【摘要】 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,为丰富教学手段、培养学生核心能力提供了新的思路。 本文基于传统实验教学中常见问题，以高中物理必修课一第二章第四节“自由落体运动”为例，设计了符合学生认知特点的教学流程，利用视频分析软件收集并分析实验。 数据提高教学效率，激发学生兴趣，提高学生核心能力。
【关键词】视频分析软件、自由落体运动、核心素养
一、简介
普通高中物理课程标准明确要求：在学习方法上，强调学生的主体性，培养学生的自主学习能力和创新能力，让学生成为学习的主人。
在教学方法上，强调实验探索的重要性，把实验探索作为学生的学习目标和重要的教学方法，加强实验方案的自主设计，避免学生按照既定步骤进行错误的“探索”。教师或教科书； 在实验数据收集方面，注重信息技术在实验中的应用。
在信息技术快速发展的背景下，收集实验数据的方法更加现代化和多样化。 现代信息技术在物理教学特别是实验中的应用，可以大大降低实验数据的采集难度，提高教学效率。
2.传统实验教学的弊端
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，不仅可以帮助学生更好地理解相关物理概念和物理定律，还可以帮助学生掌握物理研究方法、提高实验技能。 目前，传统的实验教学往往存在以下缺陷。
学生的学科地位不被重视
在传统的实验教学模式中，由于分数考核的存在，教师往往选择让学生记忆、背诵物理知识，从而忽视了学生主体性在实验探索中的重要作用。 这种学习是毫无意义的机械学习，不符合课程标准的理念。
学生是学习的主体，他们的学习过程就是主动构建知识体系的过程。 因此，在教学中，教师必须重视学生的主体地位，鼓励学生运用知识积极思考和探索。 只有这样的课堂才能成为充满活力的课堂。
程序化操作，虚假“探索”
传统的实验教学中，无论是教学方法还是教学内容都是固定的高中物理教学视频网，学生往往只能在教师的指导下重现书本上的实验。 这样的实验不利于学生能力的培养。 而且，由于所使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，而没有进行动手实践和思考，从而挫伤了学生实验探索的积极性。 ，这不利于培养学生的动手实践能力和创新思维能力。
硬件设施难以满足实验要求
高中物理实验可操作性很强，涉及到很多专业设备，如打点计时器、牛顿管、力传感器等。此外，高中物理实验对实验数据的采集、实验数据的有效呈现等要求很高。许多物理定律需要精确的数据测量。
但由于我国教育资源不平衡，大多数学校由于资金和空间的限制，很难全面配置上述设备。 有些学校有实验室，但长期缺乏维护和保养，经常闲置。 这不利于实验教学的发展。
3. 针对上述问题的使用改进
视频跟踪软件基本功能介绍
视频跟踪软件是美国卡布里洛大学 Brown教授开发的一款用于物理实验视频的图像分析和数学建模的软件。
该软件可以通过物理实验视频片段跟踪分析视频中研究的粒子的运动轨迹，从而简洁高效地获得相关实验数据，揭示物理规律。
目前，国内外许多学者和教师已成功地将其应用到运动学、动力学包括光学等领域的物理实验和教学中。
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
在实验教学过程中，如果教师不能调动学生的积极性，让学生主动参与实验探索，那么即使教师能够通过这样的实验将抽象的事物具体化、形象化，也很难加强学生对物理概念的理解。和物理学。 对规律的理解，因为这不是学生主动建构的知识，而只是为了方便学生记忆知识。
教师应重视学生的主体地位，将物理实验转变为“设计参与活动”。 在此过程中，教师可以充分利用视频、图片等现代信息资源，形象地表达抽象的物理问题，并以问题为线索，不断主动引导学生主动参与相关物理问题的讨论，用自己的意志来讨论它们。 以及思维和动手能力，帮助教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，凸显实验趣味性
在平时的高中物理实验教学中，实验形式僵化，实验情境与学生日常接触到的常见情境不同。 因此，有些学生会对物理实验产生排斥心理，在实验探索过程中往往会应付。 完毕。
利用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，导入到软件中进行分析。 这不仅可以丰富物理实验的教学形式，而且可以凸显实验的趣味性，引导学生感受物理知识在生活中的意义。
③利用技术优势，提高数据采集和处理能力
信息化教学的出现是教学现代化的重要标志，也是当前新课程改革的重要组成部分。 许多物理实验往往因设备限制而存在较大误差，不方便学生进行物理绘图和数据分析。 利用强大的视频分析能力来采集和处理实验数据就可以很好地解决这个问题。 并且有利于培养学生的数学思维。 使学生更加直观地认识物理现象的内在规律。
4.本节内容分析
本章位于人民教育出版社2019年高中物理必修课一第二章第四节。学生掌握了匀变速直线运动规律后，需要研究一种常见的运动形式。 这是生命中匀变速直线运动的规律。 具体应用。 学习自由落体运动不仅是学生之前所学知识的综合运用，也是对学生逻辑思维和科学探究能力的重要训练。
教科书从“探讨影响物体下落速度的因素”问题出发，引出了伽利略和亚里士多德之间的百年争论。 通过逻辑推理和演示实验，消除了学生长期以来的误解，提出了自由落体运动理论。 概念，并通过实验探索，我们得到了自由落体运动的规律，理解了重力加速度的概念。
本节的重点是阐明自由落体运动的本质并探索自由落体运动的规律。 难点在于打破学生以往的观念，正确理解自由落体运动的概念。
5、学习情况分析
有利因素：在学习本部分内容之前，学生已掌握匀速直线运动的相关规律，初步具备一定的实验探究能力。
缺点：学生逻辑思维处于初级阶段，且受生活经历影响英语作文，存在“重物必须落得快”的误区。
6. 学科素养的成就
物理概念：
1.正确理解自由落体运动的概念。
2.了解自由落体运动规律。
3. 阐明自由落体运动的性质。
科学思维：
1. 通过了解伽利略和亚里士多德关于影响物体下落速度的因素的争论，体验科学推理在物理研究中的应用。
2、体验探索自由落体运动的过程，培养学生基于科学推理和客观事实的科学思维，勇于质疑和批评。
科学探究：
1.了解根据实验事实做出合理猜测、探索和发现物理规律的科学探究过程。
2.培养学生根据客观物理现象进行合理猜测、设计实验方案、总结物理规律进行科学探究的能力。
科学态度和责任：
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、在探究过程中，培养学生实事求是的科学态度。
3. 在交流、讨论和实验设计的过程中，感受科学探究的协作性和发展性。
7、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，将自然界常见的坠落动作以视频片段的形式展现出来，不仅引起了学生的兴趣，也促使他们更加关注生活中的事物，发现生活的美好。
接下来提出问题：以上动作有什么共同特点？ 将学生的视角带回物理情境，对上述现象进行抽象总结，引出本节课的主题：自由落体运动。
随后，老师演示了实验：将一枚硬币和一张展开的纸从同一高度落下，并提出问题：物体下落的速度可能与哪些因素有关？引导学生进行交流讨论，提出自己的想法。自己猜想：①可能与物体的重力有关②可能与空气阻力有关
之后，老师用逻辑推理和实验演示验证了猜想①，得出物体下落的速度与物体的重力无关。 同时老师结合牛顿管实验提出了自由落体运动的概念。
最后老师提出了一个问题：如何探究自由落体运动的规律？ 他还带领学生回忆之前探索汽车速度随时间变化规律的实验，利用软件探索自由落体运动规律，阐明自由落体运动的本质，理解重力加速度的概念。
《自由落体运动》教学设计
（一）新课程介绍
1.通过多媒体视频引入话题
展示：大雪纷飞、柳絮飘扬、秋叶飞舞等精美视频片段吸引了学生的兴趣。
问题一：以上运动项目有哪些共同特点？
学生：都是下落动作
老师：很好，那今天我们来学习一个特殊的下落动作——自由落体动作。
设计意图：以生活中常见的下落运动为例，引导学生从物理的角度观察生活中的现象和思考，激发学生学习物理的兴趣，培养学生的观察能力和抽象概括能力。
(2)自由落体运动
演示实验：将一枚一元硬币和一张展开的纸从同一高度同时落下。 （这里之所以选择铺开的纸进行演示，是为了让学生直观地感受到铺开的纸在空中落下时空气阻力的影响）
问题2：谁摔得更快？ 您认为哪些因素可能与物体下落的速度有关？
学生：硬币掉得很快。
学生猜测：①可能与物体的重力有关②可能与空气阻力有关
验证猜想：①可能与物体的重力有关
设计意图：教师通过演示小实验，引导学生观察实验现象并做出合理猜测，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辩论，引导学生进行逻辑推理，找出亚里士多德结论本身的内在矛盾，从理论上得出物体下落的速度可能与重力无关。
学生实验：将纸揉成球状，将硬币从相同高度释放。 结果发现，卷成一团的纸和硬币以几乎相同的速度下落。
结论：猜想：①不成立
验证猜想：②可能与空气阻力有关
教师演示牛顿管实验，引导学生观察实验现象。
小结：在没有空气阻力的情况下，不同重量的物体以相同的速度下落。
老师根据上述实验结论给出了自由落体的定义：物体仅在重力作用下从静止落下的运动称为自由落体。 当物体的空气阻力远小于物体的重力时，下落也可近似视为自由落体运动。
设计意图：采用逻辑推理和实验探究两种方法，验证猜想，理论联系实际，培养学生严谨的科学思维和实践能力。
(3) 自由落体运动定律
问题三：如何探索自由落体运动规律？
老师带领学生回忆了之前探索汽车速度随时间变化规律的实验，并利用软件探索了自由落体运动的规律。
实验：探索自由落体物体的运动规律
1.导入视频
老师会拍一段提前拍摄好的自由落体视频（为了尽可能减少误差，本次拍摄采用120帧慢动作拍摄），导入到软件中。 视频背景是一张25×30的方格纸，每个小格子为3cm
2. 选择分析片段
打开软件，点击菜单“视频→导入”将视频导入软件中，打开视频剪辑设置对话框高中物理教学视频网，确定待分析视频的起点和终点。
3.建立坐标系
单击“显示坐标轴”按钮，将小球下落的起点设置为坐标原点。 如图2所示，点击“标定工具”按钮，将标定杆拖动到视频屏幕中已知距离的两点，输入两点之间的实际距离（以米为单位）。
图2 以球的落点为坐标原点建立直角坐标系。
4. 追踪物体
单击“轨迹”并创建一个“粒子”。 由于球会移动得更快，为了减少误差，我们选择手动跟踪的方法对球进行逐帧分析。 按住“shift”键可手动一一跟踪球的位置。 每跟踪一个位置，相关的运动数据就会以图形和表格的形式显示在窗口右侧。 如图3所示。
图3 跟踪球的位置并收集数据
5、结果分析
如图4所示，将鼠标移至窗口右侧的图表窗格，单击右键，选择“分析”，进入数据分析页面。 这里我们可以选择抛物线拟合（为了进一步减小误差，我们可以选择使用中间均匀分布的点进行数据拟合）
图4 所得实验数据的分析拟合
讨论与思考：
① 结合打点定时器的相关知识，我们应该如何处理上述数据才能将误差降到最低？
②通过这张图你能得到关于自由落体运动的哪些信息？
健康：①我们可以选择中间分布比较均匀的点进行数据处理，这样可以减少误差②从这张图可以得出自由落体运动是匀加速直线运动，其加速度约为9.74m /s²
老师总结实验调查的结论：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称为重力加速度，通常用g表示。 一般计算时，通常采用g=9.8m/s²或10m/s²。
设计意图：利用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采集难度，并以更直观的形式呈现物理规律。 教师还可以引导学生运用之前学过的知识来分析实验数据。 进行分析并培养学生的科学探究能力。
(4)重力加速度
老师给出一个不同纬度的重力加速度表，并问：从这张表中你能得出什么结论？ （由此得出g随纬度增加而增加的结论）
(5)自由落体定律及应用
教师用匀变速直线运动公式类比，引导学生推导自由落体运动公式。
（六）课外发展
这里可以安排课外活动，鼓励学生课后互相配合，用尺子测量反应时间。
八、案例分析与反思
① 在教学过程的安排上，教师依据科学原理，熟悉教材，以生活中常见的跌倒现象为切入点，引入本课的主题，并按照之间的内在逻辑进行安排。结合本节教学内容中的知识点，并通过提问的方式连接各个教学环节，使学生进一步理解探索自由落体运动规律的过程，提高学生的逻辑思维能力。
②从探究原则出发，在教学中，教师充分利用演示实验，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，然后从学生的猜想出发，一步步引导学生探索自由落体运动规律的一步。 ，充分发挥学生的主体性，培养学生的科学探究能力。
③教师从直觉原理出发，在探究自由落体运动规律时，充分利用软件的可视化能力，直观地向学生展示了球下落的过程，并利用视频分析软件大大丰富了形式实验探究和改进提高数据收集效率。
从上述对“自由落体运动”的改进来看，利用软件探索自由落体运动不仅可以大大简化实验数据的采集过程，而且可以提高数据的准确性。 同时，其自身的数据分析功能也可以帮助学生快速弄清楚自由落体运动的规律，节省大量教学时间的同时也提高了学生的信息素养。
《自由落体运动》是作者利用软件改进力学实验教学并付诸实践的第二课。 从实际教学情况来看，学生们对牛顿管的演示实验非常感兴趣，参与讨论的热情也很高。 一些学生已经能够更熟练地运用它进行独立探究。 整个教学过程，气氛十分活跃，师生之间交流充分。 而且，在这次教学中，为了让后面的学生能够清楚地看到数据。 对于表格，我没有使用学校的智能黑板进行演示。 而是用电脑屏幕投影将操作界面投射到屏幕上，供后面的学生观看。
九、总结与展望
当前，信息技术与物理课程资源整合的研究是物理教育界的热门话题。 本案例以实例探索了信息技术应用于高中力学实验教学的一般模式，并设计了相关案例，进行了实际测试，取得了良好的效果。
利用视频分析软件着眼于信息技术与高中力学实验的融合，明确了中学物理信息课程资源的普遍性和多样性，并通过视频分析软件探讨了“自由落体运动”的新教学模式。 。
同时，还总结了实验教学中将采用的三种策略：
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，凸显实验的趣味性，
③利用计算机技术的优势，提高数据采集和处理能力。
教学案例实施结果表明，利用软件进行实验分析可以提高学生的学习兴趣，帮助学生更好地理解实验原理、掌握相关物理定律，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。
为今后信息技术与物理实验教学融合的研究以及适合信息技术与物理实验结合的通用教学模式的探讨提供思路； 让一些缺乏相应实验设备的学校能够更好地引导学生进行实验探究活动。 缓解教育资源失衡。
希望今后有更多的教育工作者对软件在光学实验中的应用进行研究，充分挖掘软件的功能，为推动物理教学信息化贡献自己的微薄之力。
参考
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湖南省长沙市望城区长郡则马湖中学高中物理教师。 16年教学经验。 教学成果众多：获高中精品课程教学竞赛市级一等奖1名、精品课程1门、省级精品课程1门、市级一等奖。 ，多次荣获优秀班主任、优秀教师等荣誉称号，多次指导学生高中物理竞赛获奖，担任名师工作室名师并培养指导多名青年教师获奖，出版在权威刊物发表论文多篇，并主持或参与省市级项目研究。
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