核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求下基于實驗和多媒體支撐的“平拋運動”教學(xué)設(shè)計

王小濤　王雅婭　張修文

摘? ?要：文章以新課標司南版普通高中物理教科書必修第二冊“拋體運動”中“平拋運動”的教學(xué)設(shè)計為例。首先，利用多媒體設(shè)計的動畫來激發(fā)興趣、引出問題并進行猜想;其次，基于問題解決調(diào)動學(xué)生的思維進行實驗的設(shè)計和改進，并將多媒體與實驗有機結(jié)合進行實驗記錄和研究，通過科學(xué)探究和科學(xué)思維總結(jié)平拋運動的規(guī)律和處理方法;最后，運用建構(gòu)的物理觀念解決實際問題等，以實現(xiàn)在具體的教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。

關(guān)鍵詞：多媒體;實驗探究;核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）6-0031-5

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標》）在“引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提倡教學(xué)方式多樣化”中要求：高中物理課程通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學(xué)習(xí)情境，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。通過多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，整體認識自然界，形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強科學(xué)探究能力和解決實際問題的能力[1]。

“平拋運動”是中學(xué)物理“曲線運動”中的兩個典型運動之一?！墩n標》要求，通過實驗，探究并認識平拋運動的規(guī)律，體會物理學(xué)中實驗或理論推導(dǎo)的方法，以及化繁為簡的研究思想[1]。但由于平拋運動研究實驗的過程太快，如何清楚展示這個快速過程的中間過程并對其進行研究就成了關(guān)鍵。鑒于此，研究完成了基于實驗和多媒體支撐的“平拋運動”的教學(xué)設(shè)計，以期對同行有所幫助。

本教學(xué)設(shè)計的整體架構(gòu)如圖1所示。

1? ? 動畫引入、激發(fā)興趣，提出問題、鋪墊研究，培養(yǎng)學(xué)生樂于探究、勤于思考的品質(zhì)

為創(chuàng)設(shè)激發(fā)學(xué)生積極參與、樂于探究、勤于思考的物理學(xué)習(xí)情景，采用了如下導(dǎo)入方式：

以下的兩個Flash動畫的結(jié)果會怎樣？（觀看動畫，不要求馬上作答）

動畫1內(nèi)容梗概：艷陽高照，聰聰（一只小猴）與笨笨（一頭小熊）踩著滑板車抓著在水平面上勻速行駛的吊車在疾馳嬉戲，在他們頭頂正上方有吊車吊著的半球殼狀大型設(shè)備蓋。（“咔嚓”配吊繩斷裂聲），接著聰聰放手（配滑板車急剎聲），隨即聰聰停下。球殼正在下落，同時在笨笨大腦旁配“沒關(guān)系，它在運動，砸不著我！”動畫定格屏幕閃出“笨笨會被罩住嗎？”

動畫2內(nèi)容梗概：聰聰與笨笨射擊比賽，二者臥于山崖邊緣，射擊與水平槍口等高的懸掛靶（配裁判之音“選手注意，子彈射出同時靶會自由下落”）。在聰聰想（在聰聰大腦旁配“哼，靶向下落，我瞄準下方一點準中” ）的同時，其槍口斜向下瞄準;而笨笨則仍然水平瞄準靶。此時屏幕閃出“誰能獲勝？”

為得出上述兩個問題的結(jié)論，下面學(xué)習(xí)平拋運動（從屏幕右上角Flash動畫槍口水平有節(jié)奏地單字射出“平拋運動”四個字，每個字沿同一平拋軌跡運動到水平等間距分布于拋物線上略停留定格，然后衍變成橫排形成主標題）

2? ? 定義概念、分析特點，培養(yǎng)學(xué)生深入研讀和科學(xué)思維的品質(zhì)

通過研讀和深入思考定義中的關(guān)鍵詞，體會對問題和結(jié)果描述的科學(xué)性、嚴謹性和準確性，并培養(yǎng)科學(xué)推理和論證的能力。課堂設(shè)計讓學(xué)生研讀定義“物體以一定的初速度沿水平拋出，只在重力作用下的運動，稱為平拋運動”[2]，依據(jù)如下的引導(dǎo)問題得出平拋運動的特點。

問題一：平拋運動的初速度大小怎樣、方向怎樣？

問題二：平拋運動的受力及加速度特點是什么？

問題三：平拋運動的軌跡是直線還是曲線，是否為勻變速運動？

平拋運動的特點：

（1）初速度v0≠0，方向水平;

（2）加速度恒定（a=g），且a⊥v0;

（3）平拋運動是勻變速曲線運動。

3? ? 提出猜想、設(shè)計實驗，培養(yǎng)學(xué)生用已有知識和方法研究未知問題的能力

3.1? ? 分析平拋運動的定義，提出合理猜想

學(xué)生根據(jù)教材中“研究平拋運動實驗裝置示意圖”（圖2）和“實驗與探究”欄目“研究平拋運動”[2]作如下思考討論：依據(jù)力與運動的關(guān)系、曲線運動知識及其處理方法，你能從理論上推想平拋運動物體在水平方向和豎直方向分別是何種運動嗎？

學(xué)生由運動的合成與分解，比較容易根據(jù)水平方向不受力且v0≠0，豎直方向只受重力且初速度為0的情況得出如下猜想：平拋運動在水平方向做初速度為v0的勻速直線運動，在豎直方向做自由落體運動。

3.2? ? 領(lǐng)悟教材上的實驗設(shè)計和做法、啟迪思維，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維解決實際問題的能力

通過問題引導(dǎo)，布置學(xué)生認真閱讀教材的任務(wù)，在抽絲剝繭的過程中，鞏固和加深對已有知識的理解，潛移默化地促進學(xué)生運用知識和創(chuàng)新思維解決實際問題的能力。

問題一：驗證平拋運動在豎直方向和水平方向運動規(guī)律猜想的實驗設(shè)計依據(jù)了什么原理，采用了怎樣的方法？

通過閱讀研究和討論讓學(xué)生明白：該設(shè)計是依據(jù)合運動與分運動的等時性原理，利用了將平拋運動分解為在受重力方向和與之垂直的不受力方向上的運動，分別與同時進行的自由落體運動和以平拋初速度v0做勻速直線運動的物體之間進行直觀對比的方法。

問題二：圖2（a）中設(shè)計者是怎樣實現(xiàn)讓平拋運動物體與自由落體運動物體同時進行的？

讓學(xué)生領(lǐng)悟為了滿足研究的條件，解決細節(jié)問題的重要性，同時體會問題中的細節(jié)處理需要豐富的知識、經(jīng)驗和智慧。

問題三：實驗過程為何要多次改變高度？圖2（a）在同一高度要多次改變錘的打擊力度的目的何在？圖2（b）要實現(xiàn)與圖2（a）改變錘的打擊力度相同的目的，可以怎么辦？

讓學(xué)生明白通過上述做法能改變自由下落的高度和平拋的初速度，實現(xiàn)對猜想的普遍性驗證;領(lǐng)悟解決問題時需要思維靈活而不僵化、方法多樣而不教條。

3.3? ? 用問題引領(lǐng)思維、激發(fā)頭腦風暴，讓學(xué)生思考更方便操作、記錄和研究的實驗改進

經(jīng)過上述過程，教師順勢提出如下問題讓學(xué)生思考討論，培養(yǎng)學(xué)生借鑒方法解決問題以及充分運用技術(shù)手段的能力。

問題一：根據(jù)教材實驗裝置的啟示，你能設(shè)計出在兩個方向上同時驗證猜想的實驗裝置嗎？

通過前述的研究，學(xué)生容易想到將教材分別驗證兩個方向上的運動設(shè)計進行整合，并將解決問題的關(guān)鍵鎖定在“如何讓三個小球同步按要求運動”的細節(jié)設(shè)計上?；趫D2（b）的啟示，學(xué)生會更進一步將問題聚焦在“如何解決平拋開始，自由落體運動也開始”的問題上。

問題二：如何設(shè)計平拋物體與自由下落物體既要同時開始運動，又必須運動一段時間（或一段過程）后才能相遇？

教師組織學(xué)生討論得出，要對平拋小球在豎直方向的運動和自由落體小球的運動進行比較，就必須讓二者開始運動的位置等高;要二者運動一段時間才相遇，又必須開始運動時相距一定距離。

問題三：如何設(shè)計平拋和勻速直線運動開始時，自由落體運動能同時開始？

學(xué)生想到：若平拋開始時，吸住自由落體小球的電磁鐵斷電而失去磁性，可實現(xiàn)此目的。到此，學(xué)生會想到利用平拋的小球通過碰撞來斷開吸住自由落體小球的電磁鐵供電開關(guān)。此時，教師帶領(lǐng)學(xué)生討論因為平拋小球的碰撞造成的能量損失會影響驗證水平方向的勻速運動問題，從而提出利用無阻礙作用的光電開關(guān)，利用其擋光斷電特點實現(xiàn)目的。接著，教師再出示平拋規(guī)律演示儀（圖3）并作相關(guān)介紹。

4? ? 利用多媒體等技術(shù)手段進行記錄和處理數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)分析、處理問題的能力

由于本實驗過程時間很短，該怎樣驗證猜想并研究平拋運動規(guī)律呢？很多學(xué)生會根據(jù)教材，想到利用頻閃照相技術(shù)記錄不同時刻的位置，再與自由落體小球和勻速直線運動小球的位置進行比較來判斷。但教師在肯定學(xué)生方案的同時，需要告訴學(xué)生這個方案的設(shè)備要求較高、難度較大，可轉(zhuǎn)變?yōu)槔檬謾C的錄像功能和計算機的慢放和暫停功能來記錄和研究。

4.1? ? 進行實驗并記錄，培養(yǎng)學(xué)生實驗操作和靈活應(yīng)用技術(shù)進行實驗記錄的能力

師生一起調(diào)整實驗設(shè)備，架設(shè)好手機按如下步驟進行實驗并記錄：

（1）取下?lián)跚蚱?，調(diào)節(jié)調(diào)平螺栓，并觀察水平儀，使儀器底座水平;

（2）在儀器的豎直擋板上貼好以豎直方向和水平方向為坐標軸的坐標紙;

（3）將兩個電磁鐵S1、S2調(diào)整在兩鋁合金軌道上的相同高度處，接通控制電磁鐵S1、S2的前面板電源開關(guān)和控制電磁鐵S3的后面板開關(guān)（圖中未顯示），讓電磁鐵S1、S2、S3吸住小鐵球A、B和C;

（4）啟動手機錄像功能（最好用慢攝功能）拍攝;

（5）斷開控制電磁鐵S1、S2的前面板電源開關(guān)，進行實驗;

（6）改變電磁鐵S1、S2在兩軌道上具有的高度，重復(fù)上述步驟進行多次實驗。

4.2? ? 利用計算機對實驗記錄進行分析處理，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)分析、處理問題的能力

（1）將手機上拍攝的以不同速度拋出的實驗視頻導(dǎo)入計算機存儲;

（2）利用計算機播放功能播放不同視頻并初步意識到平拋小球運動的軌跡為拋物線，初步感知勻速直線運動小球、平拋小球和自由落體小球在任何相同時刻的位置關(guān)系;

（3）播放上述視頻，利用暫停功能，沿時間順序在不同時刻暫停定格，研究三個小球在運動過程不同時刻的位置的特點。

實驗結(jié)果：平拋小球總與勻速直線運動小球在同一豎直線上，又總與自由落體小球在同一水平線上。

研究結(jié)論：平拋運動是豎直方向的自由落體運動與水平方向的勻速直線運動的合運動。

5? ? 引導(dǎo)學(xué)生得到平拋運動的處理方法和運動方程，培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)分析處理物理問題的能力

5.1? ? 處理方法

將平拋運動分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動處理。

5.2? ? 平拋物體的運動方程

以拋出點為坐標原點，沿水平拋出的速度方向建立x軸，豎直向下建立y軸（圖4）。

6? ? 理解與拓展、應(yīng)用與實踐，培養(yǎng)學(xué)生運用規(guī)律解決問題的能力

6.1? ? 理解與拓展，培養(yǎng)學(xué)生對方法、規(guī)律的深層認識，為應(yīng)用奠基

為加深學(xué)生對平拋運動規(guī)律和研究方法的理解，靈活運用規(guī)律和方法處理平拋運動和類平拋運動問題。特設(shè)計如下研究和思考的問題（各問題中符號意義見圖4）：

問題一：平拋物體的運動時間與哪些因素有關(guān)？水平位移又與哪些因素有關(guān)？

問題二：平拋運動時間越長，其速度與豎直方向的夾角越__________。

問題三：平拋運動的速度怎樣變化？（引導(dǎo)學(xué)生從加速度定義和速度矢量分解兩個不同角度分析。學(xué)生分析后，用Flash動畫演示軌跡上各點速度分解圖再疊合的情景，如圖4中的A、B、C三點。）

結(jié)論：平拋運動的速度變化的方向始終豎直向下，大小為gΔt（Δt為研究過程的時間）。

問題四： （1）圖4中角α、θ相等嗎？二者滿足怎樣的關(guān)系？

（2）拋出速度方向與某時刻速度方向線交點坐標x'與此時物體位置坐標x滿足怎樣的關(guān)系？

引導(dǎo)學(xué)生分析得到結(jié)論tanα=2tanθ和 x= 2x'

問題五：若運動物體初速度v0≠0，加速度a恒定且a⊥v0，你有相關(guān)問題處理的方法嗎？

6.2? ? 應(yīng)用與實踐，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力

【例1】 回答課堂導(dǎo)入動畫片中的兩個問題。

【例2】 學(xué)生閱讀教材中的例題[2]。

【例3】 一架飛機水平勻速飛行，從飛機上每隔一秒鐘釋放一個鐵球，先后共釋放四個，若不計空氣阻力，則四個球都在空中時的情景正確的是（? ? ? ?）

A.任何時刻總是排成拋物線，它們的落地點是等間距的

B.任何時刻總是排成拋物線，它們的落地點是不等間距的

C.任何時刻總在飛機下方排成豎直線，它們的落地點是等間距的

D.任何時刻總在飛機下方排成豎直線，它們的落地點是不等間距的

E.下面的球相對于相鄰的上面的球總是靜止的，距離不變

F.下面的球相對于相鄰的上面的球總是以大小為g的速度做勻速直線運動，距離不斷增大

G.相鄰鐵球間距離成等差數(shù)列

（在引導(dǎo)學(xué)生分析例3后，動畫演示該題的物理情景）

6.3? ? 課堂小結(jié)及課外作業(yè)（略）

7? ? 結(jié)束語

用Flash動畫導(dǎo)入，以問題為中心制造懸念，能有效激發(fā)學(xué)生興趣、調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和探究的欲望。教學(xué)設(shè)計緊緊抓住物理以實驗為基礎(chǔ)這一宗旨，用教材實驗原理做啟迪、以問題解決為動力，設(shè)置層層遞進、適度拓展的問題，調(diào)動學(xué)生的思維進行實驗設(shè)計和改進，讓學(xué)生在問題解決中不斷獲得成功的體驗和研究的樂趣;在課堂實施中充分體會利用手機、多媒體等設(shè)備記錄、展示、分析研究實驗數(shù)據(jù)等過程中的快捷實用性及科學(xué)合理性的特點，引領(lǐng)學(xué)生通過科學(xué)探究和科學(xué)思維發(fā)現(xiàn)平拋運動的規(guī)律和處理方法;在知識運用過程中利用多媒體幫助學(xué)生再現(xiàn)物理情景、把抽象問題形象化，加深學(xué)生對知識和規(guī)律的理解，培養(yǎng)學(xué)生靈活運用知識解決問題的能力等，以實現(xiàn)在具體的教學(xué)中發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]廖伯琴.普通高中教科書物理必修第二冊（第1版）[M].濟南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2019.

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第二冊（第1版）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[4]廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2019.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）