促进深度学习的实验教学创新设计——以“实验:探究平抛运动的特点”为例

曹 会

(江苏省外国语学校,江苏 苏州 215104)

深度学习是指在教师引领下,学生围绕着具有挑战性的学习主题,全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程,[1]具有注重批判理解、强调内容整合、促进知识建构、着意迁移运用等特征.[2]观察、实验与科学思维相结合,是物理学科的基本特征,[3]此特征也正体现了伽利略创生的“实验+逻辑推理”为核心的科学思维方式和科学研究方法.

为达成学生物理核心素养的发展,依托实验教学过程,践行深度学习理论,抓住物理学的基本特征进行教学设计,是比较有效的教学途径.

基于此,笔者结合平抛运动课堂教学的多年实践,整合多元化实验教学资源,着意实验情境的演进和迁移,针对新课标、人教版新教材“实验:探究平抛运动的特点”一课,进行了创新教学设计.

1 研读新课标,制定教学新目标

1.1 课标要求

通过实验(已列为学生必做实验),探究并认识平抛运动的规律.会用运动合成与分解的方法分析平抛运动.体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想.[4]

1.2 教学目标

(1) 物理观念:理解抛体运动、平抛运动物理概念,知道平抛运动水平方向和竖直方向运动的特点,进一步在平抛运动中应用运动与相互作用观.

(2) 科学思维:能够从实际运动中抽象和构建出抛体运动、平抛运动理想化物理模型,会利用运动分解的思路分析平抛运动,会从对比和定量分析等角度对平抛运动的特点进行科学论证,对实验方案和实验现象提出质疑及评价,进行创新设计.

(3) 科学探究:能够快速聚焦平抛运动实验探究中的核心问题及研究思路,提出水平和竖直方向运动特点的合理猜想和假设,会设计多种实验方案收集平抛运动现象及数据,利用师生合作和同伴互助等方式完成实验操作,在师生的交流评价中正确描述和论证实验结论.

(4) 科学态度与责任:对平抛运动特点的探究充满好奇,全身心积极参与、体验实验探究的全过程,体会将复杂运动分解为简单运动思想的科学本质,体会探究成功的快乐.

2 研读新教材,优化教学设计

2.1 教材剖析

人教版新教材必修2把“平抛运动实验”的位置作了调整,置于“抛体运动的规律”之前,“运动的合成与分解”之后,这样的调整更符合人们认知发展规律,也凸显了实验教学地位.为了充分体现实验探究的重要过程,体现完成探究任务可以有不同方法的思想,新教材并没有直接给出非常确定的操作方案和程序,[5]而是给出两个理念层面的实验方案,方案均以比较开放式的问题串形式展开,还给出了一个较为传统的“参考案例”(旧版本3个案例)和一个“拓展学习”案例(旧版本“做一做”栏目),两个案例方法的内核均指向“轨迹法”,“练习与应用”中以开放性习题形式呈现了一些其他研究方法.

2.2 教学设计

操作方案的不确定性和案例的参考性,给师生带来更大操作空间的同时,也无疑增加了“教学方案”落地的挑战性.挑战性还在于传统方案“轨迹法”的太过粗糙性,“频闪照相法”课堂教学的不可操作性,录制视频“视频分析法”技术说明的空白性.

这些挑战,需要教师对课堂教学环节精心设计,需要师生对实验方案逐步细化和对案例合理优化,需要学生全身心积极参与式的深度学习.

2.2.1 直奔主题,明确实验研究内容——平抛运动的特点

实验引入:手持小铁球从静止状态自由释放,在空气阻力可以忽略的情况下,小铁球的运动可视作自由落体运动.小铁球抛出时若给以一定初速度,物体只受重力作用,这个运动叫做抛体运动,如果初速度是沿水平方向的,这样的抛体运动就叫做平抛运动.

聚焦问题:我们曾经通过实验的方法得到自由落体运动的特点和规律,那么平抛运动的速度和位移随时间的变化规律又是怎样呢?又如何得到呢?我们本节课就来一起探究物体做平抛运动的特点.

2.2.2 循循善诱,理清实验研究思路——运动的分解

问题导入:还记得在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,我们采取“控制变量”的实验研究思路,那么对平抛这种曲线运动,我们将采取怎样的研究思路呢?

学生受到前一节知识的影响,容易回答出:“采用运动分解的处理思路,即‘化曲为直’的思想方法”.但分解到哪两个方向,不能强加给学生,教师要进行合理引导,使科学思维发展的过程变得“水到渠成”.

启发追问:我们已经知道平抛运动的物体是沿着水平方向抛出,并在运动过程中只受到竖直向下的重力作用,那么将这个运动分解到哪两个方向进行研究更为合理呢?从动力学角度推测这两个方向又可能是怎样的运动呢?

学生根据平抛运动初速度和受力方向特点容易回答出:“将平抛运动分解为水平方向的分运动和竖直方向的分运动进行研究,水平方向具有初速度且不受力应该是匀速直线运动,竖直方向初速度为零且只受重力应该是自由落体运动”.

2.2.3 鉴古通今,初探实验设计方案——对比实验法

图1

情景再现:如图1所示,是著名的伽利略比萨斜塔自由落体运动实验,本实验被评为十大最美丽实验之一,其巧妙之处在于利用了对比研究法,实验现象一目了然.

迁移提问:探究平抛运动在竖直方向分运动的特点,是否也可以借用这种方法呢?如果可以,设计怎样的实验装置?

方案交流:可以利用对比的方法,控制两小球同时从同一高度开始平抛运动和自由落体运动,观察它们下落是否同步.

实验方案:教师演示实验装置“运动的独立性实验器”如图2所示,A小球沿倾斜轨道滚下,滚到水平段获得水平速度,运动到水平轨道末端时通过触发开关使B小球开始下落,直接观察两小球是否同时着地.

图2

俄国著名教育学家乌申斯基说过:“比较是一切理解和思维的基础,我们正是通过比较来了解世界上的一切.”本环节正是运用对比研究的实验方法来确定A、B两小球在竖直方向运动的一致性,为进一步抽象概括平抛运动规律做好准备.

2.2.4 揭示问题,创新实验观察方法——视频分析法

揭示问题:在图2的实验中,A、B两小球着地时速度很快,你真看清两球同时着地了吗?是否可以改进观察方法,若使学生能够看到下落过程中两小球始终保持同步,会更具说服力.

方案交流:自由落体运动实验中我们曾经利用过频闪照相的研究方法,本实验可以借助类似的思想,通过录制视频,然后逐帧播放再现两小球运动过程.

录制方案:使用单反数码相机(佳能5D Mark III)的M档进行视频录制(快门1/4000 s,ISO500,光圈4.0),采用高清每秒30帧视频录制模式.[6]

观察方法:运用播放软件QuickTime对小球下落的视频逐帧播放(键盘上左右方向键控制),选每一帧作为一个计数帧,视频分析截图如图3.

图3 视频截图

通过视频分析表明,平抛运动竖直方向分运动为自由落体运动.

2.2.5 合作探究,亲历实验探究过程——等时描点分析

跟进提问:我们已经通过演示实验探明,平抛运动在竖直方向的分运动是自由落体运动,那水平方向真的是匀速直线运动吗?如何通过实验进一步证明,请大家利用桌面上的器材(2154型平抛运动实验器,如图4)设计实验.

图4 平抛运动实验器

图5 实验记录纸

方案交流:按照1∶4∶9∶25∶36∶49比例设置接球板竖直高度,控制每两次记录点间时间间隔相等,描绘出小球落点位置,观察水平间距是否相等.

实验方案:学生分组实验,利用坐标纸(毫米分度)作为平抛运动参考系,调节底座上调平螺钉使图板处于竖直平面,每次让钢球从定位器前开始滚下,逐次将接球板从上到下以如表1中高度承接钢球(由于装置部件的限制,0.5 cm高度无法测量),钢球在接球板上的落点用笔记录在坐标纸上(也可直接观察接球板上小球落点位置印记的分布).

某一实验小组实验记录如图5,各点的位置坐标记录如表1.

表1 各记录点的位置坐标及水平间距(落点印记相对较大不再估读)

各组数据处理表明,在误差允许范围内小球在相等时间间隔内水平位移相等,即小球在水平方向做匀速直线运动.

2.2.6 深度探究,聚焦实验视频分析——全面定量研究

深度分析:通过视频分析发现,对比实验研究法虽好,但对图2实验装置中触发开关的断电时间要求较为苛刻,可能会造成平抛运动小球与自由下落小球下落不同步的现象,若能通过实验直接对平抛运动进行定量研究,计算出平抛运动竖直下落的加速度大小,与重力加速度比对,会更加严谨地得出结论.

方案交流:录制单个小球平抛运动的视频,通过视频分析法定量分析运动情况,利用位移差公式求出竖直方向运动的加速度.

实验方案:本方案对数据精确性要求较高,多次实验表明平抛小球要足够小(直径2 mm左右为宜),小球下落距离限制在10 cm内.自制平抛运动演示器如图6,利用不锈钢弯吸管作为小球加速轨道(口径5 mm),辅助重锤线和水平仪对坐标纸、吸管水平端进行校准.

图6 自制的平抛运动演示器

使用每秒60帧视频录制模式,运用播放软件对小球下落的视频逐帧播放,选每一帧作为一个计数帧,课堂教学时师生借助白板共同读取并标记小球位置.某次实验,小球位置如图7所示(因版面需要,小球7帧照片已整合在一起),坐标如表2(估读的精确性很重要,读数时可以采取放大后二次测量的方法[6]),本实验可进一步描点绘制平抛运动轨迹.

图7 小球平抛运动轨迹图

表2 各记数帧小球的位置坐标及数据分析

数据处理表明,在误差允许范围内,小球相等时间间隔内水平位移Δxn近似相等(1.8 cm～1.9 cm),相等时间间隔内的竖直方向位移之差ΔY近似为一定值(0.3 cm左右).进一步通过逐差法可求出竖直方向加速度为9.96 m/s2,可认为竖直方向做自由落体运动.

误差分析:多次实验数据分析发现,所求得的加速度均比实际值偏大,且随着小球下落高度的变大,水平位移Δxn和竖直方向位移之差ΔY均有变大的趋势,原因可能来自于： (1) 拍摄运动小球时,相机无法做到“平视”读取小球位置,为获得位置坐标的清晰图像,相机离小球运动平面较近,小球离坐标纸总有一定距离,在下落过程中小球的位置变化量随着视角的变化被“放大”; (2) 随着小球速度变大,在相机曝光时间内小球图像被虚化变形甚至有轻微拖影,均会造成读数误差; (3) 小球运动平面与坐标纸平面很难完全平行,也会造成误差.

3 小结

本案例是基于新课标、新教材,在实验教学中促进学生深度学习的一次尝试,也是“多元化物理实验教学资源的整合”[7]、“核心素养为主旨,学生为主体,教师为主导,情境演进为主线”为核心框架的“四主”教学模式[8]在实验教学中的综合应用.

传统的实验教学特别学生分组实验教学,往往会出现把学生拉到实验室“放羊式”走过场,或者教师播放实验录像取而代之等现象,这与物理学科的基本特征不符合,只关注结论,忽视了实验过程的独特育人功能.要改变这种现状,只有让促进深度学习的科学探究学习方式在实验课堂教学中真正发生.

立足于新课标、新教材,如何促进深度学习对实验课堂进行教学设计,笔者认为需要教师做好以下几个方面: (1) 研读新课标,制定指向核心素养的高阶思维发展目标,引导学生逐步达成; (2) 研读新教材,细化清晰的实验研究内容及方案,引导学生积极探究; (3) 整合教学资源,创设真实有序的实验情境及问题,引导学生批判建构; (4) 优化师生活动,保持持续的反馈交流和评价,引导学生深度反思.