促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)
——以“實(shí)驗(yàn):探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”為例

曹 會(huì)

(江蘇省外國語學(xué)校,江蘇 蘇州 215104)

深度學(xué)習(xí)是指在教師引領(lǐng)下,學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題,全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程,[1]具有注重批判理解、強(qiáng)調(diào)內(nèi)容整合、促進(jìn)知識(shí)建構(gòu)、著意遷移運(yùn)用等特征.[2]觀察、實(shí)驗(yàn)與科學(xué)思維相結(jié)合,是物理學(xué)科的基本特征,[3]此特征也正體現(xiàn)了伽利略創(chuàng)生的“實(shí)驗(yàn)+邏輯推理”為核心的科學(xué)思維方式和科學(xué)研究方法.

為達(dá)成學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展,依托實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程,踐行深度學(xué)習(xí)理論,抓住物理學(xué)的基本特征進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),是比較有效的教學(xué)途徑.

基于此,筆者結(jié)合平拋運(yùn)動(dòng)課堂教學(xué)的多年實(shí)踐,整合多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,著意實(shí)驗(yàn)情境的演進(jìn)和遷移,針對(duì)新課標(biāo)、人教版新教材“實(shí)驗(yàn):探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”一課,進(jìn)行了創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì).

1 研讀新課標(biāo),制定教學(xué)新目標(biāo)

1.1 課標(biāo)要求

通過實(shí)驗(yàn)(已列為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)),探究并認(rèn)識(shí)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.會(huì)用運(yùn)動(dòng)合成與分解的方法分析平拋運(yùn)動(dòng).體會(huì)將復(fù)雜運(yùn)動(dòng)分解為簡單運(yùn)動(dòng)的物理思想.[4]

1.2 教學(xué)目標(biāo)

(1) 物理觀念:理解拋體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)物理概念,知道平拋運(yùn)動(dòng)水平方向和豎直方向運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),進(jìn)一步在平拋運(yùn)動(dòng)中應(yīng)用運(yùn)動(dòng)與相互作用觀.

(2) 科學(xué)思維:能夠從實(shí)際運(yùn)動(dòng)中抽象和構(gòu)建出拋體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)理想化物理模型,會(huì)利用運(yùn)動(dòng)分解的思路分析平拋運(yùn)動(dòng),會(huì)從對(duì)比和定量分析等角度對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)論證,對(duì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出質(zhì)疑及評(píng)價(jià),進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì).

(3) 科學(xué)探究:能夠快速聚焦平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)探究中的核心問題及研究思路,提出水平和豎直方向運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的合理猜想和假設(shè),會(huì)設(shè)計(jì)多種實(shí)驗(yàn)方案收集平拋運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象及數(shù)據(jù),利用師生合作和同伴互助等方式完成實(shí)驗(yàn)操作,在師生的交流評(píng)價(jià)中正確描述和論證實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

(4) 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的探究充滿好奇,全身心積極參與、體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的全過程,體會(huì)將復(fù)雜運(yùn)動(dòng)分解為簡單運(yùn)動(dòng)思想的科學(xué)本質(zhì),體會(huì)探究成功的快樂.

2 研讀新教材,優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教材剖析

人教版新教材必修2把“平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”的位置作了調(diào)整,置于“拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”之前,“運(yùn)動(dòng)的合成與分解”之后,這樣的調(diào)整更符合人們認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,也凸顯了實(shí)驗(yàn)教學(xué)地位.為了充分體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)探究的重要過程,體現(xiàn)完成探究任務(wù)可以有不同方法的思想,新教材并沒有直接給出非常確定的操作方案和程序,[5]而是給出兩個(gè)理念層面的實(shí)驗(yàn)方案,方案均以比較開放式的問題串形式展開,還給出了一個(gè)較為傳統(tǒng)的“參考案例”(舊版本3個(gè)案例)和一個(gè)“拓展學(xué)習(xí)”案例(舊版本“做一做”欄目),兩個(gè)案例方法的內(nèi)核均指向“軌跡法”,“練習(xí)與應(yīng)用”中以開放性習(xí)題形式呈現(xiàn)了一些其他研究方法.

2.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

操作方案的不確定性和案例的參考性,給師生帶來更大操作空間的同時(shí),也無疑增加了“教學(xué)方案”落地的挑戰(zhàn)性.挑戰(zhàn)性還在于傳統(tǒng)方案“軌跡法”的太過粗糙性,“頻閃照相法”課堂教學(xué)的不可操作性,錄制視頻“視頻分析法”技術(shù)說明的空白性.

這些挑戰(zhàn),需要教師對(duì)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)精心設(shè)計(jì),需要師生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案逐步細(xì)化和對(duì)案例合理優(yōu)化,需要學(xué)生全身心積極參與式的深度學(xué)習(xí).

2.2.1 直奔主題,明確實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容——平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)引入:手持小鐵球從靜止?fàn)顟B(tài)自由釋放,在空氣阻力可以忽略的情況下,小鐵球的運(yùn)動(dòng)可視作自由落體運(yùn)動(dòng).小鐵球拋出時(shí)若給以一定初速度,物體只受重力作用,這個(gè)運(yùn)動(dòng)叫做拋體運(yùn)動(dòng),如果初速度是沿水平方向的,這樣的拋體運(yùn)動(dòng)就叫做平拋運(yùn)動(dòng).

聚焦問題:我們?cè)?jīng)通過實(shí)驗(yàn)的方法得到自由落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和規(guī)律,那么平拋運(yùn)動(dòng)的速度和位移隨時(shí)間的變化規(guī)律又是怎樣呢?又如何得到呢?我們本節(jié)課就來一起探究物體做平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn).

2.2.2 循循善誘,理清實(shí)驗(yàn)研究思路——運(yùn)動(dòng)的分解

問題導(dǎo)入:還記得在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中,我們采取“控制變量”的實(shí)驗(yàn)研究思路,那么對(duì)平拋這種曲線運(yùn)動(dòng),我們將采取怎樣的研究思路呢?

學(xué)生受到前一節(jié)知識(shí)的影響,容易回答出:“采用運(yùn)動(dòng)分解的處理思路,即‘化曲為直’的思想方法”.但分解到哪兩個(gè)方向,不能強(qiáng)加給學(xué)生,教師要進(jìn)行合理引導(dǎo),使科學(xué)思維發(fā)展的過程變得“水到渠成”.

啟發(fā)追問:我們已經(jīng)知道平拋運(yùn)動(dòng)的物體是沿著水平方向拋出,并在運(yùn)動(dòng)過程中只受到豎直向下的重力作用,那么將這個(gè)運(yùn)動(dòng)分解到哪兩個(gè)方向進(jìn)行研究更為合理呢?從動(dòng)力學(xué)角度推測(cè)這兩個(gè)方向又可能是怎樣的運(yùn)動(dòng)呢?

學(xué)生根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)初速度和受力方向特點(diǎn)容易回答出:“將平拋運(yùn)動(dòng)分解為水平方向的分運(yùn)動(dòng)和豎直方向的分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究,水平方向具有初速度且不受力應(yīng)該是勻速直線運(yùn)動(dòng),豎直方向初速度為零且只受重力應(yīng)該是自由落體運(yùn)動(dòng)”.

2.2.3 鑒古通今,初探實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案——對(duì)比實(shí)驗(yàn)法

圖1

情景再現(xiàn):如圖1所示,是著名的伽利略比薩斜塔自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)被評(píng)為十大最美麗實(shí)驗(yàn)之一,其巧妙之處在于利用了對(duì)比研究法,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一目了然.

遷移提問:探究平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),是否也可以借用這種方法呢?如果可以,設(shè)計(jì)怎樣的實(shí)驗(yàn)裝置?

方案交流:可以利用對(duì)比的方法,控制兩小球同時(shí)從同一高度開始平拋運(yùn)動(dòng)和自由落體運(yùn)動(dòng),觀察它們下落是否同步.

實(shí)驗(yàn)方案:教師演示實(shí)驗(yàn)裝置“運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性實(shí)驗(yàn)器”如圖2所示,A小球沿傾斜軌道滾下,滾到水平段獲得水平速度,運(yùn)動(dòng)到水平軌道末端時(shí)通過觸發(fā)開關(guān)使B小球開始下落,直接觀察兩小球是否同時(shí)著地.

圖2

俄國著名教育學(xué)家烏申斯基說過:“比較是一切理解和思維的基礎(chǔ),我們正是通過比較來了解世界上的一切.”本環(huán)節(jié)正是運(yùn)用對(duì)比研究的實(shí)驗(yàn)方法來確定A、B兩小球在豎直方向運(yùn)動(dòng)的一致性,為進(jìn)一步抽象概括平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律做好準(zhǔn)備.

2.2.4 揭示問題,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)觀察方法——視頻分析法

揭示問題:在圖2的實(shí)驗(yàn)中,A、B兩小球著地時(shí)速度很快,你真看清兩球同時(shí)著地了嗎?是否可以改進(jìn)觀察方法,若使學(xué)生能夠看到下落過程中兩小球始終保持同步,會(huì)更具說服力.

方案交流:自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中我們?cè)?jīng)利用過頻閃照相的研究方法,本實(shí)驗(yàn)可以借助類似的思想,通過錄制視頻,然后逐幀播放再現(xiàn)兩小球運(yùn)動(dòng)過程.

錄制方案:使用單反數(shù)碼相機(jī)(佳能5D Mark III)的M檔進(jìn)行視頻錄制(快門1/4000 s,ISO500,光圈4.0),采用高清每秒30幀視頻錄制模式.[6]

觀察方法:運(yùn)用播放軟件QuickTime對(duì)小球下落的視頻逐幀播放(鍵盤上左右方向鍵控制),選每一幀作為一個(gè)計(jì)數(shù)幀,視頻分析截圖如圖3.

圖3 視頻截圖

通過視頻分析表明,平拋運(yùn)動(dòng)豎直方向分運(yùn)動(dòng)為自由落體運(yùn)動(dòng).

2.2.5 合作探究,親歷實(shí)驗(yàn)探究過程——等時(shí)描點(diǎn)分析

跟進(jìn)提問:我們已經(jīng)通過演示實(shí)驗(yàn)探明,平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向的分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng),那水平方向真的是勻速直線運(yùn)動(dòng)嗎?如何通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明,請(qǐng)大家利用桌面上的器材(2154型平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)器,如圖4)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).

圖4 平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)器

圖5 實(shí)驗(yàn)記錄紙

方案交流:按照1∶4∶9∶25∶36∶49比例設(shè)置接球板豎直高度,控制每兩次記錄點(diǎn)間時(shí)間間隔相等,描繪出小球落點(diǎn)位置,觀察水平間距是否相等.

實(shí)驗(yàn)方案:學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),利用坐標(biāo)紙(毫米分度)作為平拋運(yùn)動(dòng)參考系,調(diào)節(jié)底座上調(diào)平螺釘使圖板處于豎直平面,每次讓鋼球從定位器前開始滾下,逐次將接球板從上到下以如表1中高度承接鋼球(由于裝置部件的限制,0.5 cm高度無法測(cè)量),鋼球在接球板上的落點(diǎn)用筆記錄在坐標(biāo)紙上(也可直接觀察接球板上小球落點(diǎn)位置印記的分布).

某一實(shí)驗(yàn)小組實(shí)驗(yàn)記錄如圖5,各點(diǎn)的位置坐標(biāo)記錄如表1.

表1 各記錄點(diǎn)的位置坐標(biāo)及水平間距(落點(diǎn)印記相對(duì)較大不再估讀)

各組數(shù)據(jù)處理表明,在誤差允許范圍內(nèi)小球在相等時(shí)間間隔內(nèi)水平位移相等,即小球在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng).

2.2.6 深度探究,聚焦實(shí)驗(yàn)視頻分析——全面定量研究

深度分析:通過視頻分析發(fā)現(xiàn),對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究法雖好,但對(duì)圖2實(shí)驗(yàn)裝置中觸發(fā)開關(guān)的斷電時(shí)間要求較為苛刻,可能會(huì)造成平拋運(yùn)動(dòng)小球與自由下落小球下落不同步的現(xiàn)象,若能通過實(shí)驗(yàn)直接對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量研究,計(jì)算出平拋運(yùn)動(dòng)豎直下落的加速度大小,與重力加速度比對(duì),會(huì)更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氐贸鼋Y(jié)論.

方案交流:錄制單個(gè)小球平拋運(yùn)動(dòng)的視頻,通過視頻分析法定量分析運(yùn)動(dòng)情況,利用位移差公式求出豎直方向運(yùn)動(dòng)的加速度.

實(shí)驗(yàn)方案:本方案對(duì)數(shù)據(jù)精確性要求較高,多次實(shí)驗(yàn)表明平拋小球要足夠小(直徑2 mm左右為宜),小球下落距離限制在10 cm內(nèi).自制平拋運(yùn)動(dòng)演示器如圖6,利用不銹鋼彎吸管作為小球加速軌道(口徑5 mm),輔助重錘線和水平儀對(duì)坐標(biāo)紙、吸管水平端進(jìn)行校準(zhǔn).

圖6 自制的平拋運(yùn)動(dòng)演示器

使用每秒60幀視頻錄制模式,運(yùn)用播放軟件對(duì)小球下落的視頻逐幀播放,選每一幀作為一個(gè)計(jì)數(shù)幀,課堂教學(xué)時(shí)師生借助白板共同讀取并標(biāo)記小球位置.某次實(shí)驗(yàn),小球位置如圖7所示(因版面需要,小球7幀照片已整合在一起),坐標(biāo)如表2(估讀的精確性很重要,讀數(shù)時(shí)可以采取放大后二次測(cè)量的方法[6]),本實(shí)驗(yàn)可進(jìn)一步描點(diǎn)繪制平拋運(yùn)動(dòng)軌跡.

圖7 小球平拋運(yùn)動(dòng)軌跡圖

表2 各記數(shù)幀小球的位置坐標(biāo)及數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理表明,在誤差允許范圍內(nèi),小球相等時(shí)間間隔內(nèi)水平位移Δxn近似相等(1.8 cm～1.9 cm),相等時(shí)間間隔內(nèi)的豎直方向位移之差ΔY近似為一定值(0.3 cm左右).進(jìn)一步通過逐差法可求出豎直方向加速度為9.96 m/s2,可認(rèn)為豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng).

誤差分析:多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),所求得的加速度均比實(shí)際值偏大,且隨著小球下落高度的變大,水平位移Δxn和豎直方向位移之差ΔY均有變大的趨勢(shì),原因可能來自于： (1) 拍攝運(yùn)動(dòng)小球時(shí),相機(jī)無法做到“平視”讀取小球位置,為獲得位置坐標(biāo)的清晰圖像,相機(jī)離小球運(yùn)動(dòng)平面較近,小球離坐標(biāo)紙總有一定距離,在下落過程中小球的位置變化量隨著視角的變化被“放大”; (2) 隨著小球速度變大,在相機(jī)曝光時(shí)間內(nèi)小球圖像被虛化變形甚至有輕微拖影,均會(huì)造成讀數(shù)誤差; (3) 小球運(yùn)動(dòng)平面與坐標(biāo)紙平面很難完全平行,也會(huì)造成誤差.

3 小結(jié)

本案例是基于新課標(biāo)、新教材,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的一次嘗試,也是“多元化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的整合”[7]、“核心素養(yǎng)為主旨,學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo),情境演進(jìn)為主線”為核心框架的“四主”教學(xué)模式[8]在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的綜合應(yīng)用.

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特別學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué),往往會(huì)出現(xiàn)把學(xué)生拉到實(shí)驗(yàn)室“放羊式”走過場(chǎng),或者教師播放實(shí)驗(yàn)錄像取而代之等現(xiàn)象,這與物理學(xué)科的基本特征不符合,只關(guān)注結(jié)論,忽視了實(shí)驗(yàn)過程的獨(dú)特育人功能.要改變這種現(xiàn)狀,只有讓促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的科學(xué)探究學(xué)習(xí)方式在實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中真正發(fā)生.

立足于新課標(biāo)、新教材,如何促進(jìn)深度學(xué)習(xí)對(duì)實(shí)驗(yàn)課堂進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),筆者認(rèn)為需要教師做好以下幾個(gè)方面: (1) 研讀新課標(biāo),制定指向核心素養(yǎng)的高階思維發(fā)展目標(biāo),引導(dǎo)學(xué)生逐步達(dá)成; (2) 研讀新教材,細(xì)化清晰的實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容及方案,引導(dǎo)學(xué)生積極探究; (3) 整合教學(xué)資源,創(chuàng)設(shè)真實(shí)有序的實(shí)驗(yàn)情境及問題,引導(dǎo)學(xué)生批判建構(gòu); (4) 優(yōu)化師生活動(dòng),保持持續(xù)的反饋交流和評(píng)價(jià),引導(dǎo)學(xué)生深度反思.