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.1STEAM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.
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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
美好生活评价有明显的优势，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] 阎元红.基于开阔背景下的原始物理问题探析[J].教 学与管理,2003(19) :60-61.
[3] 杨蕾，胡银泉.论中学物理教学中引人原始问题的重 要性[•!].物理教学探讨,2015(09) :9 - 10 + 13.
[4] 邢红军，石尧.原始物理问题教学：一个本土化教学理 论的创生[J].教育学术月刊,2016(09) :83 - 90.
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(收稿日期:2020 -11 -26)
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2021年3月Vol . 39 No . 05 中学物理
S T E A M 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S T E A M 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 S T E A M 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S T E A M 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S T E A M 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S T E A M 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
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.
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图2
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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.S T E A M 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 S T E A M 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 S T E A M 教 学设计很重要.
2.3 实验步骤及数据拟合处理
在纯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25c m ，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、Q Q 、A P P 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 ”，单 击菜单中的自动追踪，根据提示将红方形虚线框缩
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中学物理 V〇1.39 No.052021年3月
小到刚好容纳小球的大小，单击搜索按钮，追踪分析 视频得到结果如图3所示.
(4)在图3右侧上方波形上点鼠标右键，选择“分 析”一“拟合”，选择拟合曲线为+/1
刘红英处理结果+ C)，设置合理参数后得到图4所示的拟合结果.从 图4看出拟合曲线与实际测量数据点吻合得相当好，其初始位移偏差％ =3.086 x 10_3m，相位C = 1. 136, 振幅4 =3.261 x 10 2m.从图4波形中得出其周期r =Is.根据单摆周期公式，摆长25c m的单摆，其周期
为T=2t
图3
3 S T E A M教育理念下实验结果分析
改进后的实验比原先的更能体现综合性和新颖 性，需要学生运用多学科素养才能开展探究，体现跨 学科特性.实验数据的采集由计算机完成，精度高，误 差小，实验结果直观.在实验设计方面，基于STEAM 教育理念，结合工程、信息技术及数学知识进行设计 并开展探究，所涉及的S T E A M知识见表1.与传统基 于“沙漏”的实验相比，学生花费更多时间进行自主思 考与探究，培养了学生的创新能力、数字化实验能力，
图4
激发了学生的学习热情，调动学生学习的积极性.改 进后的实验方案简单易行，可让学生在课堂合作探 究：一个学生拿着单摆在黑板前摆动，另一个学生用 手机（相机)拍摄短视频，然后由学生导人电脑进行数 据拟合，处理过程与结果直接通过多媒体展示给全班 学生.真正实现了信息技术与传统实验技术的整合, 培养学生合作探究精神和能力，有利于学生将理论知 识的学习与实践探究更好地结合.
表1实验中用到的STEAM学科知识
科学(S)技术
(T)
工程
(E)
艺术
(A)
数学
(M)辅舒良
简谐振动规律：动力学知识视频传输和导入；Tracker
视频追踪软件的数据拟合
处理
摆球和摆绳的选择；黑板上
标尺的刻画；控制好单摆在
平行于黑板的面内摆动；短
视频的拍摄
设计实验课的宣传海报；实
验报告的规范设计等
北美论坛 小说
根据实验测得的数据点的分
布规律选择恰当的数学函数
进行拟合，并根据拟合结果
分析运动规律
基于S T E A M教育理念的物理实验在课程设计和 教学质量上均有明显优势，但改进后的物理实验，课 程任务周期长，占用教学时间多，而且需要教师和学 生熟悉技术和工程方面的知识，这使得S T E A M教育 理念在当前阶段难以得到广泛应用，因此，可将其作 为综合实践类和探究类物理实验课程开设.
4结束语
基于S T E A M教育理念的物理实验与传统常态物 理实验不同，它不再限于学科本身，而是将技术、工 程、艺术和数学与高中物理相结合.S T E A M理念不仅体现在实验方案的选择、实验装置的设计上，也体现
在实验过程中，鼓励学生通过合作与交流进行探究，把学生的学习和跨学科课程设计相结合，为探究基础
物理实验教学的创新和改革提供新思路与新方向.
参考文献：
[1]段雨薇.探索ST E A M教育项目样态助推科技教育创新变革[J].中学物理，2019,37(23) :5 -8.
[2]段雨薇.基于ST E A M理念的物理实验课程实践——ST E M教育视角下《超重》教学案例[J].中学物理，20〗8,36 (23) ：44 -47.
(收稿日期：2020-11 -11)
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