问题：通过该表格你可以得出哪些结论？（引导得出g随着纬度的升高而增大）

（五）自由落体规律及应用

教师类比匀变速直线运动的公式引导学生自己得出自由落体运动的公式。

（六）课外拓展

这里可以布置课外活动鼓励学生在课后互相合作用尺子测量反应时间。

八、案例分析与反思

①在教学流程的编排上，从科学性原则出发，教师在熟悉教材的基础上，以生活中常见的落体现象为切入点引出本节课的主题，按照本节知识点之间的内在逻辑编排教学内容，并通过提问的方式将各个教学环节进行串接，使学生进一步了解自由落体运动规律的探究过程并提高学生的逻辑思维能力。

②从探究性原则出发，在教学中，教师充分运用演示实验调动学生的学习兴趣，引导学生观察实验现象并提出合理猜想，再从学生的猜想出发，一步步地带领学生探究自由落体运动的规律，充分发挥了学生的主体性，培养了学生的科学探究能力。

③从直观性原则出发，教师在探究自由落体运动规律时充分运用了Tracker软件的可视化能力，向学生直观地展示了小球下落的过程，并运用Tracker 视频分析软件极大地丰富了实验的探究形式，提高了数据的收集效率。

从以上对于“自由落体运动”的改进来看，利用Tracker软件去探究自由落体运动，不仅能极大地简化实验数据的收集过程而且还能提高数据的准确性，同时，其自带的数据分析功能也可以帮助同学们快速得出自由落体运动的规律，在节省了大量教学时间的同时也提高了学生的信息化素养。

《自由落体运动》是笔者利用Tracker软件改进力学实验教学并付诸实践的第二节课，从实际的教学情况来看，学生对于牛顿管的演示实验非常感兴趣，参与讨论的热情也很高，并且部分学生已经能较为熟练地运用Tracker进行自主探究，整个教学过程中，气氛非常活跃，师生之间进行了充分的交流，并且，在此次教学中，为了能让后面的同学也看清数据表格，我并没有用学校的智能黑板进行演示，而是采用了电脑投屏的方式将操作界面投影到幕布上便于后面的学生进行观看。

九、总结与展望

当前，有关信息技术与物理课程资源整合的研究是物理教育界的热点课题，本案例以Tracker为例探讨了将信息技术应用于高中力学实验教学的一般模式，并设计相关案例，进行了实践检验，取得了不错的效果。

使用视频分析软件Tracker围绕信息技术与高中力学实验的整合进行展开，明确了中学物理信息化课程资源的普遍性及多样性，通过视频分析软件Tracker对《自由落体运动》一进行了新的教学模式的探讨。

同时也总结出了将Tracker用于实验教学的三个策略：

①以问题为线索激发学生参与实验探索的热情，

②利用多媒体资源丰富实验形式突出实验的趣味性，

③发挥计算机技术优势提高数据收集与处理能力。

教学案例实施的结果表明：利用Tracker软件进行实验分析能提高学生的学习兴趣，帮助学生更好地理解实验的原理掌握相关物理规律，有利于培养学生的学科核心素养，也丰富了中学物理的信息化课程资源。

为今后研究信息技术与物理实验教学的整合以及探讨适用于信息技术与物理实验相结合的一般教学模式提供了思路；让一些缺乏相应实验设备的学校也能更好地带领学生进行实验探究活动，缓解教育资源的不均衡。

希望今后能有更多的教育工作者们对Tracker软件在光学实验中的应用进行研究，充分挖掘软件的功能，为推进物理教学的信息化贡献自己的绵薄之力。

参考文献

[1] 张丹彤. 让智能手机成为中学物理实验教学的好帮手[J].物理教师,2014,35(11):39-40.

[2] 汪国华. 对信息技术与高中物理实验教学深入融合的研究[J].高考,2022(01):48-50.

[3] 刘丽. 高中物理力学实验有效教学的探索[J].课程教育研究,2019(07):148-149.

[4] 王刚. 数字化实验在高中物理力学教学中的应用策略[J]. 教育实践与研究(B),2020,(01):57-62.

[5] 黄连凤,施生晶. 利用DIS实验打造高效课堂——以“实验探究：加速度与力、质量的关系”为例[J]. 中学理科园地,2020,16(04):29-30+57.

[6] 徐忠岳,余杰,曾裕. Tracker软件在物理实验教学中的应用[J]. 中国教育信息化,2014,(12):75-78.

[7] 洪炎红. 视频分析技术在中学物理教学中的应用研究[D].昆明:云南师范大学,2017:1-40.

文末小贴士

01 作者介绍

湖南省长沙市望城区长郡斑马湖中学高中物理老师，16年教龄，多项教学业绩丰硕：荣获一师一优课一课一名师省级优课，高中优质课教学比武市级一等奖，多次获得优秀班主任、优秀教师等荣誉称号，多次指导学生在高中物理竞赛中获奖，担任名师工作室名师并培养指导多名青年教师获奖，多篇论文在权威刊物中发表，并主持或参加省市区级课题研究。

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