高中物理開放性作業模式的相關研究

一、物理學中的開放性作業的理論溯源與價值重構

1．理論依據。（1）建構主義學習理論（Piaget，1970）：強調學習者通過同化與順應主動構建知識體系。在本作業設計中，學生需經歷“發現現象（同化） $$ 修正前概念（順應） $$ 建立物理模型（平衡）”的認知過程。例如：觀察到游樂場“大擺錘”的變速圓周運動時，需修正“勻速圓周運動\"的固有認知，重新建立向心力變化的動態模型。（2）多元智能理論（Gardner，1983）：作業設計需匹配學生的優勢智能類型。（3）SOLO分類理論（Biggs，1982）：將作業目標劃分為單點結構 $$ 多點結構 $$ 關聯結構一抽象拓展四個層次。例如，單點結構：識別自行車輪轉動為圓周運動；抽象拓展：建立輪胎打滑臨界速度與摩擦系數的函數關系。

2.教育價值。“生活中的圓周運動”開放性物理作業布置旨在引導學生從日常生活中挖掘物理現象，通過觀察、記錄、分析身邊的圓周運動實例，甚至通過觀察生活中的物理現象來自己命制試題（利用開放性作業來開展學生命題比賽）來加深學生對物理概念和原理的理解與掌握。同時，培養學生合作能力、動手能力、創新能力等。因此，開放性作業具有較高的教育價值。

二、立足學生設計出有創意的靈活的開放性作業

在設計“生活中的圓周運動”開放性作業時，我們要有創意，讓學生有強烈的完成欲望。首先需要給學生確定具體的探究目標：讓學生識別和列舉日常生活中常見的圓周運動實例，區分勻速圓周運動和非勻速圓周運動，結合圓周運動的實例理解線速度、向心加速度、向心力等概念。這樣能幫助他們認識到物理原理在現實生活中的廣泛應用，增強理論與實踐的結合。基于ADDIE教學設計模型，構建包含分析 $$ 設計 $$ 開發 $$ 實施 $$ 評價五個階段的作業框架。

1．現象觀察階段。（1）任務分層設計：基礎層：識別3種生活場景中的圓周運動（完成率 100% ）；進階層：拍攝慢動作視頻分析運動軌跡（如用水珠標記自行車輪邊緣點）；創新層：設計離心運動安全警示裝置（如洗衣機脫水桶自動斷電模型）；（2）工具包支持：Phyphox手機傳感器測量向心加速度；Tracker視頻分析軟件獲取運動參數；GeoGebra動態模擬向心力變化曲線。

2.模型建構階段。（1）問題鏈引導：以“旋轉飛椅”為例： Q1 ：座椅懸繩與豎直方向夾角 θ 與轉速 ω 有何關系？Q2：若游客質量為 ?_m ，推導向心力 F 表達式；Q3：當 ω 超過臨界值時會發生什么危險？如何計算安全轉速？（2）認知沖突創設：預設錯誤前概念：“轉速越快離心力越大”；通過 F=mω²r 公式推導揭示向心力本質；用棉花糖機制作實驗驗證（轉速過高導致糖絲斷裂）。

3．開放式作業設計思考。具體作業任務可以設定為“發現并記錄三種不同類型的圓周運動現象，并分別闡述它們的運動特點。”如：自行車騎行時車輪的轉動：車輪邊緣上的任意一點做的是勻速圓周運動，涉及到的知識點有角速度、線速度、周期、向心力等；擺鐘擺動：單擺的上下擺動實際上是圍繞平衡位置的一個小角度圓周運動，與簡諧振動相關；進而研究豎直面內的圓周運動等，這些運動都涉及離心力、周期等相關知識點。然后，教師可以要求學生在找到這些現象的基礎上，用物理公式和概念去解析背后的力學原理，繪制必要的示意圖，甚至可以模擬實驗或者制作模型來輔助解釋和展示。這樣既能檢驗學生對圓周運動基本概念和公式的掌握程度，又能訓練他們將抽象物理知識應用于具體情境的能力，從而提升他們的科學素養和實踐能力。

4．開放式作業設計樣本。開放性作業應該是靈活多樣的，讓不同學生有不同的選擇，充足考慮學生的差異和個性化，例如，學生可以是觀察生活中的圓周運動（自行車、摩天輪等），也可以是自己動手完成的圓周運動（如水流星，圓錐擺等）。研究的具體問題也可以有選擇性，例如：學生可以是測圓周運動線速度，也可以是測圓周運動的加速度，或者是研究向心力，從而降低學生完成難度提高學生學習興趣。

三、攜手同心師生共同完成開放性作業的布置和跟蹤

在布置“生活中的圓周運動”開放性作業的階段，教師應確保清晰明確地傳達作業目標與要求，激發學生的學習興趣和主動性，跟學生一起共同協商作業的布置。例如，明確作業內容與目標：教師可以在課上詳細說明作業任務，強調學生需要在生活中發現并記錄至少三種圓周運動現象，并對其進行詳細描述和物理分析。例如，除了提到的自行車輪轉動、衛星繞地球運動和投擲物體的拋物線軌跡之外，還可以包括游樂園里的旋轉木馬、汽車轉彎時輪胎的運動、陀螺儀的穩定轉動等。強調自主學習和解決問題的方法：教師指導學生利用多種途徑獲取信息，比如查閱物理教材、學術文章、科普書籍，也可以在網上搜索相關視頻和圖文資料，甚至親自去公園、游樂場等地實地觀察和記錄圓周運動現象。提供指導和建議：教師可以推薦一些適合學生研究的資源平臺，提醒學生在研究過程中注意記錄數據、拍攝照片或錄制視頻，以便后續分析和匯報。在跟蹤學生完成“生活中的圓周運動”開放性作業的過程中，教師扮演著關鍵的指導和支持角色。例如，教師可以設立專門的線上答疑平臺或時間，及時回答學生在尋找和分析圓周運動實例過程中遇到的具體物理問題。例如，當學生對如何精確測量自行車輪轉動的角速度產生疑問時，教師可以提供測量方法，指導學生利用手機慢動作拍攝，配合計時工具，計算單位時間內車輪轉動的角度。鼓勵學生開展小組合作，每個小組指定一個讓動手能力強的學生帶動其他組員共同研究，定期組織線上或線下小組討論會，分享各自的觀察結果和分析思路，促進相互學習與啟發。例如，不同的小組可能選擇了不同的圓周運動實例，通過比較和討論，可以讓學生更全面地理解和掌握圓周運動的各種表現形式。教師可通過查看學生上傳的研究日志、初步報告或進展匯報，實時了解學生的研究進程和理解水平。

四、團結協作師生一起面對問題，討論并反饋

在學生提交“生活中的圓周運動”開放性作業的初步報告后，進入問題與反饋階段，教師需針對每份作業提出有針對性的問題，引導學生進行深入思考和作業完善。例如，首先，針對自行車輪轉動的案例，教師可能提出如下問題：你如何通過實測數據推算出車輪邊緣點的線速度和角速度？在自行車行駛過程中，摩擦力是如何影響車輪轉動的穩定性？請具體分析輪胎與地面間的滾動摩擦力、靜摩擦力的作用。如何用向心力公式分析自行車轉彎時車輪與地面之間的力的關系？其次，對于衛星繞地球運動的案例，教師可能提出以下問題：衛星沿橢圓軌道運動時，其角速度、線速度如何變化？為什么會有這種變化？分析地球引力如何充當衛星做圓周運動的向心力，并嘗試計算衛星在特定軌道高度處的運行速度和周期。最后，對于投擲物體的拋物線軌跡，但教師可引導學生思考：拋體在空中飛行時，哪些物理量（如速度、加速度）具有方向和大小的變化？如何用二維坐標系描繪拋體的運動軌跡？如果拋體在某一瞬間只有水平速度，且忽略空氣阻力，那么它的軌跡是否會變成圓的一部分？請從受力分析角度解釋。在給出這些問題的同時，教師還需要對學生的工作成果給予建設性的反饋，肯定他們的優點，指出不足之處，并給出改善建議。

五、以評促學讓學生在鼓勵中收獲和成長

在評價階段，教師需要根據預設的評價標準，對學生的“生活中的圓周運動”開放性作業進行全面、細致的評估。教師應考查學生是否準確理解了圓周運動的基本概念，如角速度、線速度、向心加速度、向心力等，并能夠靈活運用于不同的生活場景中。例如，學生在分析地球同步衛星的運動時，是否正確解釋了為何衛星必須保持一定的角速度和高度才能實現同步。學生選擇的生活中的圓周運動實例是否典型，描述是否詳盡、準確，能否將復雜的物理現象以通俗易懂的方式展現出來。考查學生是否能有效地運用物理學原理來分析所選圓周運動實例，是否能準確計算相關物理量，如速度、加速度等，并揭示背后蘊含的物理規律。例如，學生在分析過山車經過環形軌道時，是否正確運用向心力公式分析了乘客在最高點和最低點所受的支持力變化情況。評價學生在完成作業過程中，是否遵循了科學探究的一般步驟，如觀察、假設、實驗、分析、結論等，是否體現了科學精神和嚴謹態度。

責任編輯 徐國堅