基于情境創(chuàng)設與實驗探究的課堂教學探討①
——以“曲線運動”教學為例

(江蘇省江陰市青陽中學，江蘇 無錫 214401)

1 引言

《普通高中物理課程標準(2017年版)》中將“物理觀念”列為高中物理學科核心素養(yǎng)的第一個方面，“物理觀念”所包含的一個要求是:會用物理觀念解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題。要做到這一點，必須強化物理知識與實踐情境的關聯(lián)，提高學生把物理知識與實踐情境進行聯(lián)系的自覺性，增強學生的實踐意識。

在目前的教學實踐中，由于種種因素，部分教師往往把課堂重點放在講解所學概念的含義、理解該概念需要的注意點等方面，即將精力放在知識的應用上，而忽視了知識的建構過程，甚至把新授課上成了復習課。這與課標的理念是背道而馳的，課標要求教學活動尊重學生的認知規(guī)律，重視知識的建構過程，基于情境創(chuàng)設和實驗探究，將學生的“學”由“被動接受”向“主動建構”轉變，使學科教學的目標從“知識本位”向“核心素養(yǎng)本位”轉變，這樣才能充分彰顯物理學科的育人價值。

“曲線運動”是人教版高中物理必修二第五章第1節(jié)的內容，它為學生學習本章的知識和方法奠定基礎。通過之前必修一模塊直線運動、牛頓運動定律的學習，學生在運動學和動力學兩個方面，都已經為曲線運動的學習儲備了必要的知識和能力基礎，同時，學生在生活中已經具有比較豐富的關于曲線運動的感性認識。筆者基于這樣的學情、學習任務以及對新課程理念的理解，在“曲線運動”的教學中，試圖基于情境創(chuàng)設和實驗探究進行教學設計。

2 “曲線運動”的教學設計

2.1 教學引入

教學片斷1

觀看視頻，展示不同情境下物體在做曲線運動，要求學生注意觀察視頻中物體的運動軌跡，通過學生的描述，引出本節(jié)課的課題:曲線運動。要求學生根據(jù)自己的生活體驗和所學知識，再舉出一些曲線運動的例子，大到天體的運動，如地球繞太陽公轉，小到微觀粒子的運動，如電子繞原子核運動，再到生活中的足球、煙花、汽車、輪船等等，進一步點明本節(jié)課的研究主題:生活中無處不在的曲線運動。

明確研究思路，研究機械運動時都是先從運動學的角度進行描述，知道物體做怎樣的運動;然后再從動力學的角度進行分析，知道物體做這種運動的原因，這是由現(xiàn)象到本質、由表及里的研究過程，我們也按照這一思路來研究曲線運動。

通過播放比較熟悉的視頻，讓學生進入生活情境，回憶生活體驗，從而能夠比較自然地明確曲線運動的定義，再根據(jù)定義，回顧生活中的類似情境，體現(xiàn)了情境——思維——情境的教學策略，有利于學生深入理解情境并能夠抽象情境，基于情境又能夠跳出情境，幫助學生逐步形成提取信息、建立模型的能力。

2.2 教學展開

教學片斷2

教師水平拋出一塊橡皮，要求學生觀察橡皮的運動軌跡。將其軌跡用曲線呈現(xiàn)在PPT中(如圖1)，用有向線段表示出不同時間內的位移。引導學生進行情境對比:在研究直線運動的時候，位移的大小在改變，但是方向不變，因此，可以用一維坐標系來進行描述。那么，對于曲線運動，還能用一維坐標系描述嗎?應該建立怎樣的坐標系?

圖1

學生通過思考與討論，認為曲線運動的位移方向在不斷變化，由于位移是矢量，可以跟力一樣運用平行四邊形法則來對其進行分解和合成，即用坐標軸上的兩個直線分矢量來將這個方向不斷變化的位移表達出來。

通過分析橡皮拋出后的運動軌跡，可以抽象出研究問題：如何描述曲線運動？教師對學生的思考和討論進行提煉：曲線運動的位移方向與之前研究的直線運動存在很大的差異，因此，需要引入新的研究工具和研究方法，即二維坐標系和“化曲為直”的思想方法。

教學片斷3

教師手持細線牽拉小布偶使其旋轉，要求學生觀察小布偶的運動情況。當教師分別在不同的位置松手時，小布偶沿不同的方向飛向不同的學生。教師引導學生分析得出:做曲線運動的物體在不同位置的速度方向不同。確定布偶在某一位置的速度方向，最大的困難是無法及時記錄，那我們該如何解決這個問題呢?

教師演示實驗，如圖2所示，將用印泥染色的小鋼球從斜槽上滾動下來后，在水平面內的白紙上做直線運動，并在白紙上留下了軌跡。

直線運動的速度方向，沿著軌跡的方向標注出來就可以了(如圖3)。對于不易直接觀察、記錄的速度的方向，可以借助于小球留下的軌跡反映出來，即運用轉換法。教師引導學生回顧生活，大家常用到這種研究方法，例如:風向無法直接觀察，但是通過看樹葉飄落和國旗飄揚等，就能判斷出風的方向。

圖2

圖3

教師在黑板上畫出一條如圖4所示的曲線軌跡，表示某物體沿該曲線軌跡由A點途經B點運動到C點。學生猜想各點的速度方向與曲線軌跡之間的幾何關系應該是相切，教師引導學生通過實驗來驗證猜想。

圖4

學生進行分組實驗，如圖5所示，將染色小鋼球從斜槽上釋放，獲得初速度的小鋼球沿著弧形板內側做曲線運動，離開弧形板后，小球做直線運動，先后在白紙上留下了曲線痕跡和直線痕跡。然后通過拼裝弧形板并重復剛才的實驗來完成驗證。為了便于更好地觀察實驗，更好地感知切線方向，實際實驗操作過程可優(yōu)化為“卸裝弧形板”來進行實驗，借助于軌跡確定了小鋼球在作曲線運動的過程中經過A、B、C、D時的速度方向。學生通過動手做實驗，驗證了自己的猜想。

圖5

教師展示如圖6所示的圖片，引導學生運用極限思想，從理論上進一步探討做曲線運動的物體在某一點的速度方向，的確是沿軌跡上該點的切線方向，從而將實驗結論上升為規(guī)律來進行推廣應用。

圖6

教師展示如圖7所示的圖片，提出問題:為什么騎車男士的背上會甩滿泥漿?該如何設計擋泥板?學生根據(jù)剛才的學習，很順利地進行了解釋，并提出了合理的擋泥板設計方案(如圖8)。

圖7

圖8

教師設計了具有邏輯性的自主探究實驗，讓學生經歷了實驗探究的過程:觀察現(xiàn)象、提出猜想、實驗驗證、理論推理、解釋現(xiàn)象、實踐應用等。這樣的探究過程不僅關注了學生知識的學習，更加關注了學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

教學片斷4

教師提出問題:物體做曲線運動的條件是什么?

學生提出了不同的觀點，如有學生根據(jù)生活經驗和剛才的實驗觀察，認為物體做曲線運動的條件是合力不為零，有學生提出了異議，并舉出了反例。經過反復討論，學生逐步形成了比較統(tǒng)一的猜想:物體所受合力的方向與其速度方向不在同一直線上。

教師引導學生通過實驗來驗證猜想，如圖9所示，要求學生利用條形磁鐵、小鋼球、斜槽、印泥等材料，自主探究物體做曲線運動的條件。學生在實驗中通過改變條形磁鐵的位置、距離等，在熱烈的討論中逐步驗證了自己的猜想。教師進一步引導學生將此結論用來解釋其他曲線運動，如:水平拋出的粉筆頭、弧形軌道內運動的小球、繞地球運轉的月亮等等，均符合這一結論：物體所受合外力方向與速度方向不在同一條直線上。

圖9

教師通過設計邏輯清晰的學生分組實驗，讓學生自主探究物體做曲線運動的條件。實際上該分組實驗更具有探究性和挑戰(zhàn)性，首先，條形磁鐵放置的位置存在較多的可能性:在小鋼球速度方向的正前方、正后方、側向等;其次，在實驗操作中，剛開始有的同學無論將磁鐵放在哪個方位，均未能觀察到鋼球做曲線運動，經反復討論后，運用控制變量法進行排查，通過調整磁鐵與小鋼球的距離(增大吸引力)以及降低小鋼球在斜槽上的高度(減小速度)，成功地使小鋼球做曲線運動。該分組實驗讓學生在經歷實驗探究的過程中，學會了合作與交流，學會了分析與表達，并有效地增強了證據(jù)意識，該分組實驗取得了良好的教學效果，充分體現(xiàn)了培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的課程理念。

3 結語

要培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)，不能夠只停留在理論層面，不應該只是少數(shù)精英教師的小眾實踐，需要我們一線教師從立德樹人的高度，認真領會課程標準的理念，并在教學實踐中落實。通過情境創(chuàng)設和實驗探究等方式，精心設計系列的學習和實踐活動，讓學生在分析和解決真實問題的過程中發(fā)展核心素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力。