基于情境创设与实验探究的课堂教学探讨①——以“曲线运动”教学为例

(江苏省江阴市青阳中学，江苏 无锡 214401)

1 引言

《普通高中物理课程标准(2017年版)》中将“物理观念”列为高中物理学科核心素养的第一个方面，“物理观念”所包含的一个要求是:会用物理观念解释自然现象和解决实际问题。要做到这一点，必须强化物理知识与实践情境的关联，提高学生把物理知识与实践情境进行联系的自觉性，增强学生的实践意识。

在目前的教学实践中，由于种种因素，部分教师往往把课堂重点放在讲解所学概念的含义、理解该概念需要的注意点等方面，即将精力放在知识的应用上，而忽视了知识的建构过程，甚至把新授课上成了复习课。这与课标的理念是背道而驰的，课标要求教学活动尊重学生的认知规律，重视知识的建构过程，基于情境创设和实验探究，将学生的“学”由“被动接受”向“主动建构”转变，使学科教学的目标从“知识本位”向“核心素养本位”转变，这样才能充分彰显物理学科的育人价值。

“曲线运动”是人教版高中物理必修二第五章第1节的内容，它为学生学习本章的知识和方法奠定基础。通过之前必修一模块直线运动、牛顿运动定律的学习，学生在运动学和动力学两个方面，都已经为曲线运动的学习储备了必要的知识和能力基础，同时，学生在生活中已经具有比较丰富的关于曲线运动的感性认识。笔者基于这样的学情、学习任务以及对新课程理念的理解，在“曲线运动”的教学中，试图基于情境创设和实验探究进行教学设计。

2 “曲线运动”的教学设计

2.1 教学引入

教学片断1

观看视频，展示不同情境下物体在做曲线运动，要求学生注意观察视频中物体的运动轨迹，通过学生的描述，引出本节课的课题:曲线运动。要求学生根据自己的生活体验和所学知识，再举出一些曲线运动的例子，大到天体的运动，如地球绕太阳公转，小到微观粒子的运动，如电子绕原子核运动，再到生活中的足球、烟花、汽车、轮船等等，进一步点明本节课的研究主题:生活中无处不在的曲线运动。

明确研究思路，研究机械运动时都是先从运动学的角度进行描述，知道物体做怎样的运动;然后再从动力学的角度进行分析，知道物体做这种运动的原因，这是由现象到本质、由表及里的研究过程，我们也按照这一思路来研究曲线运动。

通过播放比较熟悉的视频，让学生进入生活情境，回忆生活体验，从而能够比较自然地明确曲线运动的定义，再根据定义，回顾生活中的类似情境，体现了情境——思维——情境的教学策略，有利于学生深入理解情境并能够抽象情境，基于情境又能够跳出情境，帮助学生逐步形成提取信息、建立模型的能力。

2.2 教学展开

教学片断2

教师水平抛出一块橡皮，要求学生观察橡皮的运动轨迹。将其轨迹用曲线呈现在PPT中(如图1)，用有向线段表示出不同时间内的位移。引导学生进行情境对比:在研究直线运动的时候，位移的大小在改变，但是方向不变，因此，可以用一维坐标系来进行描述。那么，对于曲线运动，还能用一维坐标系描述吗?应该建立怎样的坐标系?

图1

学生通过思考与讨论，认为曲线运动的位移方向在不断变化，由于位移是矢量，可以跟力一样运用平行四边形法则来对其进行分解和合成，即用坐标轴上的两个直线分矢量来将这个方向不断变化的位移表达出来。

通过分析橡皮抛出后的运动轨迹，可以抽象出研究问题：如何描述曲线运动？教师对学生的思考和讨论进行提炼：曲线运动的位移方向与之前研究的直线运动存在很大的差异，因此，需要引入新的研究工具和研究方法，即二维坐标系和“化曲为直”的思想方法。

教学片断3

教师手持细线牵拉小布偶使其旋转，要求学生观察小布偶的运动情况。当教师分别在不同的位置松手时，小布偶沿不同的方向飞向不同的学生。教师引导学生分析得出:做曲线运动的物体在不同位置的速度方向不同。确定布偶在某一位置的速度方向，最大的困难是无法及时记录，那我们该如何解决这个问题呢?

教师演示实验，如图2所示，将用印泥染色的小钢球从斜槽上滚动下来后，在水平面内的白纸上做直线运动，并在白纸上留下了轨迹。

直线运动的速度方向，沿着轨迹的方向标注出来就可以了(如图3)。对于不易直接观察、记录的速度的方向，可以借助于小球留下的轨迹反映出来，即运用转换法。教师引导学生回顾生活，大家常用到这种研究方法，例如:风向无法直接观察，但是通过看树叶飘落和国旗飘扬等，就能判断出风的方向。

图2

图3

教师在黑板上画出一条如图4所示的曲线轨迹，表示某物体沿该曲线轨迹由A点途经B点运动到C点。学生猜想各点的速度方向与曲线轨迹之间的几何关系应该是相切，教师引导学生通过实验来验证猜想。

图4

学生进行分组实验，如图5所示，将染色小钢球从斜槽上释放，获得初速度的小钢球沿着弧形板内侧做曲线运动，离开弧形板后，小球做直线运动，先后在白纸上留下了曲线痕迹和直线痕迹。然后通过拼装弧形板并重复刚才的实验来完成验证。为了便于更好地观察实验，更好地感知切线方向，实际实验操作过程可优化为“卸装弧形板”来进行实验，借助于轨迹确定了小钢球在作曲线运动的过程中经过A、B、C、D时的速度方向。学生通过动手做实验，验证了自己的猜想。

图5

教师展示如图6所示的图片，引导学生运用极限思想，从理论上进一步探讨做曲线运动的物体在某一点的速度方向，的确是沿轨迹上该点的切线方向，从而将实验结论上升为规律来进行推广应用。

图6

教师展示如图7所示的图片，提出问题:为什么骑车男士的背上会甩满泥浆?该如何设计挡泥板?学生根据刚才的学习，很顺利地进行了解释，并提出了合理的挡泥板设计方案(如图8)。

图7

图8

教师设计了具有逻辑性的自主探究实验，让学生经历了实验探究的过程:观察现象、提出猜想、实验验证、理论推理、解释现象、实践应用等。这样的探究过程不仅关注了学生知识的学习，更加关注了学生核心素养的培养。

教学片断4

教师提出问题:物体做曲线运动的条件是什么?

学生提出了不同的观点，如有学生根据生活经验和刚才的实验观察，认为物体做曲线运动的条件是合力不为零，有学生提出了异议，并举出了反例。经过反复讨论，学生逐步形成了比较统一的猜想:物体所受合力的方向与其速度方向不在同一直线上。

教师引导学生通过实验来验证猜想，如图9所示，要求学生利用条形磁铁、小钢球、斜槽、印泥等材料，自主探究物体做曲线运动的条件。学生在实验中通过改变条形磁铁的位置、距离等，在热烈的讨论中逐步验证了自己的猜想。教师进一步引导学生将此结论用来解释其他曲线运动，如:水平抛出的粉笔头、弧形轨道内运动的小球、绕地球运转的月亮等等，均符合这一结论：物体所受合外力方向与速度方向不在同一条直线上。

图9

教师通过设计逻辑清晰的学生分组实验，让学生自主探究物体做曲线运动的条件。实际上该分组实验更具有探究性和挑战性，首先，条形磁铁放置的位置存在较多的可能性:在小钢球速度方向的正前方、正后方、侧向等;其次，在实验操作中，刚开始有的同学无论将磁铁放在哪个方位，均未能观察到钢球做曲线运动，经反复讨论后，运用控制变量法进行排查，通过调整磁铁与小钢球的距离(增大吸引力)以及降低小钢球在斜槽上的高度(减小速度)，成功地使小钢球做曲线运动。该分组实验让学生在经历实验探究的过程中，学会了合作与交流，学会了分析与表达，并有效地增强了证据意识，该分组实验取得了良好的教学效果，充分体现了培养学生核心素养的课程理念。

3 结语

要培养学生的物理学科核心素养，不能够只停留在理论层面，不应该只是少数精英教师的小众实践，需要我们一线教师从立德树人的高度，认真领会课程标准的理念，并在教学实践中落实。通过情境创设和实验探究等方式，精心设计系列的学习和实践活动，让学生在分析和解决真实问题的过程中发展核心素养，培养创新精神和实践能力。