【摘要】作为一款具有动态捕捉和物理建模双重功能的视频分析软件，为丰富教学手段、培养中学生核心素质提供了新思路。 本文针对传统实验教学中常见的问题，以初中数学选修一第二章第四节中的“自由落体”为例，设计了符合中学生认知特点的教学流程，并利用视频分析收集和分析实验的软件。 数据提高了教学效率，激发了中学生的兴趣，提高了中学生的核心素质。
【关键词】视频分析软件、自由落体、核心质量
一、简介
普通中学数学课程标准有明确的要求：在学习方法上，指出中学生的主体性，注重中学生自主学习能力和创新能力的培养，使中学生成为学习大师。
在教学方法上，指出实验探索的重要性，把实验探索作为中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，防止中学生错误的“探索”按照班主任或课本规定的步骤进行； 在实验数据的收集中，应注意信息技术在实验中的应用。
在信息技术快速发展的背景下物理声的利用视频，实验数据的采集方式越来越现代化、多样化。 现代信息技术在化学教学尤其是实验中的应用，可以大大增加实验数据的采集难度，提高教学效率。
2.传统实验教学的不足
在中学数学教学中，实验是数学教学的重要组成部分。 班主任在教学中有意识地设置实验探索环节，不仅可以帮助中学生更好地理解相关数学概念和数学规律，还可以帮助中学生掌握数学的研究方法，增强实验技能。 目前，传统的实验教学往往存在以下不足。
中学生的主体地位未被重视
在传统的实验教学模式中，由于成绩评价的存在，班主任往往选择让中学生背诵化学知识，从而忽视了中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学习，不符合课程标准的理念。
中学生是学习的主体，他们的学习过程就是主动构建知识体系的过程。 为此，在教学中，班主任必须重视中学生的主体地位，鼓励中学生运用知识积极思考、主动探索。 只有这样的类才是动态类。
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，中学生往往只能在班主任的指导下重现书本上的实验。 这样做实验不利于中学生能力的培养。 而且，由于所使用的实验方法和实验仪器基本相同，很容易造成少数中学生抄袭其他中学生的实验数据，而不是动手和思考，而受到严厉的惩罚。学生实验探索的热情。 ，这不利于中学生实践能力和创新思维能力的培养。
硬件设施无法满足实验要求
中学数学实验可操作性较高，涉及的专业设备较多，如打点计时器、牛顿管、力传感器等。此外，中学数学实验对实验数据的采集要求较高，对许多实验数据的有效呈现也有较高的要求。数学定律需要精确的数据测试。
但由于我国教育资源不平衡，大多数分校由于资金和场地的限制，很难完全配备上述设备。 有的中学有实验室但常年缺乏维护和保养，经常闲置。 ，不利于实验教学的开展。
3. 针对上述问题的改进
视频跟踪软件基本功能介绍
视频跟踪软件是德国卡布里洛学院道格拉斯·布朗院士开发的一款对化学实验视频进行图像分析和物理建模的软件。
该软件可以通过化学实验的视频片段来跟踪分析视频中研究的粒子的运动轨迹，从而简单高效地获得相关实验数据并阐明数学规律。
目前，国内外许多学者和班主任已成功地将其运用到运动学、动力学、光学等领域的数学实验和教学中。
数学教学中的应用策略
① 以问题为线索，激发中学生参与实验探索的热情
在实验教学过程中，如果班主任不能调动中学生积极参与实验探索的积极性，那么即使班主任能够通过这些实验将具体的事物具体化、形象化，也无法充分发挥学生的主观能动性。能够加强学生对数学概念的理解和规律的理解，因为这不是中学生主动建构的知识，而只是中学生记忆的知识。
班主任应重视中学生的主体地位，将化学实验改为“设计参与活动”。 在此过程中，班主任可以充分利用视频、图片等现代信息资源，形象地表达具体的数学问题，并以问题为线索，积极引导中学生积极参与相关数学问题的讨论，并运用自己的意志、思维和动手能力，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方法，凸显实验的乐趣
一般中学化学实验教学中，实验方法僵化，实验场景与中学生日常接触的常见情况不同。 为此，一些中学生会对化学实验形成抵触情绪。 经常处理事情。
借助软件强大的视频分析功能，班主任可以提前从网上找到很多与生活场景相关的化学实验视频，导出到软件中进行分析。 这不仅可以丰富化学实验的教学方法，还可以凸显实验的乐趣，引导中学生感受化学知识的生命意义。
③利用技术优势，增强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。 很多化学实验往往因设备限制而出现较大偏差，不方便中学生进行化学绘图和数据分析。 只有利用强大的视频分析能力来收集和处理实验数据才能解决这个问题。 并且有利于培养中学生的体育思维。 让中学生更直观地了解化学现象的内在规律。
4.本节内容分析
本章位于2019年人教小学数学选修一第二章第四节，是中学生掌握匀速直线运动规律后需要学习的常用运动方法。 自由落体的学习不仅是中学生之前所学知识的综合运用，也是对中学生逻辑思维和科学探究能力的重要训练。
教材从“探究影响物体下落速度的原因”问题出发，引出了伽利略与亚里士多德之间的百年争论。 通过逻辑推理和论证实验，不仅打破了中学生长期以来的误解，而且提出了自由落体原理。 概念，并通过实验探索的方法，了解了自由落体运动的规律和重力加速度的概念。
本节的重点是阐明自由落体的本质，探索自由落体的规律。 难点在于摆脱中学生以往的观念，正确理解自由落体的概念。
五、学习情况分析
有利的激励：在学习本节内容之前，中学生已经掌握了匀变速直线运动的相关规律，初步具备了一定的实验探索能力。
不利诱因：中学生的逻辑思维尚处于萌芽期，受生活经历影响，存在“重物必须落得快”的错误观念。
6. 纪律素质达到
化学概念：
1.正确理解自由落体运动的概念。
2.了解自由落体运动定律。
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原因的争论，感受科学推理在数学研究中的应用。
2、通过自由落体的探索过程，培养中学生基于科学推理和客观事实敢于批评和批评的科学思维。
科学探究：
1.感受基于实验事实进行合理推测、探索和发现数学规律的科学探究过程。
2、培养中学生根据客观数学现象进行合理推测、设计实验方案、总结数学规律的能力。
科学心态和责任：
1、了解伽利略的生平事迹，培养中学生追求真理、勇于实践的科学精神。
2、在探究过程中，培养中学生实事求是的科学心态。
3.在交流、讨论和设计实验的过程中，感受科学探究的协作和发展。
7、教学流程设计
教学流程如右图1所示：
图1 自由落体教学流程
流程说明：
首先，将自然界中常见的坠落动作以视频片段的形式展示出来，不仅引起了中学生的兴趣，也鼓励中学生更多地关注生活中的事物，发现生活的美好。 。
接下来提出问题：以上动作有哪些共同特点？ 将中学生的视角拉回数学情境，对上述现象进行具体总结，并引出本节课的主题：自由落体。
随后，班主任演示了实验：将一枚硬币和一张铺好的纸从同一高度落下，并提出问题：物体下落的速度可能与什么诱因有关？引导中学生进行交流讨论提出自己的猜测：①可能与物体的重力有关； ②可能与空气阻力有关
随后，班主任用逻辑推理和实验演示验证了猜测①，得出结论：物体下落的速度与物体的重力无关。 同时班主任结合牛顿管实验提出了自由落体的概念。
最后班主任问了一个问题：如何探究自由落体的规律？ 并带领中学生回忆之前探索卡车速度随时间变化规律的实验，并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并理解万有引力的概念加速度。
《自由落体》教学设计
(1)导出新课程
1.通过多媒体视频导出话题
演示：降雪、柳絮、秋叶等精美视频片段吸引中学生兴趣
问题1：以上动作有哪些共同特点？
生：都是下落动作
老师：很好，明天我们就上去学一种特殊的坠落运动——自由落体
设计意图：以生活中常见的下落运动为例，引导中学生观察生活中的现象，从化学的角度思考，从而激发学习数学的兴趣，培养中学生的观察能力和具体的概括能力。
(2)自由落体
演示实验：从同一高度同时放下一枚一美元硬币和一张纸。 （这里之所以选择铺纸进行演示，是因为铺纸可以帮助中学生直观地感受到在空气中下落时空气阻力的影响）
问题2：谁摔得更快？ 你认为物体下落速度的原因可能是什么？
学生：硬币掉得很快。
中学生推测：①可能与物体的重力有关； ②可能与空气阻力有关
验证推测：①可能与物体的重力有关
设计意图：班主任通过小实验的演示，引导中学生观察实验现象并做出合理推测，从而培养中学生的科学探究能力。
班主任给中学生讲授亚里士多德与伽利略的历史辩论，并引导中学生进行逻辑推理，找出亚里士多德推论的内在矛盾，并从理论上得出：物体下落的速度可能与物体的速度无关。与重力有关。
中学生实验：将弄皱的纸和硬币从同一高度释放，发现弄皱的纸和硬币以几乎相同的速度下落
推论：推测：①不成立
验证推测：②可能与空气阻力有关
班主任演示了牛顿管实验，并引导中学生观察实验现象。
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。
根据以上实验推导，班主任给出了自由落体运动的定义：物体仅在重力作用下从静止落下的运动称为自由落体运动。 当物体所受的空气阻力远大于物体的重力时，下落也可近似视为自由落体运动。
设计意图：通过逻辑推理和实验探究的方式验证猜想，理论联系实际，培养中学生严谨的科学思维和实践能力。
(3) 自由落体定律
问题三：如何探索自由落体运动规律？
班主任带领中学生回忆了之前探索卡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规律。
实验：探索自由落体的运动规律
1.导入视频
班主任会提前拍摄自由落体的视频（为了尽可能减少偏差，本次拍摄采用120帧慢动作拍摄），导出到软件中。 视频的背景是一张25×30的方格纸。 网格是3cm
2. 选择分析片段
打开软件，点击菜单“视频→导入”将视频导出到软件中，打开视频剪辑设置对话框，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，将小球的下落起点设置为坐标原点。 如图2所示，点击“标定工具”按钮，拖动标定杆物理声的利用视频，将标定杆拖动到视频画面中已知宽度的两点，输入两点之间的实际距离，单位为米。
图2 以小球落点为坐标原点构建笛卡尔坐标系
4. 追踪物体
单击“跟踪”并创建“粒子”。 因为球的速度会比较快，为了减少偏差，这里我们选择自动跟踪的方式来逐帧分析球，按住“shift”键自动逐帧跟踪球的位置一。 每跟踪一个位置，相关的运动数据就会以图表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，将鼠标移到窗口左侧的图表窗格中，单击右键，选择“分析”，进入数据分析页面，在这里我们可以选择抛物线拟合（为了进一步减少偏差，我们可以选择中间分布比较均匀的点进行数据拟合）
图4 所得实验数据的分析与拟合
讨论和思考：
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偏差降到最低？
② 通过这张图，你能得到自由落体运动的哪些信息？
学生：①我们可以选择中间分布比较均匀的点进行数据处理，这样可以减少偏差。 ②通过该图像，我们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
班主任总结了实验探索的推论：自由落体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。 一般用g表示，估算时一般采用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，大大增加了实验数据的采集难度，使数学定律更加直观。 而且，班主任还可以指导中学生运用之前学过的知识来分析实验数据。 分析和培养中学生的科学探究能力。
(4) 重力加速度
班主任给出了不同经度的重力加速度表，并提出问题：从这张表中你能得出什么推论？ （指导得出 g 随着经度减小而减小的结论）
(5)自由落体定律及其应用
班主任类比匀速直线运动公式，指导中学生推导出自由落体运动公式。
（六）课外发展
这里可以安排课外活动，鼓励中学生课后互相配合，用尺子测试反应时间。
八、案例分析与反思
①在教学过程的安排上，班主任从科学性原则出发，在熟悉教材的基础上，以生活中常见的跌倒现象为出发点，引出本节课的主题，并按照本节知识点的内在逻辑安排教学内容，并以问题的形式串联各个教学环节，使中学生进一步了解自由落体运动规律的探索过程，提高对自由落体运动规律的探索过程。中学生的逻辑思维能力。
②从探究性原则出发，在教学中，班主任充分利用演示实验来调动中学生的学习兴趣，引导中学生观察实验现象并提出合理推测，然后从中学生的猜测开始，带领中学生一步步探索自由落体运动的规律，充分发挥中学生的主体性，培养中学生的科学探究能力。
③班主任从直觉原理出发，在探索自由落体规律时，充分利用了软件的可视化能力，向中学生直观地展示了球下落的过程。 数据收集的效率。
从以上对“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，增强数据的准确性，而且其内置的数据分析功能也可以帮助朋友们快速掌握自由落体运动规律，节省大量教学时间，提高中学生信息化素质。
《自由落体》是作者利用软件改进热实验教学并付诸实践的第二堂课。 从实际教学情况来看，中学生对牛顿管演示实验非常感兴趣，参与讨论也非常热情。 而且，一些中学生已经能够更加熟练地运用它进行自主探究。 整个教学过程气氛十分活跃，师生之间交流充分。 对于数据表，我没有使用中学时的智能黑板进行演示，而是采用笔记本电脑投影的方式，将操作界面投影到屏幕上，以便旁边的中学生观看。
九、总结与展望
当前，信息技术与化学课程资源整合的研究是化学教育领域的热点话题。 本案例以说明信息技术应用于小学热学实验教学的通常模式，并设计相关案例，进行实际测试，取得了良好的疗效。
利用视频分析软件围绕信息技术与初级热实验的融合进行开发，明确了学校化学信息课程资源的普遍性和多样性，并通过视频分析软件分析了“自由落体”的新教学模式。
同时总结了实验教学中将采用的三种策略：
①以问题为线索，激发中学生参与实验、探索的热情，
② 利用多媒体资源丰富实验方法，突出实验的乐趣，
③充分发挥计算机技术优势，增强数据采集和处理能力。
教学案例实施结果表明，借助软件进行实验分析可以增强中学生的学习兴趣，帮助中学生更好地理解实验原理、掌握相关数学规律，有利于中学生的学习。有利于中学生学科核心素质的培养，也丰富了学校数学信息化课程资源。
为今后信息技术与化学实验教学的融合研究以及阐述适合信息技术与化学实验结合的常用教学模式提供思路； 使一些缺乏相应实验设备的校园能够更好地引导中学生开展实验探究活动，缓解教育资源的不平衡。
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，充分发挥软件的功能，为推动数学教学信息化贡献自己的绵薄之力。
参考
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湖北荆州旺县城昌县斑马湖小学数学教师秘书，从业16年，教学成果众多：荣获一名教师、一名优秀班主任、一名班主任、市级优秀班主任、小学优质班级教学竞赛省级银奖，多次荣获优秀教师、优秀班主任等荣誉称号，多次指导中学生在中学数学竞赛中获奖。 还曾担任名师工作室名师，培养指导多名青年班主任获奖。 多篇论文发表在权威杂志上。 主持或参加省、市级课题研究。
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