利用阶梯设问促进实验方案生成——实验：探究平抛运动的特点教学案例

周 佳

(浙江省清华附中嘉兴实验高中 浙江嘉兴 314000)

实验教学是高中物理教学中的重头戏，然而学生对物理实验的掌握程度并不理想，表现为高考实验题失分较多，实验设计与操作能力低等问题。究其原因，许多学生只知道实验的方案，但不知道方案的形成过程，包括研究思路与方法的确定，器材的选择与装配，数据的搜集与处理等，甚至在做了大量练习后连该实验研究的问题是什么都不清楚。即“知其然而不知其所以然”。导致一旦遇到稍有变化的题型便陷入茫然，一旦遇到多个实验对比的题目便容易出错。因此需要在课堂教学中有计划有目的地引导学生参与实验的设计，通过若干个阶梯问题来帮助学生实现知识迁移，在头脑中建立实验与理论的逻辑联系，从而促进学生从根本上掌握实验。

一、教材与学情分析

教材上介绍了两种实验方案，方案一是借助频闪照相同时分析水平与竖直方向上的运动规律。方案二是在缺少频闪照相设备的情况下，先研究其中一个方向的运动规律，再研究另一个。这两个方案本质上是由实验器材决定的，事实上还有更多的器材与方案可供选择，从落后到先进，从粗略到精密，可逐步展示之。两个方案的共同点是获得平抛运动的轨迹，这也是设计本节实验课的实验目的之一。但在教学时可以先讲授方案二，再讲授方案一，原因是方案一的器材更先进，如此安排顺序符合循序渐进的教学原则。

由于与旧版教材安排的不同，学生在新教材中先学习该实验，再学习平抛运动的理论知识。因此对学生而言这是一堂探究课。此前学生已经学习过了必修一，知道了直线运动与力的关系，能够处理直线运动的动力学问题。也在前两节学习了曲线运动的知识以及用运动合成分解的处理方法。因此倘若提供其平抛运动物体的运动轨迹，他们能够做出一定的计算和分析。但注意到学生普遍缺乏实验探究的思维与能力，他们无法独立设计与操作实验，因此在教学设计时要培养学生的实验能力，引导学生理解某个实验方案的来龙去脉及多种方案间的联系，不断拓展其最近发展区。

二、教学策略

（一）迁移教学

合理编排教学内容。通过合理的教学程序体现、实施新旧知识间的联系。尝试从生活中轨迹的记录方法迁移到物理中的描点法。尝试从曲线运动一节中的留迹法迁移到平抛运动新方案中的留迹法。充分利用学生头脑中原有的知识经验，以这些知识和经验作为最近发展区的拓展根基。

（二）阶梯设问

建构主义学生不是简单被动地接受信息，而是主动地建构知识的意义，这种建构是无法由他人代替的[1]。因此本节课中教师通过设计一个个阶梯问题的方式引导学生设计实验方案，发现现有方案的不足并改良出更先进的方案。促进学生在自主建构中发展科学探究的素养。

三、教学流程

四、教学过程

（一）开门见山，提出实验目的——研究平抛运动特点

演示：手持一支粉笔将其抛出，在空气阻力可以忽略的情况下，粉笔只受到重力的作用，这时的运动称为抛体运动。再次水平抛出，这样的抛体运动称为平抛运动。

教师：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。

（二）回顾旧知，理清实验思路——运动的分解

问题：很明显平抛运动属于曲线运动，我们应该采用怎样的思路来研究平抛运动呢？

学生：运动的分解

教师：很好，这个方法能帮助我们化曲为直。那么分解到哪两个方向来研究最为合理呢？

学生：水平和竖直方向。因为初速度是水平的，而且物体只受到重力作用。

问题：能否根据牛顿定律理论分析这两个分运动的特点呢？

学生：竖直方向上只受到重力，应该是自由落体运动。水平方向上不受力，所以是匀速直线运动。

（三）初步实验，提出猜想——两个分运动的特点

演示：将平抛运动分运动演示仪的下方轨道遮挡住，操作实验仪器，请同学们仔细观察和听声音。

问题：请问你发现了什么现象？

学生：两个小球同时落地。

教师：请同学们基于这两个现象做出你们的猜想。

学生：平抛运动的竖直分运动是自由落体运动。

问题：如何探究平抛运动的水平分运动的特点？

学生：可以再设计一个类似图一的装置，把平抛运动和水平匀速直线运动对比。

演示：操作改进后的演示仪，同时释放三个小球，观察现象。

问题：观察到什么现象？

学生：三个小球同时相遇。

问题：这个现象说明了什么？

学生：说明平抛运动的水平分运动是匀速直线运动。

教师：这个实验不够严谨，对触发开关的断电时间要求较为严苛，可能造成三个小球运动不同步的现象，因此我们最好从定量的角度直接研究平抛运动的轨迹。

（四）定量实验，获取轨迹——研究水平分运动

问题：要想获取轨迹就得先制造运动。如何制造一个平抛运动？能否用手直接抛出小球？

学生：不能。应该做一个轨道保证初速度水平。

教师：好的，老师做好了这个轨道（图1）。

图1

问题：如何记录小球的运动轨迹？

学生：无法回答。

教师：老师给同学们一点提示。我们在描绘诗人李白一生的游历轨迹时，采取的办法是将他们经过的地方在地图上标注出来，再按照时间串联起来。那么……

学生：可以用描点法，把小球在不同时刻的位置记录下来，最后再用曲线连起来。

问题：非常好！那么什么工具可以制造出“点”呢？

学生：打点计时器。但是……

问题：你想说的是，这个实验无法用打点计时器对吧。那么大家再思考一下，打点计时器为什么能够打点呢？关键结构是什么？

学生：关键在于复写纸，白纸和振针。

问题：很好！我们现在也需要这三样东西。请问复写纸和白纸该如何放置呢？

学生：竖直放置，复写纸在外，白纸在内。

教师：正确。老师将这个结构呈现在PPT上（图2）。

图2

问题：谁来代替振针，在纸上“打点”呢？

学生：最好能让小球挤压复写纸。

问题：现在我们可以获得平抛运动的轨迹了，然而在还有几个重要的问题需要解决。请同学们思考，如何验证轨道末端水平？如何确定Y轴和X轴？如何确定抛出点？

学生：可以把小球轻放在轨道末端，看其是否保持静止；用铅垂线确定Y轴，再通过垂直关系确定X轴；最后一个问题……

教师：我们可以把小球在轨道末端时，球心在纸上的投影作为抛出点。

问题：现在我们该如何处理轨迹，以验证之前的猜想呢？

学生：难以回答。

教师：如果水平分运动是匀速直线运动，那么小球在相等时间间隔内的位移一定等大。我们可以根据竖直分运动的特点来确定“相等的时间间隔”。大家有什么启发吗？

学生：根据自由落体运动的位移规律，可以按照1∶4∶9∶25∶36∶49的比例来划分竖直高度，这样每两段高度之间的时间间隔是相同的。然后看看它们的水平位移是否基本相等。

活动：非常好！那么下面的时间就交给大家操作了。以同桌两人为一小组进行。

下表为某一小组的实验数据记录：

表1

数据表明，在误差允许范围内，小球在相等时间间隔内的位移相等，由此说明平抛运动的水平分运动是匀速直线运动。

（五）改进方案，对比优劣——减小误差

问题：除了刚才的器材之外，还有什么工具可以制造出点？提示一下，就是我们常用的。

学生：笔。

教师：没错，我们可以用铅笔一次次地试探出小球运动路径上经过的位置。一旦小球击中铅笔，我们就把这个点在白纸上标记出来。

问题：除此之外还有其他获得轨迹的方法吗？

学生：回答不出。

教师：老师提醒一下，学习曲线运动时我们曾经用过什么方法来探究速度的方向？

学生：让小球沾上墨水，然后让小球从某个位置滚出。

教师：很好！由此大家获得了什么启发？（同时在PPT上展示这一操作）

学生：可以在小球上涂点墨水，这样就能在纸上擦除痕迹了。

教师：真棒！现在老师把“铅笔”和“墨水”以及刚才做过的这三种方案展示在屏幕上，请同学们比较三者的操作难度和精度高低。

学生：操作上“铅笔”方案最复杂，因为要不停试探小球位置。“墨水”方案最简单，因为只需要一次操作就能得到一条轨迹。精度上三个方案都有明显的缺陷。

问题：它们的缺陷来自哪里？

学生：都来自阻力，包括空气阻力和摩擦阻力等。

教师：很好，这三个案例中小球均受到明显的外力干扰，无法准确地记录原始的平抛运动。

问题：如何精确连贯地记录运动轨迹，使小球尽可能不受外力的干扰？

学生：无法回答。

教师：提示一下，如果现在有许多个小球以相同速度先后抛出。（图3）

图3

学生：用水！

演示：非常好！我们让水均匀地喷出（图4），水的径迹就是平抛运动的轨迹。将带有网格线背景的水流照片拍下来，就可以在照片上处理数据了。

图4

问题：为什么长管的管口要低于水面而不是高于水面呢？

学生：是为了保证一定时间内短管管口的压强一定，使得水流初速度一定。

教师：回答正确。该装置可以总结为多个“小球”，一次拍照。还有一种方案是一个小球，多次拍照。大家想到是什么了吗？

学生：频闪照片！

活动：没错！我们可以采用录像+逐帧播放的方式来实现。下面请一名同学上台来平抛一个小球，老师在台下录像。（图5）

图5

教师：感谢这位同学的配合！我们将视频逐帧播放，就可以获得小球在运动过程中的若干个位置，接着就可以进行数据处理了，由于时间关系，我们课上不作处理。

问题：水流和录像这两种方案在老师看来还存在缺陷，大家想想是什么？

学生：已经够好了吧，哪里还有缺陷啊？

教师：数据的计算都须通过手工来完成，效率低下。

学生：所以用计算机来计算！

教师：很好！当然我们还需要传感器。下面请一名同学上台与老师一起完成。大家可以清楚地看到，以不同的初速度平抛的小球，其轨迹都是抛物线。课后可以做详细的数据处理。

总结：这节课我们一共学习了六种实验方案，它们的共同点是记录物体做平抛运动的轨迹。区别在于操作与精度，显然技术手段的进步能提高实验的效果，从而促进物理理论的发展，而理论的发展又进一步催生新技术。因此物理中理论与应用是相辅相成的。

六、结束语

实验教学的目的在于激发学生的潜在发展水平，只有在师生交往过程中才能准确地确定学生的发展水平[2]，阶梯设问与回答的过程就是一种高效的师生交往过程。整节课贯彻的思想不是直接灌输知识与技能，而是将其蕴含在若干个阶梯问题中，给学生独立思考和自主建构的空间[3]。在课堂教学过程中，学生的参与度和积极性很高。在本节课之后的一次单元测试中，笔者任教的两个班的学生在该实验题上的得分明显高于其他班级，取得了良好的效果。教师在实际教学中应处理好追问问题的层次性，实现了学生思维的良好过渡[4]。