基于模型建構(gòu)教學(xué)的《平拋運動》教學(xué)設(shè)計

金晨　李春密

摘要：平拋運動作為學(xué)生學(xué)習(xí)的第一類曲線運動，是學(xué)生對“勻速直線運動模型”“自由落體運動模型”“牛頓運動定律”“運動的合成與分解”的一次綜合運用.通過學(xué)習(xí)平拋運動這一模型建構(gòu)的過程，對于學(xué)生模型建構(gòu)能力向更高水平層級發(fā)展有著積極的作用.旨在對《平拋運動》一課進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，并從發(fā)展學(xué)生模型建構(gòu)能力的角度對該課教學(xué)進(jìn)行了思考和改進(jìn).

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu)；平拋運動；教學(xué)改進(jìn)

作者簡介：金晨（1993-），男，山西人，碩士研究生，研究方向：物理教育與心理發(fā)展；

李春密（1966-），男，北京人，博士，教授，研究方向：物理教育與心理發(fā)展.

美國科學(xué)建模教學(xué)理論的創(chuàng)立者海斯特斯（He-stenes）認(rèn)為，物理研究（或?qū)W習(xí)）的過程即對自然世界建模的過程.從這個意義上講，物理學(xué)科教學(xué)的重要育人價值之一即培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力.2017年版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出：物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分“科學(xué)思維”包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.明確要求學(xué)生應(yīng)當(dāng)具有“基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的意識和能力”，并依據(jù)情境的復(fù)雜程度和陌生程度將模型建構(gòu)能力劃分為五級水平.本文通過引導(dǎo)學(xué)生從實際情境出發(fā)體驗平拋運動模型的建構(gòu)過程，對于學(xué)生的模型建構(gòu)能力向更高層級發(fā)展有著積極的作用.

1教學(xué)背景分析

1.1教材分析

本節(jié)內(nèi)容選自人教版高中物理必修二第五章第2節(jié)平拋運動.

從知識結(jié)構(gòu)上來看，平拋運動是學(xué)生學(xué)習(xí)的第一類曲線運動，但區(qū)別于對圓周運動的研究，平拋運動采用的是直線運動的研究方法，巧妙地利用運動的合成與分解將其轉(zhuǎn)化成了學(xué)生熟悉的勻速直線和自由落體這兩種直線運動，體現(xiàn)了將復(fù)雜運動分解為簡單運動的物理思想.同時平拋運動模型也是之后機械能守恒問題以及勻強電場中帶點粒子運動問題中常用的物理模型.

從教材設(shè)計思路來看，首先給出了拋體運動和平拋運動的特征，然后通過理論推導(dǎo)，分別得出了平拋運動的速度和位移的表達(dá)式，最后將結(jié)論推廣到一般的拋體運動中.

1.2學(xué)情分析

在學(xué)生方面，選定的授課對象是高一普通班的學(xué)生，基于文獻(xiàn)分析和實踐經(jīng)驗，從知識背景，能力基礎(chǔ)和認(rèn)知困難三個方面進(jìn)行分析.

從知識層面來講，學(xué)生已經(jīng)熟練掌握了牛頓運動定律、勻速直線運動和自由落體運動，知道曲線運動可以分解為兩個方向上的直線運動.

從能力層面上講，學(xué)生具備一定的模型構(gòu)建能力、抽象思維能力和實驗探究能力，但對于高一的學(xué)生來說，這些能力仍需進(jìn)行進(jìn)一步的培養(yǎng).

從認(rèn)知困難上講，對于學(xué)生來說很難熟練地將高度抽象的物理模型與實際問題相聯(lián)系，這就要求教師特別注重情景的創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生體驗從實際情境出發(fā)建構(gòu)物理模型的過程；同時，雖然已經(jīng)知道可以使用運動的合成與分解分析曲線運動，但卻無法熟練掌握.

2重難點分析

2.1教學(xué)重點

基于勻速直線運動模型和自由落體運動模型，運用運動的合成與分解構(gòu)建平拋運動模型，并通過實驗探究對模型進(jìn)行驗證.

2.2教學(xué)難點

如何合理設(shè)置問題，搭設(shè)概念進(jìn)階的臺階，引導(dǎo)學(xué)生將平拋運動分解為水平和豎直兩個方向上的直線運動進(jìn)行分析，并設(shè)計實驗進(jìn)行探究.

3教學(xué)目標(biāo)

3.1物理觀念

通過體驗平拋運動模型建構(gòu)的過程，發(fā)展運動與相互作用觀；掌握并運用平拋運動模型發(fā)現(xiàn)和解釋生活中的平拋運動.

3.2科學(xué)思維

引導(dǎo)學(xué)生體驗基于經(jīng)驗事實構(gòu)建平拋運動模型的抽象概括過程；引導(dǎo)學(xué)生體驗并掌握運動的合成與分解等物理方法在分析曲線運動時的具體運用.

3.3科學(xué)探究

通過構(gòu)建平拋運動模型的過程，引導(dǎo)學(xué)生體驗科學(xué)探究的方法，在面對問題時，能運用科學(xué)的方式搜集證據(jù)，并作出合理解釋，與他人進(jìn)行交流.

3.4科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

培養(yǎng)學(xué)生處理問題時的證據(jù)意識；培養(yǎng)學(xué)生運用物理視角解決真實問題的意識.

4教學(xué)過程

2.是否可以根據(jù)平拋運動的特征，利用運動的合成與分解，將其分解之后進(jìn)行研究？

展示拋體運動軌跡實拍圖，明確拋體運動軌跡，并指出拋體運動開始時的速度叫做初速度，按照初速度的方向不同，可以將拋體運動分類

觀察、思考并認(rèn)真記錄進(jìn)一步觀察拋體運動軌跡實拍圖，讓學(xué)生認(rèn)識拋體運動的軌跡，明確拋體運動的分類

基于拋體運動的特征，總結(jié)歸納出平拋運動的特征：

水平方向：vx=v0

豎直方向：vy=gt思考并回答問題：利用運動的分解將平拋運動分解在水平、豎直兩個方向進(jìn)行研究總結(jié)平拋運動特征，通過問題引導(dǎo)學(xué)生利用運動的合成與分解研究平拋運動

由此提出定性的平拋運動模型的猜想：平拋運動可以分解為水平方向上的勻速直線運動與豎直方向上的自由落體運動思考并認(rèn)真記錄提出定性的平拋運動模型的猜想

模型驗證

1.如何通過實驗證明平拋運動在豎直方向上的分運動是自由落體運動？

2.如何設(shè)計實驗證明兩個小球任意時刻在豎直方向上到達(dá)的位置都是一樣的？

利用平拋豎落儀，通過演示實驗探究平拋運動在豎直方向上的運動與自由落體運動之間的關(guān)系

1.提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考并回答

2.展示平拋豎落儀并講解實驗

認(rèn)真思考、回答問題并觀察實驗，明確實驗原理、實驗操作和實驗現(xiàn)象，并得出結(jié)論

實驗原理：做平拋運動和自由落體運動的兩個小球在任意時刻處在同一高度

實驗操作：利用平拋豎落儀，在同一時間，同一高度，將兩個小球分別以平拋和自由落體拋出.然后改變高度，重復(fù)實驗

實驗現(xiàn)象：改變高度，兩個小球都能同時落地

通過教師演示實驗和學(xué)生分組實驗驗證定性的平拋運動模型猜想.在此過程中采用預(yù)測、觀察、解釋等教學(xué)策略，通過一系列問題搭設(shè)腳手架，引導(dǎo)學(xué)

5教學(xué)反思

1996年Halloun將基于模型的問題解決和教學(xué)過程分為5個階段：模型選擇、模型建立、模型驗證、模型分析和模型拓展（圖5）.Halloun認(rèn)為在教學(xué)中可以通過互動與辯證的歷程，幫助學(xué)生在建模歷程中發(fā)展其模型的有效性和遷移性，不過他也強調(diào)這5個階段并沒有等級的關(guān)系，甚至步驟會重疊.

本文基于Halloun的建模教學(xué)過程，設(shè)計了創(chuàng)設(shè)情境、建立定性模型、模型驗證、建立數(shù)學(xué)模型、模型分析與拓展5個教學(xué)環(huán)節(jié).引導(dǎo)學(xué)生從真實情境出發(fā)，基于自由落體運動模型和勻速直線運動模型提出定性平拋運動模型的猜想，通過實驗搜集證據(jù)驗證猜想，最終完成平拋運動數(shù)學(xué)模型的建構(gòu).最后利用該模型分析平拋運動相關(guān)問題，并拓展到斜拋運動中，力求發(fā)展學(xué)生基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的能力.

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