STEM理念下高中物理深度學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計
——以“探究斜拋運(yùn)動”為例

趙紹明 楊大湖 江維源

（廈門市海滄中學(xué)，福建 廈門 361026）

1 問題背景

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年修訂版）》中提出要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力，引導(dǎo)學(xué)生形成探究意識和科學(xué)思維，學(xué)會正確運(yùn)用知識解決問題，最終實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí).［1］

深度學(xué)習(xí)是指學(xué)生在教師引領(lǐng)下圍繞著相關(guān)的學(xué)習(xí)主題，積極的參與、體驗(yàn)、獲得有發(fā)展意義的學(xué)習(xí)過程.深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)知識與能力、方法、思維的統(tǒng)一，是一種基于學(xué)習(xí)者已有經(jīng)驗(yàn)的遷移學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動參與、積極建構(gòu)，是形成學(xué)生核心素養(yǎng)的基本途徑.［2］STEM教學(xué)理念是培養(yǎng)提升學(xué)生核心素養(yǎng)，走向深度學(xué)習(xí)的有效途徑.STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多學(xué)科的綜合整合，強(qiáng)調(diào)在讓學(xué)生應(yīng)用多學(xué)科知識解決具體問題.STEM教學(xué)模式注重多學(xué)科知識的關(guān)聯(lián)，更注重知識與生活的聯(lián)系和知識的靈活應(yīng)用.［3］

本文以“探究斜拋運(yùn)動”為例，以斜拋運(yùn)動的規(guī)律和射程為主線，滲透STEM在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用，讓學(xué)生學(xué)會運(yùn)用多種方法解決問題.

2 教學(xué)背景

生活中的斜拋運(yùn)動隨處可見，斜拋運(yùn)動是在學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)動的合成與分解、平拋和上拋等運(yùn)動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化運(yùn)動合分思維的典型實(shí)例.通過平拋運(yùn)動的學(xué)習(xí)，學(xué)生通過類比可以處理同一高度的斜拋運(yùn)動，但是針對不同高度的斜拋運(yùn)動的射程，難度比較大，尤其是斜拋的射程與多個因素有關(guān)，是高中物理學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，因此通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)軟件模擬來分析斜拋運(yùn)動，這種處理學(xué)生更容易接受.運(yùn)用不同方法的整合來處理復(fù)雜的問題，是培養(yǎng)學(xué)生形成創(chuàng)新思維的有效方法.

3 教學(xué)過程

3.1 利用Vernier Video Physics軟件輔助處理斜拋運(yùn)動

用手機(jī)拍攝學(xué)生的鉛球投擲過程，并用Vernier Video Physics軟件追蹤鉛球的運(yùn)動軌跡，快速得到鉛球的運(yùn)動軌跡，如圖1所示.軟件自動對視頻中的鉛球定位，將運(yùn)動的物體以視頻慢動作呈現(xiàn)，并采集不同時刻的鉛球的位置.通過運(yùn)動軌跡引導(dǎo)學(xué)生思考分析鉛球的受力情況、運(yùn)動情況，最終得到斜拋運(yùn)動的概念，為研究斜拋運(yùn)動做好鋪墊.

圖1 鉛球運(yùn)動軌跡擬合

以鉛球的拋出點(diǎn)對應(yīng)地面的點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，創(chuàng)建坐標(biāo)來分析運(yùn)動，然后能快捷得到運(yùn)動對象的x-t、y-t和v-t圖像，如圖2、3所示.從圖像中容易分析出斜拋運(yùn)動的規(guī)律.

圖2 鉛球水平方向x-t和vx-t圖像

圖3 鉛球豎直方向y-t和vy-t圖像

思考1：結(jié)合圖像，斜拋運(yùn)動有何特征？

思考2：如何從圖像計算重力加速度的大小？如何計算該同學(xué)拋射鉛球的速度？

思維提升：在傳統(tǒng)的教學(xué)中學(xué)生處理曲線運(yùn)動都能很快想到將運(yùn)動分解為兩個運(yùn)動，但是為什么要分解、怎么分解，學(xué)生缺乏直接體驗(yàn)，甚至在解決問題時容易形成固定思維，這不利于學(xué)生的思維發(fā)展.Vernier Video Physics軟件將數(shù)形相結(jié)合，在解決問題的同時增強(qiáng)體驗(yàn)感，提升學(xué)生讀圖、識圖、用圖解決問題，不僅增加直觀體驗(yàn)，而且將處理問題的方法和思維可視化.學(xué)生親自參與活動，經(jīng)歷知識的形成過程，并能在課下通過手機(jī)還原實(shí)驗(yàn)，從課堂學(xué)習(xí)走向課外實(shí)踐.

教學(xué)反思：隨著智能手機(jī)性能和技術(shù)的迅速發(fā)展，手機(jī)傳感器為物理實(shí)驗(yàn)提供了新的思路.軟件在分析一些問題上能顯示極大的優(yōu)勢，能有效助力物理課堂.手機(jī)傳感器不僅對一些物理量的測量更加準(zhǔn)確且效果顯著，同時讓學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)更增強(qiáng)體驗(yàn)感.學(xué)生在課堂下即能通過手機(jī)完成實(shí)驗(yàn)探究，打破物理實(shí)驗(yàn)的局限性，為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)提供條件.

從學(xué)生熟悉的體育運(yùn)動引入概念，通過視頻慢放并描述斜拋運(yùn)動的軌跡，學(xué)生參與探究引入過程.學(xué)生通過生活情境遷移、聯(lián)想，真正做到從生活中學(xué)習(xí)物理.學(xué)生在此基礎(chǔ)上提出問題：斜拋運(yùn)動有何特點(diǎn)？如何處理斜拋運(yùn)動？通過情境引入問題更加順暢，而且學(xué)生積極參與體會更加深刻.

智能手機(jī)不僅改變?nèi)藗兊纳?，也拓展了教學(xué)手段和教學(xué)思路.相對于DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)室，智能手機(jī)實(shí)驗(yàn)功能雖弱但所受的局限更小，一些實(shí)驗(yàn)條件有限的地區(qū)可以結(jié)合智能手機(jī)軟件改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生體會新型的實(shí)驗(yàn)手段，逐步推進(jìn)教育的信息化和多元化.

3.2 用斜拋儀探究斜拋運(yùn)動的射程

在上述環(huán)節(jié)中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下已經(jīng)能建立斜拋運(yùn)動的模型，從平拋運(yùn)動的方法遷移到斜拋運(yùn)動.但是生活中的實(shí)際的斜拋運(yùn)動拋出點(diǎn)與落點(diǎn)一般不在同一高度，如何探究不在同一高度下斜拋運(yùn)動的射程與拋射角的關(guān)系呢？采用自制的拋射儀，通過控制擋位控制彈射球的彈射速度，改變拋射儀的角度探究不同角度情況下的射程與拋射角的關(guān)系.

（1）同一水平高度下的射程與拋射角的關(guān)系（圖4）.

圖4 同一水平高度下的射程與拋射角的關(guān)系

將拋射儀的拋射口調(diào)整到與桌面在同一水平高度，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，可以清楚看到，在同一水平高度，在45°時比30°和60°拋射距離更遠(yuǎn).實(shí)驗(yàn)結(jié)論與理論推導(dǎo)相互驗(yàn)證，讓學(xué)生從理論和實(shí)驗(yàn)兩個角度深度體驗(yàn)物理規(guī)律的形成.

思考3：如果拋出點(diǎn)和落點(diǎn)不在同一高度，45°還是最遠(yuǎn)嗎？

（2）不同高度下的射程與拋射角的關(guān)系（圖5）.

圖5 不同高度下射程與拋射角的關(guān)系

在上述探究的基礎(chǔ)上，如果拋出點(diǎn)和落地點(diǎn)不在同一高度，很多學(xué)生會經(jīng)驗(yàn)性的以為45°依舊是拋射距離最遠(yuǎn).在此基礎(chǔ)上，利用自制斜拋儀演示在不同高度下的射程，打破學(xué)生對斜拋運(yùn)動射程的誤解，讓學(xué)生深度理解斜拋運(yùn)動的射程的影響因素.

通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)不同高度時，40°比45°拋射更遠(yuǎn)，基于證據(jù)推理，落實(shí)核心素養(yǎng)，引發(fā)學(xué)生深度思考.

思維提升：通過實(shí)驗(yàn)探究2，學(xué)生重新認(rèn)識拋體運(yùn)動的射程，修正了學(xué)前觀念.學(xué)生的認(rèn)知障礙突破正是提升思維和走向深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵時機(jī)，教師可以在此基礎(chǔ)上深度設(shè)問.

（1）拋出點(diǎn)和落點(diǎn)的高度差相同，不同的拋射速度，最佳拋射角相同嗎？

（2）同一拋射速度，拋出點(diǎn)和落點(diǎn)的高度差，對拋射角有何影響？如何探究？

教學(xué)反思：實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生探究思維和實(shí)驗(yàn)態(tài)度的最佳方式，學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)過程中基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證據(jù)分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.從淺層學(xué)習(xí)走向深度學(xué)習(xí).兩次不同的拋射距離的探究為學(xué)生突破思維障礙搭建了腳手架，促成思維進(jìn)階.

通過自制簡單實(shí)驗(yàn)教具是突破學(xué)生思維障礙的有效手段，學(xué)生在學(xué)中悟、動中思、探中達(dá).自制教學(xué)教具實(shí)驗(yàn)探究，提升學(xué)生探究興趣的同時，也為學(xué)生解決問題提供新的思路和新的方向.學(xué)生親自動手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，這種情況在力學(xué)學(xué)習(xí)中尤為常見.實(shí)踐能力也是學(xué)生重要的關(guān)鍵能力，是學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的重要表征.學(xué)生的深度學(xué)習(xí)不僅體現(xiàn)在經(jīng)驗(yàn)與知識的相互轉(zhuǎn)化，更體現(xiàn)在對問題深層次的挖掘和對探究對象進(jìn)行深度加工.

3.3 利用Matlab模擬鉛球拋射軌跡

如圖6所示，在距離地面h處斜向上拋出一個物體（可看作質(zhì)點(diǎn)），其初速度為v0，與豎直方向的夾角為θ，忽略空氣阻力，物體水平方向和豎直方向的運(yùn)動方程為

圖6

水平方向：x＝v0cosθ·t，豎直方向：y＝v0sinθ·

通過消元（詳細(xì)解答過程可參閱參考文獻(xiàn)4），可以得到斜拋運(yùn)動的最大射程［4］

雖然利用數(shù)學(xué)方法可以計算得出斜拋運(yùn)動的最大射程，但是對于高中生來說數(shù)學(xué)推導(dǎo)難度大，學(xué)生不易掌握，難以尋找最佳拋射角.利用Matlab軟件數(shù)學(xué)計算、數(shù)據(jù)分析，向?qū)W生展示不同拋射速度和拋射角度情況下的射程，讓教學(xué)過程變得生動，使學(xué)生體會數(shù)學(xué)工具在處理物理問題中的妙處，清晰顯示物體的射高、射程.

以某學(xué)生投擲鉛球?yàn)槔?，拋出點(diǎn)的高度h＝1.7m，廈門地區(qū)重力加速度g＝9.79m/s2為例，模擬得出拋射距離、拋射高度與初速度、高度、拋射角度的關(guān)系，如表1，表2.

表1 Matlab數(shù)據(jù)模擬（v0＝10m/s，g＝9.79m/s2，h＝1.7m）

表2 Matlab數(shù)據(jù)模擬（v0＝12m/s，g＝9.79m/s2，h＝1.7m）

通過Matlab數(shù)值分析，可以分析不同高度和力量的學(xué)生的最佳拋射角度，從圖形（圖7）和表格中直觀感受不同因素對射程的大小的影響.

思維提升：將所學(xué)的知識用以指導(dǎo)生活生產(chǎn)是知識的一種重要轉(zhuǎn)化，是教學(xué)多維度目標(biāo)的一種重要的體現(xiàn).針對體育學(xué)生的訓(xùn)練，利用軟件科學(xué)分析記錄學(xué)生的投射數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫形成大數(shù)據(jù)，更方便分析不同學(xué)生的投擲效果，科學(xué)指引學(xué)生訓(xùn)練，對體育生訓(xùn)練有著非常重要的指導(dǎo)意義.數(shù)據(jù)分析更可以作為學(xué)生、運(yùn)動員的訓(xùn)練分析依據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)從生活走向物理，從物理走向生活.

學(xué)生在運(yùn)用不同的方法解決問題，學(xué)會學(xué)習(xí).通過對不同解決問題方式的比較，理解不同方式在解決問題中的應(yīng)用，多學(xué)科知識綜合應(yīng)用.

教學(xué)反思：學(xué)生在真實(shí)情境中思考物理問題，經(jīng)過抽象、建模、探究等一系列方法深化問題的理解，最終解決問題.

遷移與應(yīng)用是深度學(xué)習(xí)的重要體現(xiàn)，不僅要深度理解學(xué)習(xí)情境，弄清不同情境的差異，才能有的放矢，從淺表學(xué)習(xí)走向深度學(xué)習(xí).物理知識由關(guān)聯(lián)走向整合，將物理概念、科學(xué)原理、數(shù)學(xué)知識、技術(shù)技能等淺層知識有機(jī)結(jié)合，靈活運(yùn)用不同學(xué)科知識處理真實(shí)情境，最終構(gòu)建形成多維結(jié)構(gòu)化知識體系，最終走向深度學(xué)習(xí).

4 結(jié)語

通過學(xué)生鉛球投擲的真實(shí)的情境，以實(shí)驗(yàn)探究為主線，讓物理與多學(xué)科相互關(guān)聯(lián)，促使學(xué)生在多學(xué)科知識的運(yùn)用中建構(gòu)知識、合作探究來解決問題.STEM下的教學(xué)模式能有效的提升學(xué)生解決問題的手段和能力，既讓學(xué)生體驗(yàn)了物理知識的形成過程，又培養(yǎng)了學(xué)生的核心素養(yǎng).高中階段的物理教學(xué)正是實(shí)施STEM教育的好時機(jī)，學(xué)生在學(xué)習(xí)和探究的過程中真正達(dá)到“知”、“情”、“意”、“行”全面的感悟與提升.物理教學(xué)的最終目的是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生具有自主發(fā)展能力，最終成為時代新人.STEM教育理念的引入，為高中物理課堂注入了一股新的活力，是學(xué)生深度學(xué)習(xí)的重要體現(xiàn)，也是物理教育的魅力所在.