基于學習進階的新教材“實驗：探究平拋運動的特點”教學研究

汪建軍

（浙江省開化中學，浙江 衢州 324300）

基于2017年版《普通高中新課程標準》編寫的新教材已在普通高中內全面使用，新教材要求教師通過實驗引導學生思維，培養關鍵素養[1-2]。新教材中物理實驗教學的設置思路非常清晰，物理實驗的地位得到了顯著的提升，然而，在將新教材實驗部分的設計思想和教學要求落實到常態化物理實驗教學實踐過程中，往往缺乏前問題分析和對教學目標達成的分步分層解析，從而導致實驗教學表面化、斷層化。基于學習進階理論分析物理實驗教學，將實驗教學和學習變成一個有機的整體，有利于提高學生科學探究能力的達成，促進核心素養的提升。

本文從學習進階的角度分析了新教材“實驗：探究平拋運動的特點”教學理念和策略，改進了平拋運動實驗教學，給出了具體教學實踐過程，為應用學習進階指導新教材實驗教學做了一些有效的嘗試。

1 學習進階理論簡介

美國國家教育委員會（National Research Council）對學習進階進行了如下的總結和定位：學習進階描述的是學生在一定時間跨度內，對于某一主題、依次進階、逐漸熟練和深化的思維方式，這些思維方式能在主題學習和探究過程中得到連續發展[3]。學習進階理論將學生頭腦中原有零散碎片化的知識圍繞核心素養進行整合和進階，發展學生的科學思維，形成完整的物理觀念，是培養學生核心素養的有效途徑。用學習進階理論統領物理課程的教學，將物理課程的學習變成一個有機的整體，有利于學生知識體系的建構、物理觀念的形成和物理核心素養的提高。

2 新教材“實驗：探究平拋運動的特點”進階課堂教學實踐

人教版高中物理新教材必修第二冊的“實驗：探究平拋運動”一節相較于老教材的位置做了調整，置于“拋體運動規律”之前，“運動的合成和分解”之后，更加符合學生的認知規律，也凸顯了實驗教學地位，本節課知識跨度較大，在教學目標達成的過程中，需要教師對課堂教學環節進行循序漸進式的精心設計，需要教師引導學生對實驗方案進行分解細化和合理優化。

2.1 統一進階起點

學生的整體水平不盡相同，教學開始階段需要通過實例，創設情境，引導學生復習回顧已學知識，從而統一進階起點。

觀看鉛球、標槍、投籃、飛鏢投射等視頻并提問：“若忽略空氣阻力，以上這些運動有什么特點？請從受力和運動角度回答。”

學生分組討論并總結：這些運動都是曲線運動，在運動過程中只受重力作用。

2.2 進階節點教學過程

節點1：情境體驗，初識平拋運動模型。

圖1 套圈游戲

教師展示套圈游戲，全班學生分成四組，每組小組長進行比賽，在規定時間內誰套住的錐桶多誰獲勝。其他學生在下面觀賽并體會套圈運動的特點。

構建套圈游戲情景，學生參與其中，體會拋體運動的初速度和受力特點。通過對比分析，建立科學模型——平拋運動，并通過怎么套的準的問題為后面做好引入和鋪墊。

節點2：演示實驗，認識平拋運動軌跡。

圖2 水柱實驗

高一學生仍然處在思維從直觀型向邏輯抽象型過渡的階段，學習過程中還需要直觀的材料的展示和支持。平拋運動的研究對象是物體，同時更是物體運動的過程或者說運動的軌跡，故有必要在進入平拋運動規律的學習之前設立臺階，使學生直觀認識平拋運動的運動軌跡。

這里通過三種途徑依次遞進，清晰展示平拋運動軌跡。

演示實驗（1）：利用手機攝像慢動作甚至是超慢動作功能拍攝平拋運動過程并在多媒體端回放，學生觀察猜想平拋運動軌跡形狀，展開討論。

演示實驗（2）：利用細水柱實驗模擬平拋運動，通過水柱形狀展示平拋運動軌跡，引發猜想。

演示實驗（3）：通過DISlab二維運動傳感器采集平拋運動過程物體的軌跡坐標，并將軌跡坐標數據進行二次函數圖像擬合，直觀展示平拋運動的軌跡是一條拋物線。

通過三組實驗讓學生在依次通過討論、猜想、驗證三個階梯，遞進建立研究問題的一般過程，清晰認識平拋運動的軌跡。

節點3：傳統實驗，分析平拋運動特點。

圖3 DISlab數據擬合軌跡圖

教師通過設問引導學生進行平拋運動規律的理論分析，并和學生一同討論實驗方法，建立平拋運動水平方向和豎直方向運動特點的進階學習。

教師設問：

（1）平拋運動的受力和初速度方向之間有什么關系？

（2）我們應該如何對平拋運動進行分解？

（3）平拋運動水平方向受力嗎？應該做什么運動？

（4）平拋運動豎直方向有初速度嗎？應該做什么運動？

（5）如何驗證我們的分析是否正確？

教師引導學生思考，驗證豎直方向和水平方向的運動可分別構造對比實驗，通過對比水平方向和豎直方向上平拋運動與以其初速度為運動速度的勻速直線運動和自由落體運動是否同步運動來驗證理論分析。

學生分組討論，設計驗證實驗，畫出實驗設計草圖并交流，教師總結學生實驗設計，并找出閃光點和共同點。最后給出成熟實驗方案：運動獨立性實驗器和平拋豎落儀，并請學生完成實驗，觀察豎直方向和水平方向小球運動的同步性，從而驗證理論分析。

節點4：數字實驗，精析平拋運動數據。

圖4 運動獨立性試驗器和平拋豎落儀

運動獨立性實驗器和平拋豎落儀展示出運動的終點處，兩小球相撞或落地時間相等，實際是一種間接證明平拋運動水平和豎直兩方向上特點的方法。通過數字實驗得出運動數據，對其直接進行分析實驗，讓學生對平拋運動的規律有直觀的認識并學會定量處理實驗數據的方法。

教師設問：搞清楚平拋運動兩個方向的運動的關鍵是求得哪個物理量？

學生經過討論之后，認為決定運動的關鍵物理量為加速度。

教師布置任務，如何根據軌跡數據計算水平和豎直兩個方向上的加速度。提示學生類比分析打點計時器紙帶求加速度問題。學生采用小組合作的方式進行分析計算，得出結果。

教師展示利用計算機分析DISlab的二維運動傳感器采集的平拋運動數據，得出水平方向上的加速度為0，做勻速直線運動；豎直方向上的加速度約為當地重力加速度，做自由落體運動。與學生得出的結果進行比較，培養學生嚴謹的科學探究態度。

節點5：遷移應用，掌握平拋運動規律。

學生利用已學平拋運動知識解決開課活動：套圈游戲為背景的問題。呼應引課內容，鞏固平拋運動知識，促進學生掌握平拋運動規律，達到進階目標。

例題：“套圈圈”是許多人喜愛的種游戲，如圖6，小孩和大人在同一豎直線上的不同高度先后水平拋出小圓環，且小圓環都恰好套中同一個物體。若圓環的運動視為平拋運動，請分析兩人拋出的圓環運動時間的長短，兩人拋出的圓環出手速度的大小。

圖5 DISlab數字化平拋運動實驗

圖6 例題圖

3 學習進階指導實驗教學思考

學習進階理論充分關注進階起點，要求教師準確把握進階起點。實驗教學進階起點的把握除了考慮學生已有學科知識，同時還關注學生已有實驗能力，包括已完成相關實驗、已學會相關實驗測量方法、已了解相關實驗器材操作、已具備實驗設計能力和已具有的實驗探究經驗等，統一進階起點才能設置合理的進階路徑。

實驗教學進階節點的目標達成十分考驗教師能力、知識特點、學生基礎和實驗條件。在實驗教學中應充分重視實驗途徑的多樣化、實驗難度的遞進化，要求教師發揮自制實驗教具的能力，在已有實驗條件不足時，開發適合實驗節點目標達成的創新實驗。

在實驗教學過程中應用學習進階理論規劃教學過程，依據新教材、新課標和核心素養培養要求，分解教學目標，設置進階節點，根據每一節點設置合適的進階實驗。通過依次達成節點目標的學習進階教學模式有效降低了學生對實驗原理和實驗目的的理解難度，通過多個進階節點實驗的完成深度體會了實驗在物理學習和研究中的作用，有效訓練了學生科學探究的能力和嚴謹的科學探究態度。