核心素养培养要求下基于实验和多媒体支撑的“平抛运动”教学设计

王小涛　王雅娅　张修文

摘   要：文章以新课标司南版普通高中物理教科书必修第二册“抛体运动”中“平抛运动”的教学设计为例。首先，利用多媒体设计的动画来激发兴趣、引出问题并进行猜想;其次，基于问题解决调动学生的思维进行实验的设计和改进，并将多媒体与实验有机结合进行实验记录和研究，通过科学探究和科学思维总结平抛运动的规律和处理方法;最后，运用建构的物理观念解决实际问题等，以实现在具体的教学中培养学生物理学科核心素养的目的。

关键词：多媒体;实验探究;核心素养;教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）6-0031-5

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课标》）在“引导学生自主学习，提倡教学方式多样化”中要求：高中物理课程通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境，培养和发展学生的自主学习能力。通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认识自然界，形成科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力[1]。

“平拋运动”是中学物理“曲线运动”中的两个典型运动之一。《课标》要求，通过实验，探究并认识平抛运动的规律，体会物理学中实验或理论推导的方法，以及化繁为简的研究思想[1]。但由于平抛运动研究实验的过程太快，如何清楚展示这个快速过程的中间过程并对其进行研究就成了关键。鉴于此，研究完成了基于实验和多媒体支撑的“平抛运动”的教学设计，以期对同行有所帮助。

本教学设计的整体架构如图1所示。

1    动画引入、激发兴趣，提出问题、铺垫研究，培养学生乐于探究、勤于思考的品质

为创设激发学生积极参与、乐于探究、勤于思考的物理学习情景，采用了如下导入方式：

以下的两个Flash动画的结果会怎样？（观看动画，不要求马上作答）

动画1内容梗概：艳阳高照，聪聪（一只小猴）与笨笨（一头小熊）踩着滑板车抓着在水平面上匀速行驶的吊车在疾驰嬉戏，在他们头顶正上方有吊车吊着的半球壳状大型设备盖。（“咔嚓”配吊绳断裂声），接着聪聪放手（配滑板车急刹声），随即聪聪停下。球壳正在下落，同时在笨笨大脑旁配“没关系，它在运动，砸不着我！”动画定格屏幕闪出“笨笨会被罩住吗？”

动画2内容梗概：聪聪与笨笨射击比赛，二者卧于山崖边缘，射击与水平枪口等高的悬挂靶（配裁判之音“选手注意，子弹射出同时靶会自由下落”）。在聪聪想（在聪聪大脑旁配“哼，靶向下落，我瞄准下方一点准中” ）的同时，其枪口斜向下瞄准;而笨笨则仍然水平瞄准靶。此时屏幕闪出“谁能获胜？”

为得出上述两个问题的结论，下面学习平抛运动（从屏幕右上角Flash动画枪口水平有节奏地单字射出“平抛运动”四个字，每个字沿同一平抛轨迹运动到水平等间距分布于抛物线上略停留定格，然后衍变成横排形成主标题）

2    定义概念、分析特点，培养学生深入研读和科学思维的品质

通过研读和深入思考定义中的关键词，体会对问题和结果描述的科学性、严谨性和准确性，并培养科学推理和论证的能力。课堂设计让学生研读定义“物体以一定的初速度沿水平抛出，只在重力作用下的运动，称为平抛运动”[2]，依据如下的引导问题得出平抛运动的特点。

问题一：平抛运动的初速度大小怎样、方向怎样？

问题二：平抛运动的受力及加速度特点是什么？

问题三：平抛运动的轨迹是直线还是曲线，是否为匀变速运动？

平抛运动的特点：

（1）初速度v0≠0，方向水平;

（2）加速度恒定（a=g），且a⊥v0;

（3）平抛运动是匀变速曲线运动。

3    提出猜想、设计实验，培养学生用已有知识和方法研究未知问题的能力

3.1    分析平抛运动的定义，提出合理猜想

学生根据教材中“研究平抛运动实验装置示意图”（图2）和“实验与探究”栏目“研究平抛运动”[2]作如下思考讨论：依据力与运动的关系、曲线运动知识及其处理方法，你能从理论上推想平抛运动物体在水平方向和竖直方向分别是何种运动吗？

学生由运动的合成与分解，比较容易根据水平方向不受力且v0≠0，竖直方向只受重力且初速度为0的情况得出如下猜想：平抛运动在水平方向做初速度为v0的匀速直线运动，在竖直方向做自由落体运动。

3.2    领悟教材上的实验设计和做法、启迪思维，培养学生创新思维解决实际问题的能力

通过问题引导，布置学生认真阅读教材的任务，在抽丝剥茧的过程中，巩固和加深对已有知识的理解，潜移默化地促进学生运用知识和创新思维解决实际问题的能力。

问题一：验证平抛运动在竖直方向和水平方向运动规律猜想的实验设计依据了什么原理，采用了怎样的方法？

通过阅读研究和讨论让学生明白：该设计是依据合运动与分运动的等时性原理，利用了将平抛运动分解为在受重力方向和与之垂直的不受力方向上的运动，分别与同时进行的自由落体运动和以平抛初速度v0做匀速直线运动的物体之间进行直观对比的方法。

问题二：图2（a）中设计者是怎样实现让平抛运动物体与自由落体运动物体同时进行的？

让学生领悟为了满足研究的条件，解决细节问题的重要性，同时体会问题中的细节处理需要丰富的知识、经验和智慧。

问题三：实验过程为何要多次改变高度？图2（a）在同一高度要多次改变锤的打击力度的目的何在？图2（b）要实现与图2（a）改变锤的打击力度相同的目的，可以怎么办？

让学生明白通过上述做法能改变自由下落的高度和平抛的初速度，实现对猜想的普遍性验证;领悟解决问题时需要思维灵活而不僵化、方法多样而不教条。

3.3    用问題引领思维、激发头脑风暴，让学生思考更方便操作、记录和研究的实验改进

经过上述过程，教师顺势提出如下问题让学生思考讨论，培养学生借鉴方法解决问题以及充分运用技术手段的能力。

问题一：根据教材实验装置的启示，你能设计出在两个方向上同时验证猜想的实验装置吗？

通过前述的研究，学生容易想到将教材分别验证两个方向上的运动设计进行整合，并将解决问题的关键锁定在“如何让三个小球同步按要求运动”的细节设计上。基于图2（b）的启示，学生会更进一步将问题聚焦在“如何解决平抛开始，自由落体运动也开始”的问题上。

问题二：如何设计平抛物体与自由下落物体既要同时开始运动，又必须运动一段时间（或一段过程）后才能相遇？

教师组织学生讨论得出，要对平抛小球在竖直方向的运动和自由落体小球的运动进行比较，就必须让二者开始运动的位置等高;要二者运动一段时间才相遇，又必须开始运动时相距一定距离。

问题三：如何设计平抛和匀速直线运动开始时，自由落体运动能同时开始？

学生想到：若平抛开始时，吸住自由落体小球的电磁铁断电而失去磁性，可实现此目的。到此，学生会想到利用平抛的小球通过碰撞来断开吸住自由落体小球的电磁铁供电开关。此时，教师带领学生讨论因为平抛小球的碰撞造成的能量损失会影响验证水平方向的匀速运动问题，从而提出利用无阻碍作用的光电开关，利用其挡光断电特点实现目的。接着，教师再出示平抛规律演示仪（图3）并作相关介绍。

4    利用多媒体等技术手段进行记录和处理数据，培养学生应用现代技术分析、处理问题的能力

由于本实验过程时间很短，该怎样验证猜想并研究平抛运动规律呢？很多学生会根据教材，想到利用频闪照相技术记录不同时刻的位置，再与自由落体小球和匀速直线运动小球的位置进行比较来判断。但教师在肯定学生方案的同时，需要告诉学生这个方案的设备要求较高、难度较大，可转变为利用手机的录像功能和计算机的慢放和暂停功能来记录和研究。

4.1    进行实验并记录，培养学生实验操作和灵活应用技术进行实验记录的能力

师生一起调整实验设备，架设好手机按如下步骤进行实验并记录：

（1）取下挡球片，调节调平螺栓，并观察水平仪，使仪器底座水平;

（2）在仪器的竖直挡板上贴好以竖直方向和水平方向为坐标轴的坐标纸;

（3）将两个电磁铁S1、S2调整在两铝合金轨道上的相同高度处，接通控制电磁铁S1、S2的前面板电源开关和控制电磁铁S3的后面板开关（图中未显示），让电磁铁S1、S2、S3吸住小铁球A、B和C;

（4）启动手机录像功能（最好用慢摄功能）拍摄;

（5）断开控制电磁铁S1、S2的前面板电源开关，进行实验;

（6）改变电磁铁S1、S2在两轨道上具有的高度，重复上述步骤进行多次实验。

4.2    利用计算机对实验记录进行分析处理，培养学生应用现代技术分析、处理问题的能力

（1）将手机上拍摄的以不同速度抛出的实验视频导入计算机存储;

（2）利用计算机播放功能播放不同视频并初步意识到平抛小球运动的轨迹为抛物线，初步感知匀速直线运动小球、平抛小球和自由落体小球在任何相同时刻的位置关系;

（3）播放上述视频，利用暂停功能，沿时间顺序在不同时刻暂停定格，研究三个小球在运动过程不同时刻的位置的特点。

实验结果：平抛小球总与匀速直线运动小球在同一竖直线上，又总与自由落体小球在同一水平线上。

研究结论：平抛运动是竖直方向的自由落体运动与水平方向的匀速直线运动的合运动。

5    引导学生得到平抛运动的处理方法和运动方程，培养学生利用数学分析处理物理问题的能力

5.1    处理方法

将平抛运动分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动处理。

5.2    平抛物体的运动方程

以抛出点为坐标原点，沿水平抛出的速度方向建立x轴，竖直向下建立y轴（图4）。

6    理解与拓展、应用与实践，培养学生运用规律解决问题的能力

6.1    理解与拓展，培养学生对方法、规律的深层认识，为应用奠基

为加深学生对平抛运动规律和研究方法的理解，灵活运用规律和方法处理平抛运动和类平抛运动问题。特设计如下研究和思考的问题（各问题中符号意义见图4）：

问题一：平抛物体的运动时间与哪些因素有关？水平位移又与哪些因素有关？

问题二：平抛运动时间越长，其速度与竖直方向的夹角越__________。

问题三：平抛运动的速度怎样变化？（引导学生从加速度定义和速度矢量分解两个不同角度分析。学生分析后，用Flash动画演示轨迹上各点速度分解图再叠合的情景，如图4中的A、B、C三点。）

结论：平抛运动的速度变化的方向始终竖直向下，大小为gΔt（Δt为研究过程的时间）。

问题四： （1）图4中角α、θ相等吗？二者满足怎样的关系？

（2）抛出速度方向与某时刻速度方向线交点坐标x'与此时物体位置坐标x满足怎样的关系？

引导学生分析得到结论tanα=2tanθ和 x= 2x'

问题五：若运动物体初速度v0≠0，加速度a恒定且a⊥v0，你有相关问题处理的方法吗？

6.2    应用与实践，培养学生解决问题的能力

【例1】 回答课堂导入动画片中的两个问题。

【例2】 学生阅读教材中的例题[2]。

【例3】 一架飞机水平匀速飞行，从飞机上每隔一秒钟释放一个铁球，先后共释放四个，若不计空气阻力，则四个球都在空中时的情景正确的是（       ）

A.任何时刻总是排成抛物线，它们的落地点是等间距的

B.任何时刻总是排成抛物线，它们的落地点是不等间距的

C.任何时刻总在飞机下方排成竖直线，它们的落地点是等间距的

D.任何时刻总在飞机下方排成竖直线，它们的落地点是不等间距的

E.下面的球相对于相邻的上面的球总是静止的，距离不变

F.下面的球相对于相邻的上面的球总是以大小为g的速度做匀速直线运动，距离不断增大

G.相邻铁球间距离成等差数列

（在引導学生分析例3后，动画演示该题的物理情景）

6.3    课堂小结及课外作业（略）

7    结束语

用Flash动画导入，以问题为中心制造悬念，能有效激发学生兴趣、调动学生学习的热情和探究的欲望。教学设计紧紧抓住物理以实验为基础这一宗旨，用教材实验原理做启迪、以问题解决为动力，设置层层递进、适度拓展的问题，调动学生的思维进行实验设计和改进，让学生在问题解决中不断获得成功的体验和研究的乐趣;在课堂实施中充分体会利用手机、多媒体等设备记录、展示、分析研究实验数据等过程中的快捷实用性及科学合理性的特点，引领学生通过科学探究和科学思维发现平抛运动的规律和处理方法;在知识运用过程中利用多媒体帮助学生再现物理情景、把抽象问题形象化，加深学生对知识和规律的理解，培养学生灵活运用知识解决问题的能力等，以实现在具体的教学中发展学生物理学科核心素养的目的。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]廖伯琴.普通高中教科书物理必修第二册（第1版）[M].济南：山东科学技术出版社，2019.

[3]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第二册（第1版）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[4]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2019.

（栏目编辑    邓   磊）