促進深度學習的實驗教學創(chuàng)新設(shè)計
——以“實驗:探究平拋運動的特點”為例

曹 會

(江蘇省外國語學校,江蘇 蘇州 215104)

深度學習是指在教師引領(lǐng)下,學生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學習主題,全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學習過程,[1]具有注重批判理解、強調(diào)內(nèi)容整合、促進知識建構(gòu)、著意遷移運用等特征.[2]觀察、實驗與科學思維相結(jié)合,是物理學科的基本特征,[3]此特征也正體現(xiàn)了伽利略創(chuàng)生的“實驗+邏輯推理”為核心的科學思維方式和科學研究方法.

為達成學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展,依托實驗教學過程,踐行深度學習理論,抓住物理學的基本特征進行教學設(shè)計,是比較有效的教學途徑.

基于此,筆者結(jié)合平拋運動課堂教學的多年實踐,整合多元化實驗教學資源,著意實驗情境的演進和遷移,針對新課標、人教版新教材“實驗:探究平拋運動的特點”一課,進行了創(chuàng)新教學設(shè)計.

1 研讀新課標,制定教學新目標

1.1 課標要求

通過實驗(已列為學生必做實驗),探究并認識平拋運動的規(guī)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.[4]

1.2 教學目標

(1) 物理觀念:理解拋體運動、平拋運動物理概念,知道平拋運動水平方向和豎直方向運動的特點,進一步在平拋運動中應(yīng)用運動與相互作用觀.

(2) 科學思維:能夠從實際運動中抽象和構(gòu)建出拋體運動、平拋運動理想化物理模型,會利用運動分解的思路分析平拋運動,會從對比和定量分析等角度對平拋運動的特點進行科學論證,對實驗方案和實驗現(xiàn)象提出質(zhì)疑及評價,進行創(chuàng)新設(shè)計.

(3) 科學探究:能夠快速聚焦平拋運動實驗探究中的核心問題及研究思路,提出水平和豎直方向運動特點的合理猜想和假設(shè),會設(shè)計多種實驗方案收集平拋運動現(xiàn)象及數(shù)據(jù),利用師生合作和同伴互助等方式完成實驗操作,在師生的交流評價中正確描述和論證實驗結(jié)論.

(4) 科學態(tài)度與責任:對平拋運動特點的探究充滿好奇,全身心積極參與、體驗實驗探究的全過程,體會將復雜運動分解為簡單運動思想的科學本質(zhì),體會探究成功的快樂.

2 研讀新教材,優(yōu)化教學設(shè)計

2.1 教材剖析

人教版新教材必修2把“平拋運動實驗”的位置作了調(diào)整,置于“拋體運動的規(guī)律”之前,“運動的合成與分解”之后,這樣的調(diào)整更符合人們認知發(fā)展規(guī)律,也凸顯了實驗教學地位.為了充分體現(xiàn)實驗探究的重要過程,體現(xiàn)完成探究任務(wù)可以有不同方法的思想,新教材并沒有直接給出非常確定的操作方案和程序,[5]而是給出兩個理念層面的實驗方案,方案均以比較開放式的問題串形式展開,還給出了一個較為傳統(tǒng)的“參考案例”(舊版本3個案例)和一個“拓展學習”案例(舊版本“做一做”欄目),兩個案例方法的內(nèi)核均指向“軌跡法”,“練習與應(yīng)用”中以開放性習題形式呈現(xiàn)了一些其他研究方法.

2.2 教學設(shè)計

操作方案的不確定性和案例的參考性,給師生帶來更大操作空間的同時,也無疑增加了“教學方案”落地的挑戰(zhàn)性.挑戰(zhàn)性還在于傳統(tǒng)方案“軌跡法”的太過粗糙性,“頻閃照相法”課堂教學的不可操作性,錄制視頻“視頻分析法”技術(shù)說明的空白性.

這些挑戰(zhàn),需要教師對課堂教學環(huán)節(jié)精心設(shè)計,需要師生對實驗方案逐步細化和對案例合理優(yōu)化,需要學生全身心積極參與式的深度學習.

2.2.1 直奔主題,明確實驗研究內(nèi)容——平拋運動的特點

實驗引入:手持小鐵球從靜止狀態(tài)自由釋放,在空氣阻力可以忽略的情況下,小鐵球的運動可視作自由落體運動.小鐵球拋出時若給以一定初速度,物體只受重力作用,這個運動叫做拋體運動,如果初速度是沿水平方向的,這樣的拋體運動就叫做平拋運動.

聚焦問題:我們曾經(jīng)通過實驗的方法得到自由落體運動的特點和規(guī)律,那么平拋運動的速度和位移隨時間的變化規(guī)律又是怎樣呢?又如何得到呢?我們本節(jié)課就來一起探究物體做平拋運動的特點.

2.2.2 循循善誘,理清實驗研究思路——運動的分解

問題導入:還記得在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗中,我們采取“控制變量”的實驗研究思路,那么對平拋這種曲線運動,我們將采取怎樣的研究思路呢?

學生受到前一節(jié)知識的影響,容易回答出:“采用運動分解的處理思路,即‘化曲為直’的思想方法”.但分解到哪兩個方向,不能強加給學生,教師要進行合理引導,使科學思維發(fā)展的過程變得“水到渠成”.

啟發(fā)追問:我們已經(jīng)知道平拋運動的物體是沿著水平方向拋出,并在運動過程中只受到豎直向下的重力作用,那么將這個運動分解到哪兩個方向進行研究更為合理呢?從動力學角度推測這兩個方向又可能是怎樣的運動呢?

學生根據(jù)平拋運動初速度和受力方向特點容易回答出:“將平拋運動分解為水平方向的分運動和豎直方向的分運動進行研究,水平方向具有初速度且不受力應(yīng)該是勻速直線運動,豎直方向初速度為零且只受重力應(yīng)該是自由落體運動”.

2.2.3 鑒古通今,初探實驗設(shè)計方案——對比實驗法

圖1

情景再現(xiàn):如圖1所示,是著名的伽利略比薩斜塔自由落體運動實驗,本實驗被評為十大最美麗實驗之一,其巧妙之處在于利用了對比研究法,實驗現(xiàn)象一目了然.

遷移提問:探究平拋運動在豎直方向分運動的特點,是否也可以借用這種方法呢?如果可以,設(shè)計怎樣的實驗裝置?

方案交流:可以利用對比的方法,控制兩小球同時從同一高度開始平拋運動和自由落體運動,觀察它們下落是否同步.

實驗方案:教師演示實驗裝置“運動的獨立性實驗器”如圖2所示,A小球沿傾斜軌道滾下,滾到水平段獲得水平速度,運動到水平軌道末端時通過觸發(fā)開關(guān)使B小球開始下落,直接觀察兩小球是否同時著地.

圖2

俄國著名教育學家烏申斯基說過:“比較是一切理解和思維的基礎(chǔ),我們正是通過比較來了解世界上的一切.”本環(huán)節(jié)正是運用對比研究的實驗方法來確定A、B兩小球在豎直方向運動的一致性,為進一步抽象概括平拋運動規(guī)律做好準備.

2.2.4 揭示問題,創(chuàng)新實驗觀察方法——視頻分析法

揭示問題:在圖2的實驗中,A、B兩小球著地時速度很快,你真看清兩球同時著地了嗎?是否可以改進觀察方法,若使學生能夠看到下落過程中兩小球始終保持同步,會更具說服力.

方案交流:自由落體運動實驗中我們曾經(jīng)利用過頻閃照相的研究方法,本實驗可以借助類似的思想,通過錄制視頻,然后逐幀播放再現(xiàn)兩小球運動過程.

錄制方案:使用單反數(shù)碼相機(佳能5D Mark III)的M檔進行視頻錄制(快門1/4000 s,ISO500,光圈4.0),采用高清每秒30幀視頻錄制模式.[6]

觀察方法:運用播放軟件QuickTime對小球下落的視頻逐幀播放(鍵盤上左右方向鍵控制),選每一幀作為一個計數(shù)幀,視頻分析截圖如圖3.

圖3 視頻截圖

通過視頻分析表明,平拋運動豎直方向分運動為自由落體運動.

2.2.5 合作探究,親歷實驗探究過程——等時描點分析

跟進提問:我們已經(jīng)通過演示實驗探明,平拋運動在豎直方向的分運動是自由落體運動,那水平方向真的是勻速直線運動嗎?如何通過實驗進一步證明,請大家利用桌面上的器材(2154型平拋運動實驗器,如圖4)設(shè)計實驗.

圖4 平拋運動實驗器

圖5 實驗記錄紙

方案交流:按照1∶4∶9∶25∶36∶49比例設(shè)置接球板豎直高度,控制每兩次記錄點間時間間隔相等,描繪出小球落點位置,觀察水平間距是否相等.

實驗方案:學生分組實驗,利用坐標紙(毫米分度)作為平拋運動參考系,調(diào)節(jié)底座上調(diào)平螺釘使圖板處于豎直平面,每次讓鋼球從定位器前開始滾下,逐次將接球板從上到下以如表1中高度承接鋼球(由于裝置部件的限制,0.5 cm高度無法測量),鋼球在接球板上的落點用筆記錄在坐標紙上(也可直接觀察接球板上小球落點位置印記的分布).

某一實驗小組實驗記錄如圖5,各點的位置坐標記錄如表1.

表1 各記錄點的位置坐標及水平間距(落點印記相對較大不再估讀)

各組數(shù)據(jù)處理表明,在誤差允許范圍內(nèi)小球在相等時間間隔內(nèi)水平位移相等,即小球在水平方向做勻速直線運動.

2.2.6 深度探究,聚焦實驗視頻分析——全面定量研究

深度分析:通過視頻分析發(fā)現(xiàn),對比實驗研究法雖好,但對圖2實驗裝置中觸發(fā)開關(guān)的斷電時間要求較為苛刻,可能會造成平拋運動小球與自由下落小球下落不同步的現(xiàn)象,若能通過實驗直接對平拋運動進行定量研究,計算出平拋運動豎直下落的加速度大小,與重力加速度比對,會更加嚴謹?shù)氐贸鼋Y(jié)論.

方案交流:錄制單個小球平拋運動的視頻,通過視頻分析法定量分析運動情況,利用位移差公式求出豎直方向運動的加速度.

實驗方案:本方案對數(shù)據(jù)精確性要求較高,多次實驗表明平拋小球要足夠小(直徑2 mm左右為宜),小球下落距離限制在10 cm內(nèi).自制平拋運動演示器如圖6,利用不銹鋼彎吸管作為小球加速軌道(口徑5 mm),輔助重錘線和水平儀對坐標紙、吸管水平端進行校準.

圖6 自制的平拋運動演示器

使用每秒60幀視頻錄制模式,運用播放軟件對小球下落的視頻逐幀播放,選每一幀作為一個計數(shù)幀,課堂教學時師生借助白板共同讀取并標記小球位置.某次實驗,小球位置如圖7所示(因版面需要,小球7幀照片已整合在一起),坐標如表2(估讀的精確性很重要,讀數(shù)時可以采取放大后二次測量的方法[6]),本實驗可進一步描點繪制平拋運動軌跡.

圖7 小球平拋運動軌跡圖

表2 各記數(shù)幀小球的位置坐標及數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理表明,在誤差允許范圍內(nèi),小球相等時間間隔內(nèi)水平位移Δxn近似相等(1.8 cm～1.9 cm),相等時間間隔內(nèi)的豎直方向位移之差ΔY近似為一定值(0.3 cm左右).進一步通過逐差法可求出豎直方向加速度為9.96 m/s2,可認為豎直方向做自由落體運動.

誤差分析:多次實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),所求得的加速度均比實際值偏大,且隨著小球下落高度的變大,水平位移Δxn和豎直方向位移之差ΔY均有變大的趨勢,原因可能來自于： (1) 拍攝運動小球時,相機無法做到“平視”讀取小球位置,為獲得位置坐標的清晰圖像,相機離小球運動平面較近,小球離坐標紙總有一定距離,在下落過程中小球的位置變化量隨著視角的變化被“放大”; (2) 隨著小球速度變大,在相機曝光時間內(nèi)小球圖像被虛化變形甚至有輕微拖影,均會造成讀數(shù)誤差; (3) 小球運動平面與坐標紙平面很難完全平行,也會造成誤差.

3 小結(jié)

本案例是基于新課標、新教材,在實驗教學中促進學生深度學習的一次嘗試,也是“多元化物理實驗教學資源的整合”[7]、“核心素養(yǎng)為主旨,學生為主體,教師為主導,情境演進為主線”為核心框架的“四主”教學模式[8]在實驗教學中的綜合應(yīng)用.

傳統(tǒng)的實驗教學特別學生分組實驗教學,往往會出現(xiàn)把學生拉到實驗室“放羊式”走過場,或者教師播放實驗錄像取而代之等現(xiàn)象,這與物理學科的基本特征不符合,只關(guān)注結(jié)論,忽視了實驗過程的獨特育人功能.要改變這種現(xiàn)狀,只有讓促進深度學習的科學探究學習方式在實驗課堂教學中真正發(fā)生.

立足于新課標、新教材,如何促進深度學習對實驗課堂進行教學設(shè)計,筆者認為需要教師做好以下幾個方面: (1) 研讀新課標,制定指向核心素養(yǎng)的高階思維發(fā)展目標,引導學生逐步達成; (2) 研讀新教材,細化清晰的實驗研究內(nèi)容及方案,引導學生積極探究; (3) 整合教學資源,創(chuàng)設(shè)真實有序的實驗情境及問題,引導學生批判建構(gòu); (4) 優(yōu)化師生活動,保持持續(xù)的反饋交流和評價,引導學生深度反思.