基于STEM理念的“探究平拋運動規律”案例分析①

李白靈 楊曉梅

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021)

1 引言

教育部在《教育信息化“十三五”規劃》中明確指出：要積極探索STEM等新教育模式的應用,著力提升學生能力,促進學生的全面發展。STEM教育具有跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性等特點，強調解決真實問題,通過跨學科整合教學過程,強調知識與能力并重,重視創新能力培養,注重知識的跨學科遷移及其與學習者之間的關聯。筆者在“探究平拋運動規律”的教學中,根據教學需求自制平拋運動演示儀，探索STEM理念與高中物理課程的融合途徑。

2 平拋運動演示儀的研制

2.1 儀器制作及其工作原理

本儀器是根據高中物理中平拋運動的教學需求制作的,用來探究平拋運動規律。利用串并聯電路、電磁鐵、接近開關等滿足同時性的實驗條件,探究平拋運動在水平和豎直方向上的運動規律。利用手機拍攝功能與ScreenToGif軟件相結合，生成可顯示小球運動軌跡的圖片,以解決實驗現象難以觀察的問題。

該儀器的電路如圖1所示，現結合圖2說明其工作原理。電路由三個電磁鐵、兩只開關等組成,接通開關K1,電磁鐵C、D開始工作，分別吸住小鐵球C1、D1。斷開開關K1,電磁鐵C、D停止工作,C1、D1同時運動。K2是位于軌道A末端的常閉接近開關,當小鐵球運動至軌道A的末端時會觸發接近開關,斷開支路,電磁鐵E停止工作,E1球自由下落。

圖1

圖2

2.2 實驗過程

(1)探究小球在豎直方向上的運動規律

把小球C1放在軌道A的水平位置上,把小球E1吸在電磁鐵E上,使兩球位于同一高度。斷開開關K1,觀察球C1、E1的運動情況。

(2)探究小球在水平方向上的運動規律

接通開關K1,使電磁鐵C、D吸附的小鐵球C1、D1距兩軌道水平部分的高度相等。斷開開關K1,觀察兩球的運動情況。

2.3 實驗視頻的錄制與處理

由于小球下落時的速度較快,實驗現象難以用肉眼觀察清楚,可利用智能手機對實驗過程進行視頻錄制、慢放，具體操作如下：

(1)將手機固定,調至“慢動作”模式錄制視頻；

(2)把視頻導入電腦,打開ScreenToGif軟件,選中“編輯器功能”，在“媒體或項目”中打開已錄制的視頻,從視頻導出各幀畫面；

(3)選中小球開始運動的第一幀,點擊“圖像”插入“形狀”中的圓,之后的每一幀中都會出現一個圓。根據此方法依次將小球的每一個位置標記出來,最終生成GIF格式的圖片(圖3)。

圖3

3 基于STEM理念的“探究平拋運動的規律”教學設計

3.1 教學目標

針對STEM教育的4個維度,圍繞“探究平拋運動的規律”教學,筆者制訂了具體的教學目標(表1)。

表1

3.2 教學流程

筆者設計的教學流程如圖4所示。

圖4

4 結語

筆者基于STEM理念，創設飛機投彈的教學情境,根據教學需求設計、自制平拋運動演示儀，創新使用ScreenToGif軟件展示實驗過程中難以觀察的現象,既培養了學生學習物理的興趣,同時也提升了學生的邏輯推理能力。在教學引入和實驗探究環節充分融入了科學和工程的因素,為學生提供了更為廣闊的思考空間,提升了學生的工程思維能力,使學生能從演示儀的原理入手,熟練地將本課中有關平拋運動的物理原理應用到生活情境中,提升解決實際問題的能力。