基于STEM理念的“探究平抛运动规律”案例分析①

李白灵 杨晓梅

(宁夏大学物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021)

1 引言

教育部在《教育信息化“十三五”规划》中明确指出：要积极探索STEM等新教育模式的应用,着力提升学生能力,促进学生的全面发展。STEM教育具有跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性等特点，强调解决真实问题,通过跨学科整合教学过程,强调知识与能力并重,重视创新能力培养,注重知识的跨学科迁移及其与学习者之间的关联。笔者在“探究平抛运动规律”的教学中,根据教学需求自制平抛运动演示仪，探索STEM理念与高中物理课程的融合途径。

2 平抛运动演示仪的研制

2.1 仪器制作及其工作原理

本仪器是根据高中物理中平抛运动的教学需求制作的,用来探究平抛运动规律。利用串并联电路、电磁铁、接近开关等满足同时性的实验条件,探究平抛运动在水平和竖直方向上的运动规律。利用手机拍摄功能与ScreenToGif软件相结合，生成可显示小球运动轨迹的图片,以解决实验现象难以观察的问题。

该仪器的电路如图1所示，现结合图2说明其工作原理。电路由三个电磁铁、两只开关等组成,接通开关K1,电磁铁C、D开始工作，分别吸住小铁球C1、D1。断开开关K1,电磁铁C、D停止工作,C1、D1同时运动。K2是位于轨道A末端的常闭接近开关,当小铁球运动至轨道A的末端时会触发接近开关,断开支路,电磁铁E停止工作,E1球自由下落。

图1

图2

2.2 实验过程

(1)探究小球在竖直方向上的运动规律

把小球C1放在轨道A的水平位置上,把小球E1吸在电磁铁E上,使两球位于同一高度。断开开关K1,观察球C1、E1的运动情况。

(2)探究小球在水平方向上的运动规律

接通开关K1,使电磁铁C、D吸附的小铁球C1、D1距两轨道水平部分的高度相等。断开开关K1,观察两球的运动情况。

2.3 实验视频的录制与处理

由于小球下落时的速度较快,实验现象难以用肉眼观察清楚,可利用智能手机对实验过程进行视频录制、慢放，具体操作如下：

(1)将手机固定,调至“慢动作”模式录制视频；

(2)把视频导入电脑,打开ScreenToGif软件,选中“编辑器功能”，在“媒体或项目”中打开已录制的视频,从视频导出各帧画面；

(3)选中小球开始运动的第一帧,点击“图像”插入“形状”中的圆,之后的每一帧中都会出现一个圆。根据此方法依次将小球的每一个位置标记出来,最终生成GIF格式的图片(图3)。

图3

3 基于STEM理念的“探究平抛运动的规律”教学设计

3.1 教学目标

针对STEM教育的4个维度,围绕“探究平抛运动的规律”教学,笔者制订了具体的教学目标(表1)。

表1

3.2 教学流程

笔者设计的教学流程如图4所示。

图4

4 结语

笔者基于STEM理念，创设飞机投弹的教学情境,根据教学需求设计、自制平抛运动演示仪，创新使用ScreenToGif软件展示实验过程中难以观察的现象,既培养了学生学习物理的兴趣,同时也提升了学生的逻辑推理能力。在教学引入和实验探究环节充分融入了科学和工程的因素,为学生提供了更为广阔的思考空间,提升了学生的工程思维能力,使学生能从演示仪的原理入手,熟练地将本课中有关平抛运动的物理原理应用到生活情境中,提升解决实际问题的能力。