基于学习进阶的新教材“实验：探究平抛运动的特点”教学研究

汪建军

（浙江省开化中学，浙江 衢州 324300）

基于2017年版《普通高中新课程标准》编写的新教材已在普通高中内全面使用，新教材要求教师通过实验引导学生思维，培养关键素养[1-2]。新教材中物理实验教学的设置思路非常清晰，物理实验的地位得到了显著的提升，然而，在将新教材实验部分的设计思想和教学要求落实到常态化物理实验教学实践过程中，往往缺乏前问题分析和对教学目标达成的分步分层解析，从而导致实验教学表面化、断层化。基于学习进阶理论分析物理实验教学，将实验教学和学习变成一个有机的整体，有利于提高学生科学探究能力的达成，促进核心素养的提升。

本文从学习进阶的角度分析了新教材“实验：探究平抛运动的特点”教学理念和策略，改进了平抛运动实验教学，给出了具体教学实践过程，为应用学习进阶指导新教材实验教学做了一些有效的尝试。

1 学习进阶理论简介

美国国家教育委员会（National Research Council）对学习进阶进行了如下的总结和定位：学习进阶描述的是学生在一定时间跨度内，对于某一主题、依次进阶、逐渐熟练和深化的思维方式，这些思维方式能在主题学习和探究过程中得到连续发展[3]。学习进阶理论将学生头脑中原有零散碎片化的知识围绕核心素养进行整合和进阶，发展学生的科学思维，形成完整的物理观念，是培养学生核心素养的有效途径。用学习进阶理论统领物理课程的教学，将物理课程的学习变成一个有机的整体，有利于学生知识体系的建构、物理观念的形成和物理核心素养的提高。

2 新教材“实验：探究平抛运动的特点”进阶课堂教学实践

人教版高中物理新教材必修第二册的“实验：探究平抛运动”一节相较于老教材的位置做了调整，置于“抛体运动规律”之前，“运动的合成和分解”之后，更加符合学生的认知规律，也凸显了实验教学地位，本节课知识跨度较大，在教学目标达成的过程中，需要教师对课堂教学环节进行循序渐进式的精心设计，需要教师引导学生对实验方案进行分解细化和合理优化。

2.1 统一进阶起点

学生的整体水平不尽相同，教学开始阶段需要通过实例，创设情境，引导学生复习回顾已学知识，从而统一进阶起点。

观看铅球、标枪、投篮、飞镖投射等视频并提问：“若忽略空气阻力，以上这些运动有什么特点？请从受力和运动角度回答。”

学生分组讨论并总结：这些运动都是曲线运动，在运动过程中只受重力作用。

2.2 进阶节点教学过程

节点1：情境体验，初识平抛运动模型。

图1 套圈游戏

教师展示套圈游戏，全班学生分成四组，每组小组长进行比赛，在规定时间内谁套住的锥桶多谁获胜。其他学生在下面观赛并体会套圈运动的特点。

构建套圈游戏情景，学生参与其中，体会抛体运动的初速度和受力特点。通过对比分析，建立科学模型——平抛运动，并通过怎么套的准的问题为后面做好引入和铺垫。

节点2：演示实验，认识平抛运动轨迹。

图2 水柱实验

高一学生仍然处在思维从直观型向逻辑抽象型过渡的阶段，学习过程中还需要直观的材料的展示和支持。平抛运动的研究对象是物体，同时更是物体运动的过程或者说运动的轨迹，故有必要在进入平抛运动规律的学习之前设立台阶，使学生直观认识平抛运动的运动轨迹。

这里通过三种途径依次递进，清晰展示平抛运动轨迹。

演示实验（1）：利用手机摄像慢动作甚至是超慢动作功能拍摄平抛运动过程并在多媒体端回放，学生观察猜想平抛运动轨迹形状，展开讨论。

演示实验（2）：利用细水柱实验模拟平抛运动，通过水柱形状展示平抛运动轨迹，引发猜想。

演示实验（3）：通过DISlab二维运动传感器采集平抛运动过程物体的轨迹坐标，并将轨迹坐标数据进行二次函数图像拟合，直观展示平抛运动的轨迹是一条抛物线。

通过三组实验让学生在依次通过讨论、猜想、验证三个阶梯，递进建立研究问题的一般过程，清晰认识平抛运动的轨迹。

节点3：传统实验，分析平抛运动特点。

图3 DISlab数据拟合轨迹图

教师通过设问引导学生进行平抛运动规律的理论分析，并和学生一同讨论实验方法，建立平抛运动水平方向和竖直方向运动特点的进阶学习。

教师设问：

（1）平抛运动的受力和初速度方向之间有什么关系？

（2）我们应该如何对平抛运动进行分解？

（3）平抛运动水平方向受力吗？应该做什么运动？

（4）平抛运动竖直方向有初速度吗？应该做什么运动？

（5）如何验证我们的分析是否正确？

教师引导学生思考，验证竖直方向和水平方向的运动可分别构造对比实验，通过对比水平方向和竖直方向上平抛运动与以其初速度为运动速度的匀速直线运动和自由落体运动是否同步运动来验证理论分析。

学生分组讨论，设计验证实验，画出实验设计草图并交流，教师总结学生实验设计，并找出闪光点和共同点。最后给出成熟实验方案：运动独立性实验器和平抛竖落仪，并请学生完成实验，观察竖直方向和水平方向小球运动的同步性，从而验证理论分析。

节点4：数字实验，精析平抛运动数据。

图4 运动独立性试验器和平抛竖落仪

运动独立性实验器和平抛竖落仪展示出运动的终点处，两小球相撞或落地时间相等，实际是一种间接证明平抛运动水平和竖直两方向上特点的方法。通过数字实验得出运动数据，对其直接进行分析实验，让学生对平抛运动的规律有直观的认识并学会定量处理实验数据的方法。

教师设问：搞清楚平抛运动两个方向的运动的关键是求得哪个物理量？

学生经过讨论之后，认为决定运动的关键物理量为加速度。

教师布置任务，如何根据轨迹数据计算水平和竖直两个方向上的加速度。提示学生类比分析打点计时器纸带求加速度问题。学生采用小组合作的方式进行分析计算，得出结果。

教师展示利用计算机分析DISlab的二维运动传感器采集的平抛运动数据，得出水平方向上的加速度为0，做匀速直线运动；竖直方向上的加速度约为当地重力加速度，做自由落体运动。与学生得出的结果进行比较，培养学生严谨的科学探究态度。

节点5：迁移应用，掌握平抛运动规律。

学生利用已学平抛运动知识解决开课活动：套圈游戏为背景的问题。呼应引课内容，巩固平抛运动知识，促进学生掌握平抛运动规律，达到进阶目标。

例题：“套圈圈”是许多人喜爱的种游戏，如图6，小孩和大人在同一竖直线上的不同高度先后水平抛出小圆环，且小圆环都恰好套中同一个物体。若圆环的运动视为平抛运动，请分析两人抛出的圆环运动时间的长短，两人抛出的圆环出手速度的大小。

图5 DISlab数字化平抛运动实验

图6 例题图

3 学习进阶指导实验教学思考

学习进阶理论充分关注进阶起点，要求教师准确把握进阶起点。实验教学进阶起点的把握除了考虑学生已有学科知识，同时还关注学生已有实验能力，包括已完成相关实验、已学会相关实验测量方法、已了解相关实验器材操作、已具备实验设计能力和已具有的实验探究经验等，统一进阶起点才能设置合理的进阶路径。

实验教学进阶节点的目标达成十分考验教师能力、知识特点、学生基础和实验条件。在实验教学中应充分重视实验途径的多样化、实验难度的递进化，要求教师发挥自制实验教具的能力，在已有实验条件不足时，开发适合实验节点目标达成的创新实验。

在实验教学过程中应用学习进阶理论规划教学过程，依据新教材、新课标和核心素养培养要求，分解教学目标，设置进阶节点，根据每一节点设置合适的进阶实验。通过依次达成节点目标的学习进阶教学模式有效降低了学生对实验原理和实验目的的理解难度，通过多个进阶节点实验的完成深度体会了实验在物理学习和研究中的作用，有效训练了学生科学探究的能力和严谨的科学探究态度。