基于“科學實踐評估任務”模板落實核心素養的高中物理教學設計

趙欣

摘?要：本研究嘗試基于美國的“科學實踐評估任務”模板，依據我國2017年版《普通高中物理課程標準》的要求，對高中物理課題“籃球的拋體運動研究”做出教學設計.教學設計突出STEAM理念和跨學科融合，旨在通過創設情景，提出問題;參與討論，開發和使用模型;設計問題解決方案;實施調查，運用數學和計算機思維分析和解釋數據;參與討論，獲取、評估和交流信息五個主要教學環節促進學科核心素養的落實.

關鍵詞：科學實踐評估;核心素養;籃球拋體運動;教學設計

文章編號：1008-4134（2020）11-0028中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

1?問題的提出

為適應未來社會經濟發展的要求及提高國際教育競爭力，美國國家科學基金會資助的“研究+實踐合作實驗室”開發了“科學實踐評估任務（Integrating Science Practiceinto Assessment Tasks，簡稱ISPAT）”模板，以評估學生是否掌握了2014年美國頒布的《新一代科學教育標準》（簡稱NGSS）.此評估任務模板涉及科學與工程實踐、跨領域概念和學科核心概念3個維度的內容，并為教育工作者和教師提供實施STEM教育的建議.實驗室研究并公布的ISPAT模板給出了科學與工程實踐教學中10種可能的任務安排，分別為：（1）提出問題（科學）;（2）明確問題（工程）;（3）開發和使用模型;（4）設計方案，實施調查;（5）分析和解釋數據; （6）運用數學和計算機思維;（7）構建解釋 （科學）;（8）設計問題解決方案 （工程）;（9）參與基于證據的討論;（10）獲取、評估和交流信息.提倡科學教育應該在問題情景中學習學科核心概念，重視學生的學習過程，在實踐中促進知識的掌握和解決問題能力的提升.

教育部2018年1月頒布了2017年版《普通高中物理課程標準》（以下簡稱新課標）.新課標中凝練了“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四大物理學科的核心素養，同樣特別指出“重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實.”由此可見，美國的“科學實踐評估任務”模板對我國的科學課程的具體實施有一定的借鑒價值.

由此，我們對2019年6月人民教育出版社出版的《普通高中教科書——物理》教材中必修第二冊第五章“拋體運動”之第四節“拋體運動的規律”的內容做了較為深入的挖掘，嘗試以“斜拋運動的規律”為物理核心知識，以解決籃球運動中投籃命中率為切入點，在解決實際情景問題的過程中，應用上述ISPAT模板落實科學與工程實踐教學中的任務安排.

2?教學背景分析

2.1?課標要求與教學內容分析

新課標對本章的要求：

（1）通過實驗，了解曲線運動，知道物體做曲線運動的條件.例1 觀察生活中的曲線運動，如投籃時籃球的運動軌跡.

（2）通過實驗，探究并認識平拋運動的規律.會用運動合成與分解的方法分析平拋運動.體會將復雜運動分解為簡單運動的物理思想.能分析生產生活中的拋體運動.

從學習內容上分析，本節內容安排在學生學習平拋運動的規律之后，以解決生活中的實際問題——提高學生投籃命中率為出發點，通過研究斜拋運動，拓展對運動多樣性的認識，進一步提高力與運動關系的認識.通過將較為復雜的曲線運動（斜拋運動）分解為水平方向上的勻速直線運動和豎直方向上的上拋運動，讓學生再次體會物理學中化繁為簡的研究方法，同時在研究過程中忽略空氣阻力，突出重力的作用，幫助學生逐漸學會建立理想化模型.

本節從提升學生核心素養和發展學生學習能力的角度，啟發學生依據平拋探究斜拋運動規律，有益于遷移創新能力的培養.學生在分析實際問題的過程中，面對較為復雜的影響因素，通過小組討論、研究成果的展示和交流，學習解決實際問題的流程.同時思考物理模型與客觀現實的差異，理解科學不斷探索、追求真理的本質.

2.2?學情分析

高一年級的學生，通過前期曲線運動的學習，初步掌握了將復雜運動分解為簡單運動的研究方法，但應用還不夠熟練.對于生活中常見的斜拋運動，將感性認識上升為物理規律的能力不足.雖然對于身邊的實際物理問題表現出興趣，但面對復雜的影響因素，無從下手，將物理理想模型和實際情景問題建立聯系的能力有待加強.雖然在實驗室學習了研究運動問題的基本操作，但收集和處理數據的能力較差.對于運動傳感器的相關知識儲備少.

2.3?重難點分析

教學重點：斜拋運動模型在實際情景中的應用.

教學難點：解決實際問題的流程和分析方法.

2.4?學習目標分析

（1）熟悉多因素影響下，通過分類，層層遞進、逐漸深入的研究方法.

（2）了解斜拋運動的特點，建立和使用斜拋模型，應用復雜運動分解為簡單運動的方法，分析生活中的拋體運動.

（3）學習解決實際問題的流程，設計和實施調查研究，了解變量的選擇和控制方法.

（4）運用數學和計算機分析和解釋數據.

（5）了解傳感器技術在實際生活中的應用.

3?教學過程

3.1?創設情景，提出問題

教師活動：播放小視頻明確實際問題——幫助梁同學解決一個有關籃球運動的問題.

學生活動：觀看視頻，激發興趣，引起思考.

教師活動：問題的聚焦——討論并介紹不同的投籃方式，確定研究方向為不改變運動軌跡的空心投籃方式.

學生活動：參與討論并明確研究方向.

教師活動：問題再度聚焦——運用影響因素分類的研究方法，通過層層深入、逐漸遞進的方式，確定主要影響因素的評價標準（如圖1）.

學生活動：學習因素分類的研究方法，通過討論將籃球的科學訓練方法轉化為可衡量和可操控的物理量.

設計意圖：以學生常見的實際問題引入，突出任務為中心的學習，利于激發學生的學習興趣.另外，面對眾多復雜的影響因素，學生常常會迷惑研究方向，教師引入社會學領域分類研究的方法，實現問題的聚焦，明確研究的方向.

3.2?明確主要影響因素，開發和使用模型

教師活動：引導提高梁同學空心投籃命中率的主要因素的討論，組織合作學習小組討論確定評價標準：（1）個人可控因素;（2）可衡量（測量）;（3）短期內可操控.

學生活動：以小組合作學習的形式參與討論，明確主要因素的評價標準.同時通過組內討論和組間的發言，確定——出手初速度v0的大小，運動員與籃筐的水平距離L，投出點的高度h，出手角度θ四個物理量為主要影響因素.

教師活動：引導建立和運用斜拋模型.

學生活動：遷移已學習的平拋運動模型建立斜拋運動模型，分析其軌跡、速度、位移的特點，得出相關方程（如圖2），為下面的研究提供物理動力學原理的依據.

設計意圖：通過問題的聚焦和討論，幫助學生體驗科學探究過程中的研究方法——突出主要因素，忽略次要因素.同時，將實際情景和物理理想模型建立聯系，物理知識的獲取過程從被動接受變為主動需要.

3.3?討論并設計問題解決方案

教師活動：使用乒乓球發球機（如圖3）進行實驗演示，模擬籃球的斜拋運動（發球機的內部出球口為一斜面，如圖4），通過控制按鈕可以調節出球速度.同時在出球口安裝了測量出球速度的光電門裝置，并與傳感器數據采集器連接，可顯示乒乓球經過光電門的時間，估算出球速度，對出球速度進行量化控制.

在其他因素不變的前提條件下，只改變以下因素：（1）改變出球角度;（2）改變速度（用光電門傳感器監控）;（3）改變出球高度，研究對落點的影響.

學生活動：觀察實驗現象，關注實驗中變量的控制和自變量變化對因變量的影響.

教師活動：組織提高空心投籃命中率問題解決方案的小組討論，討論問題主要包括：（1）自變量、因變量的選擇？（2）如何控制變量？（3）測量哪些數據？（4）訓練建議？

學生活動：討論本組需要研究的提高同學空心投籃命中率問題的解決方案.

設計意圖：由于學生缺乏解決此類問題的實際經驗，考慮到教室的場地條件和安全性，教師設計利用乒乓球發球機模擬籃球的拋體運動，讓學生體驗實驗中控制變量的研究方法，觀察某一自變量改變對運動軌跡的影響，有助于學生問題解決方案的設計.

3.4?實施調查，運用數學和計算機思維分析和解釋數據，提出初步的問題解決方案

教師活動：組織研究小組展示研究成果.

學生活動：研究小組展示研究成果（學生匯報發言）.

研究目標：解決籃球場罰球線投籃命中率問題.

研究因素：出射角度θ（自變量）和初速度v0（因變量）大小對定點空心投籃命中率的影響.

斜拋模型函數關系式如下：

v20=gL22Lsinθcosθ-2cosθcosθ（H-h）

測量數據（如圖5）：

L——投球點到籃筐中心投影點的距離.

H——籃筐高度.

h——籃球射出點的高度.

控制變量和數據的測量結果見表1.

數據處理（見表2）：H=3.05m，h=2.26m，L=4.2m（罰球線）.不同角度下，對投球速度大小的要求.以及H=3.05m，h=2.26m，L=6.75m（三分線）.不同角度下，對投球速度大小的要求（利用出射角度θ和初速度v0的斜拋函數關系式編程，以5°為間隔，輸入自15°至85°的出射角度值，Excel函數自動計算投籃命中需要對應的初速度值）.

訓練建議：（1）強化習慣出手角度的對應速度練習（借助專業運動傳感器，播放相關視頻）;（2）在H=3.05m，h=2.26m下，建議在50°左右將球拋出，所需要的初速度較小，較為保存體力.

設計意圖：經過各學習小組初步的討論后，由教師課下指導的研究小組示范其已經完成的研究成果，對其他小組的研究起到示范和引領作用，將課堂研究延續至課后.

3.5?參與基于證據的討論，獲取、評估和交流信息

教師活動：組織其他研究學習小組參與探討理想模型在實際應用中的問題.建議將新的物理原理（如流體動力學）和新的研究變量（如入筐角度）等引入，不斷深化研究，最終起到指導科學訓練，提高投籃命中率的目的.

學生活動：其他學生聽取和學習研究成果，并對研究的問題進行交流與討論.以上研究在實際應用中的問題包括：（1）空氣阻力的影響;（2）籃球的旋轉問題;（3）籃球入筐的射入角問題;（4）投出后的攔截問題.

教師活動：播放運動系統、捕捉系統和數據庫技術在運動仿真領域應用的視頻資料.展示文獻資料的查閱情況：如在“中國知網”上有關“人體運動傳感器”的研究僅有8篇.

學生活動：觀看視頻，了解運動傳感器領域有關應用和人體運動傳感器的研究現狀.

設計意圖：在研究小組完成匯報后，引導其他學習小組對其成果提問與質疑，交流與討論，提升學生的合作學習與交流展示能力.通過探討理想研究和實際問題的差異，體會科學探究不斷深入與修正，逐漸接近科學真理的過程.了解物理動力學原理和計算機技術在體育運動領域的應用，體驗正確運用科學技術造福人類的過程，同時知道我國在運動仿真和傳感器領域的不足之處，激發學生學習的動力與責任感.

參考文獻：

[1]郭玉英，姚建欣，彭征.美國新一代科學教育標準述評[J].課程·教材·教法，2013，33（08）：118-127.

[2]王保艷，馮永剛.美國《新一代科學教育標準》探析[J].國際教育研究，2015（04）：96-100.

[3]楊愛茜，李輝.基于MATLAB對籃球運動軌跡的仿真研究[J].體育科技，2015，36（05）：27-29.

[4]吳地，高楊峽.籃球拋球和勾手中的力學知識[J].中學物理教學參考，2019，48（03）：38-39.

[5]彭恩.曲線運動在籃球運動中的應用[J].中學物理教學參考，2016，45（09）：49-50.

[6]鄧陽，王后雄.科學教育的新篇章：美國《下一代科學教育標準》及其啟示[J].教育科學研究，2014（05）：71-76.

[7]郭榮華.基于虛擬現實技術的籃球運動三維仿真研究[J].自動化與儀器儀表，2018 （11）：60-62.

[8]李寧，馬瀟曼，周亞輝.單手肩上投籃技術特征研究現狀與評述[J].廣州體育學院學報，2019，39（03）：94-100.

（收稿日期：2020-02-20）