基于核心素养的平抛运动实验探究式教学设计

  李  峥（重庆市求精中学校  400015）

物理概念、科学思维、实验探究、科学责任与态度是高中物理的核心素养，而实验探究中主要要求能够提出物理问题，形成猜想和假设，获取和处理信息，基于证据得出结论并做出解释，以及对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。“实验探究”主要包括问题、证据、解释、交流等要素。基于对核心素养的理解我们把物理人教版必修2第五章第三节《实验：探究平抛运动》教学设计如下：

一、教材分析

在课程标准中明确指出要会用运动合成与分解的方法分析抛体运动，分别以物体在水平方向和竖直方向的位移为横坐标和纵坐标，描绘做抛体运动的物体的轨迹。同时要求学生关注平抛运动与日常生活实际的联系。

而本节教材安排在曲线运动与平抛运动之后，让学生利用实验室器材描绘平抛运动的轨迹并判断轨迹是否为抛物线，同时利用轨迹计算平抛运动的初速度，旨在培养学生的实验探究能力及科学素养。

二、学情分析

通过前面知识的学习，学生已经初步了解了运动的合成与分解及其遵循的规律。知道合成与分解是处理曲线运动的基本思路和方法，同时学生已经初步掌握了匀变速直线运动及平抛运动的基本规律，具有一定的实验探究能力。

三、教学目标

（一）、知识与技能

1、能描绘出平抛运动的轨迹

2、能判断平抛运动的轨迹是否为抛物线

（二）、过程与方法

1、通过猜想与假设，培养学生创新能力

2、小组合作交流，培养合作意识

3、通过微课学习，培养自主学习能力

（三）、情感、态度和价值观

1、经历科学探究过程，培养细致严谨的科学精神

2、通过实验创新及设计，培养学生的自主学习及合作意识

四、教学重难点

（一）、教学重点

1、描绘平抛运动的轨迹

2、判断平抛运动的轨迹是抛物线

（二）、教学难点

1、探究实验方案设计

五、教学过程

（一）、新课引入

播放微课：平抛运动及其基本规律

（利用微课唤醒学生记忆，让学生回顾平抛运动及其规律）

（一）、新课教学

我们已经知道了平抛运动的规律可以利用运动的合成与分解来处理，那么我们能否利用实验室给定的器材设计实验方案来描绘平抛运动的轨迹呢？

1、实验器材；斜面小槽、平板、光电门，小球，手机，刻度尺

2、自主设计、合作交流。要求学生在设计实验时思考以下问题：

（1） 本实验的目的是什么？

（2） 需要什么器材？

（3） 怎样进行实验？

（4） 实验数据如何处理？

（5） 实验注意事项及改进？

（设计这5个问题分别旨在培养学生的计划素养、问题解决素养、实践素养、数学素养及创新与创造力素养）

3、通过教师引导、学生分组交流可得出以下方案：

方案：让小球每次从斜面小槽同一位置静止释放，从末端水平抛出，利用手机拍摄其运动视频，利用逐帧播放的方式显示其运动轨迹，利用电脑绘图描绘出其运动轨迹。

图1：平抛运动演示仪                    图2：手机拍摄平抛运动轨迹

通过手机录制视频，我们能够非常清晰的得到平抛运动的抛物线轨迹，那么我们能否利用该轨迹计算平抛运动的初速度呢？

 

 

通过小组交流得出以下数据处理方案：为了求出平抛物体的初速度，要画出三条等距（Δx）、平行于y轴的竖直线与轨迹交于A、B、C三点，如图4所示。然后分别过A、B、C三点作三条水平直线，A、B两点竖直距离为y₁, A、C两点竖直距离为y₂,由Δx =v₀T和Δy= y₂-2 y₁=gT²,解得：v₀=Δx y2-2 y1(g) y2-2 y1(g).

我们已经完成了平抛运动的轨迹描绘及初速度的计算，那么同学们对这个实验有何评价呢？

（通过对实验评价这一开放性问题，培养学生的科学态度与责任，让学生能够基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是）

通过小组合作交流得出以下共识：本实验操作简便，同时利用光电开关可以验证平抛运动在水平方向上是匀速直线运动及竖直方向上是自由落体运动。但实验轨迹的描绘误差较大，特别是实验数据的处理相对比较困难，需要建立坐标系，同时测定不同位置时对应的坐标进行重复计算。

传统实验确实在轨迹描绘及数据处理上有它的局限，那么我们是否能够通过DIS实验解决这一问题呢？

（播放微课，让学生了解二维DIS实验系统研究平抛运动的实验操作原理、步骤、实验数据处理）

 

 

    实验：用二维平抛运动实验系统研究平抛运动

    1、实验器材：朗威DISlab二维运动传感器、二维平抛运动实验器、计算机。

2、实验操作步骤：

（1）连接实验仪器，调节平抛轨道末端水平；

（2）将示抛器放置在斜槽顶端释放器内，静止释放，将缓冲装置置于示抛器落点位置；

（3）打开DISlab软件，点击“零点设置”，将二维运动发射器沿水平轨道移动2-4cm后点击“水平校准”；

（4）将二维运动发射器放置于斜槽顶端的释放器内，点击“开始记录”，系统自动记录下二维运动发射器平抛运动轨迹及坐标值；

（5）点击“停止记录”，利用实验记录的数据分别点击“X”及“Y”，能够得到发射器在水平及竖直方向上的分运动轨迹，点击“二次拟合”对轨迹进行拟合，得到实验数据情况如图7，点击“加速度”可计算出竖直方向上的加速度，与当地的重力加速度进行比较。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

通过DIS实验记录数据，我们能够得到什么结论？

（旨在培养学生的推理能力，分析、综合能力及利用数学工具处理物理问题的能力）

小组交流，得出结论：平抛运动在水平方向上是匀速直线运动，竖直方向上是自由落体运动，其轨迹是一条抛物线。

你认为传统实验和DIS实验各有哪些优劣？

（旨在培养学生的科学思维，能够对问题进行质疑和创新，能够对结果进行交流、评估及反思）

小组交流，形成共识：传统实验操作性强，能够让我们充分了解平抛运动的运动特征及规律，但轨迹描绘和数据处理均较复杂；DIS实验能够直观的描绘出平抛运动的轨迹，同时对实验数据的处理精确，能够方便的得出实验结论，但实验的过程性体现不充分。

六、教学反思

教学中充分尊重学生主体，让学生在实验操作及数据处理过程中发现问题，解决问题。注重对学生科学思维、实验探究及科学态度及责任等核心素养的培养。利用传统改进实验及DIS实验分别对平抛运动进行了探究，并比较两者的优劣，让学生既体验了实验的过程，又注重了平抛的规律和结论。

本教学中不足之处是对教材中的参考案例运用较少，学生的形成性体验和实践意识的培养还有欠缺。