基于STEAM教育理念探究拋體運動的特點

汪成瑞 肖劍聰 任衛平

(寧夏回族自治區賀蘭縣第一中學,寧夏 銀川 750299)

1 引言

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》明確指出：高中物理課程目標是進一步提升學生的物理學科核心素養。[1]物理課堂教學的各環節均需要做出改變,在教學觀念方面應注重培養學生的問題解決能力,在教學內容方面應強調以情境化的問題為載體,在課堂活動方面應關注學生的主體性,在教學評價方面應在重視學習結果的同時關注學習過程。

STEAM理念強調基于問題情境,期望學生利用科學、技術、工程、藝術、數學等知識設計模型,在問題解決的過程中,達成知識和能力的協調發展。STEAM教育重視學科的綜合化,物理學科核心素養則指向培養全面發展的人,二者“出發點”與“落腳點”相互契合。[2]

2 利用床弩探究拋體運動的特點

對于高中生而言,拋體運動看似復雜,究其本質卻是已有知識的組合,學生雖已具備勻速直線運動、勻加速直線運動、運動的合成與分解等相關知識基礎,但拋體運動規律依然是學習難點,他們難以將問題情境轉化為物理模型,進而運用已有知識解決問題。為此,我們試圖利用床弩彈射鋼珠為學生創設一個真實的拋體運動情境,組織學生通過小組合作進行實驗探究,探尋拋體運動的特點,從而在活動中培養學生的物理學科核心素養。

2.1 床弩簡介

床弩是一種古代攻城器械,能將弓弦的彈性勢能轉化為箭矢的動能。此次實踐活動是依據床弩原理,利用生活中常見物品完成小制作(圖1),其中包括底座、滑軌、皮筋、皮兜、弩架等部分,實驗時在水平臺面上將鋼珠沿滑軌彈出,研究鋼珠運動的特點。

圖1

2.2 基于床弩的實驗探究

如圖2所示,鋼球離開滑軌后做曲線運動,因此本探究運用運動合成與分解知識,首先研究其中一個方向的運動規律,再設法分析另一個方向的運動規律,最后運用數學方法總結出鋼珠運動的軌跡特點。

圖2

2.2.1 實驗儀器、實驗步驟與注意事項

實驗儀器為：學生自制的床弩、水準儀、攝像機、卷尺、鋼球、重垂線等。

實驗步驟為：(1) 制作、組裝床弩;(2) 將床弩置于一定高度的臺面上,利用水準儀將滑軌所在平面調至水平;(3) 固定重垂線,將卷尺平行于重錘線放置;(4) 調整攝像機,錄制高清視頻;(5) 開啟攝像機錄制功能,拉伸皮筋,將鋼珠射出,錄制鋼珠的運動過程;(6) 收集數據,用計算機軟件分析數據,得出結論。

注意事項為：(1) 實驗應在無風的環境中進行,最好在室內完成,以減小風對實驗的干擾;(2) 選取體積較小、質量較大的金屬小球,小球直徑與床弩滑軌的內徑相近;(3) 為保證實驗結果準確,必須用水準儀調整小球發射面水平;(4) 調整攝像機參數,確保錄制畫面清晰。

2.3 實驗數據與處理

本實驗所用方法類似頻閃照相法,獲取實驗數據的步驟如下：(1) 將錄制好的視頻導入視頻剪輯軟件,選擇幀率為24幀/秒;(2) 逐幀觀看,首次出現小球畫面時,選擇以PNG格式導出靜幀畫面;(3) 逐幀導出畫面,直至小球落地;(4) 用圖像處理軟件打開導出的靜幀畫面,添加標尺;(5) 以小球下落的第一個像點為參考點,建立參考線,從參考線上讀出此像點的橫、縱坐標;(6) 在圖片中的卷尺上用參考線標出70.00 cm,讀出縱坐標差值,用于圖片中坐標值的比例換算(圖3)。

圖3

將小球首次出現的點記為O點,依次標注A、B、C等,實驗數據如表1所示。

表1

2.3.1 分析鋼珠在水平方向上的運動特點

依據運動的合成與分解,可以把此段運動分解為豎直方向的運動與水平方向的運動,我們先分析鋼珠在水平方向上的運動特點。引導學生先利用所學知識做出推理,鋼珠被彈射出滑軌后,水平方向具有初速度,忽略空氣阻力,因此在水平方向上鋼珠做勻速直線運動。

以時間t為橫坐標、水平位移x為縱坐標,利用Excel軟件繪制散點圖(圖4),得到公式x=0.698 3t+0.002 5。截距數值較小,可忽略,斜率為水平方向的速度vx=0.698 3 m/s,可見鋼珠在水平方向上做勻速直線運動。

圖4

2.3.2 分析鋼珠在豎直方向上的運動特點

引導學生分析在鋼珠豎直方向上運動,其初速度為零,且只受重力作用,因此鋼珠在豎直方向上應做自由落體運動。

表2

圖5

2.3.3 分析合運動特點

圖6

3 結語

基于STEAM教育理念開發床弩項目,引導學生進行科學探究,利用計算機軟件輔助數據處理,將復雜的拋體運動進行分解,通過動手實踐、小組探究、交流分享等活動幫助學生加深對運動合成與分解的理解,得到鋼珠的水平運動、豎直運動、合運動的特點。

讓學生親歷探究過程,學習效率較高,能以多樣化的方式來評價學生的學習。基于此教學理念,指導學生設計、制作床弩,用床弩完成科學探究,培養學生的物理學科核心素養與跨學科綜合能力,深刻體現了科學(S)、技術(T)、藝術(A)、數學(M)的融合(表3)。

表3

將STEAM教育理念與物理探究實驗相融合,落實了物理學科核心素養的培養要求,促進了學生的全面發展。通過這樣的項目學習,可幫助學生體驗運用知識解決情境化問題的樂趣,激發學生學習的積極性,培養了學生的合作探究能力、邏輯思維能力和創新能力。