《拋體運動系列仿真探究實驗》課件制作綜述

秦亮赪

● 亮點與創新點

本課件通過函數程序動畫真實模擬了物體的斜拋和平拋運動實驗規律，兩個典型的學生自主探究游戲式練習極大地激發了學生的學習興趣，多功能計算器能幫助學生迅速得到相關的函數數據。它以積件的形式出現，仿真性強，智能化高，藝術性實用性強，導航靈活，不僅適合于教師課堂教學，更適合于學生自主探究學習。

● 制作背景

平拋物體的運動是高中《物理》必修一第五章曲線運動規律學習的重要模塊特例之一，在學生學習理解了曲線運動的位移、速度、曲線運動的條件以及研究曲線運動的數學及物理方法（即一維、二維坐標系法和運動的合成與分解）后，我才安排他們具體學習平拋物體運動規律及一般拋體運動規律的理論知識，緊接著又安排學生進行研究平拋運動探究實驗，讓學生在實驗的具體過程中體驗和驗證各種規律的含義，從而達到理論與實踐相結合的目的。基于教材內容的科學安排，怎樣將信息技術和多媒體手段合理應用到此部分內容中幫助教師的教及學生的學，從而最大限度地提高教與學的效率，是近幾年我在教學過程中一直思考的一個問題，雖然先后做了大量的工作，制作了不少課件，但總覺得不盡人意。我經過認真探究發現主要存在這樣一些問題：①單純利用課件上理論課，學生會有走馬觀花的感覺，他們做筆記和思考的時間不夠，教師難于把握，可見一堂課全部用課件上課是有弊端的。②課件制作過程中所用到的動畫路徑機械單一，最多也只是重復播放，學生只能機械地接受，可信度不高，雖然形象直觀，但不能做到隨想隨到，屏蔽了學生形象創造的思維空間，對于部分習慣于機械接受的學生，甚至成為誤導，認為它只能這樣運動。③若考慮篇幅少，干擾因素小，則必定會造成內容單一，信息量不足，反之亦然。

● 設計思路與表現手法

為避免以上授課過程中出現的問題，本課件的設計并非為一個獨立的課件，而是以積件的形式集合在一起，設計有五個獨立的場景，導航靈活，可任意切換。

1.“仿真斜拋運動”場景

“仿真斜拋運動”設計了一個斜拋發射器，在0～180度范圍內輸入任意發射角和0～60m/s的任意發射速度，通過程序運算都能模擬出小球在對應參數下的斜拋運動現象，顯示出最終的運動軌跡和該參數下的軌跡方程及運動過程中小球的位置坐標。標記球配合步進按鈕可以描畫運動軌跡，兩個陰影按鈕可以顯示小球運動過程中的豎直投影和水平投影用于驗證小球在水平方向做勻速直線運動和豎直方向做豎直上拋運動的現象，動畫路徑可由參數任意設定，避免了單一路徑動畫的缺點（如圖1）。

2.“仿真平拋運動實驗”場景

“仿真平拋運動實驗”設計了平拋運動實驗的器材及運動現象的全過程，輸入0～16m/s（可視化范圍速度）的打擊速度，小球都能顯示在對應速度下的運動過程及相應的運動軌跡，同時還設計了同步自由落體運動和水平勻速運動的小球，用于驗證小球在水平方向上等效做勻速直線運動、在豎直方向上做自由落體運動的現象，附加隱藏按鈕便利了比較。步進按鈕是為靈活分析比較應用時所設計的。另外，落體加速度的數值也是可以改變的（默認為9.8m/s2），改變它可以模擬任意加速度下的類平拋運動規律（如圖2）。

3.“仿真平拋運動追勻速運動”場景

“仿真平拋運動追勻速運動”的設計取材于近幾年高考復習應用題中關于平拋運動規律復習與應用的一個經典常規練習題模型，只是將相應的參數做了靈活設定，飛機的運動速度設為變量，課件可以模擬飛機及炸彈在不同速度下的勻速運動及平拋運動現象，然后去追擊以固定速度運動的坦克，不能被炸彈追上的坦克完好，追上的則將會被炸毀。條件是，使用者必須要依據問題設計的過程，應用相應的物理知識計算出飛機丟彈能炸中坦克的速度，同時課件也會根據輸入的數據給予正確的判斷，這就將問題變成了游戲（如圖3、圖4）。

4.“仿真平拋運動與豎直上拋運動的相遇問題”場景

“仿真平拋運動與豎直上拋運動的相遇問題”的設計同樣是取材于近幾年高考復習應用題中關于平拋運動規律復習與應用的一個經典常規練習題模型，只是與上一個設計的運動過程不同罷了。但該問題的難度大多了，除了能考查學生對平拋運動規律和勻速直線運動規律掌握的情況外，還增加了豎直上拋運動的規律，相當于一個游戲的進階過程。問題情境為坦克固定，飛機以固定速度勻速運動并丟出炸彈，攔截系統同時發出豎直上升的炮彈，發射速度設為變量，兩彈不相遇，攔截失敗，擊毀坦克；兩彈相遇，攔截成功，坦克完好。條件是，使用者必須要依據問題設計的過程，應用相應的物理知識計算出攔截系統發射炮彈的初速度。

5.“仿真多功能計算器”

“仿真多功能計算器”設計的目的主要是為了使用者在使用時，特別是涉及關于函數問題的計算問題時，能方便查找對應的函數值，為使用者節省了大量的時間。必要時，也可以單獨使用（如圖5）。

● 教學設計建議及參數說明

該仿真斜拋、平拋物體的運動實驗智能動畫可以配合新課改人教版教材或其他教材內容幫助學生在學習第五章《平拋運動》新課時形象生動地理解斜拋及平拋豎直方向物體做豎直上拋運動或自由落體運動，水平方向做勻速直線運動的分運動規律。

1.使用方法

（1）仿真斜拋：在程序中重力加速度已經設定，可從文本框任意輸入斜拋初速度和仰射角角度值，來探究水平和豎直方向上分運動位移隨時間的變化及位移與初速度和仰射角的關系的規律。

（2）仿真平拋：在程序中下落高度y已經設定，即下落總時間一定，可從文本框中任意輸入平拋初速度和“重力”加速度的值來探究水平分運動位移x隨水平方向上初速度和豎直方向上加速度的變化規律。

2.輸入數據要求

由于窗口可視范圍有限，輸入的數據要在動畫范圍內可用，不能太大也不能太小，否則會影響仿真演示效果，操作中軟件有提示。

（1）仿真斜拋：仰射角角度設定為：0～180度（0和180度時為平拋），初速度可視范圍值約為12～60m/s。

（2）仿真平拋：初速度可視范圍值約為0～26m/s，加速度可視范圍值約為0～100m/s2。

3.探究重點

（1）仿真斜拋：①通過小球的動畫觀察斜拋物體的運動軌跡。②由暫停按鈕確定小球位置不斷拖動標記球描畫小球運動軌跡。③通過小球動畫及水平和豎直方向影子的動畫觀察小球水平方向和豎直方向上等效的分運動現象，即勻速直線運動和豎直上拋運動。在此基礎上引導學生得出斜拋運動的規律公式。④另外，一是讓小球初速度不變如55不變，輸入0～180度內不同的角度值，觀察水平位移和豎直位移隨角度變化的規律。即水平方向0～45度逐漸增大，45～90度逐漸減小，豎直方向上0～90度位移始終增大的現象。二是讓入射角度不變（如45度），輸入12～60左右的速度值，觀察水平及豎直位移都隨速度增大而增大的現象。⑤讓角度為90度，觀察豎直上拋運動現象，通過數據的變化體會位移先增大到最大后減小為零以及運動的對稱性等規律的含義。

（2）仿真平拋：①重點觀察水平方向和豎直方向上小球等效的分運動現象并以平拋運動小球的運動現象進行比較，讓學生充分感知水平方向上的勻速直線運動和豎直向下的自由落體運動規律。在此基礎上引導學生得出平拋運動的規律公式。②讓小球初速度不變如9不變，輸入不同的加速度值，觀察水平位移隨加速度減小而增大的類平拋運動的運動規律。還可以讓加速度不變，如9.8m/s2，輸入0～26左右的速度值，由于高度一定觀察水平位移都隨速度增大而增大的現象。

4.仿真探究應用

兩個仿真探究應用問題是平拋運動規律應用的兩個經典例型。題目以游戲形式出現，如果想擊中目標，學生必須先由所學習的平拋物理知識進行準確計算。

● 技術應用處理

課件各場景中的背景圖樣及元件所用圖樣全部由我作圖繪制，圖形結構采用基本圖形工具繪制再用選擇工具點主線條拖制而成，顏色主要采用“線性”或者“放射狀”設計多種色塊組合填充成圖形元件后再轉換影片剪輯，用“濾鏡”效果凸顯出它的立體效果。

課件中的所有動畫都不是簡單的補間動畫，主要采用了幀動作程序循環的方式控制元件的坐標而實現，這也是游戲開發中常見的應用方法之一。作為拋體運動的動作程序函數體多以一次函數和二次函數為主，斜拋運動還要用到正、余弦函數，為了實現模擬物體的運動規律與實際運動規律嚴格吻合，在編寫這部分程序（及腳本語言）時，要多下功夫，反復測試，直到完全正確為止。限于篇幅，不再詳解。

為了實現數據輸入、觸發計算、結果的判斷與選擇等程序的運算過程，從而將運算結果賦予實例，且能夠導航靈活，幀動作、按鈕動作、影片剪輯動作這三種動作程序就必須要有機配合。

● 評價與反思

課件充分利用Flash軟件強大的動畫功能真實地模擬了斜拋運動、平拋運動及拋體運動的追擊運動現象，由輸入數據控制動畫類型和所需要的實驗現象，應用部分能對結果進行智能判斷并做出合理評價，過程可選，能設計問題，探究性、趣味性強，能輔助實驗教學等，這些是該課件的成功之處。但經過反復實驗我認為其實本課件還可以做以下一些修改：①將5個場景做成5個獨立的.swf影片文件，以方便獨立應用，再應用外部影片加載函數體組合為一個整體。②增加顯示運動軌跡和軌跡函數文本內容（評委的建議，現已解決）。③還要多設計幾個探究應用問題使內容更加豐富完善。最后添加一個12個題左右的限時考查測評系統用來評價學生的學習效果。

● 幕前幕后

說句心里話，2006年之前由于忙于課堂教學我對多媒體教學手段幾乎是一無所知，2007年初一個偶然的機會，我在網站上看到了NOC活動的相關信息，當時已成功舉辦了四屆，我被活動的規模、嚴密的組織形式和取得的成就所深深吸引。特別是公平公正的評價機制就連評委裁判的任職都要層層考試和選拔，這使得我們這些身在大山里的教育者熱血澎湃，看見有那么多的鄉村教師也能在大賽中獲獎，從而激發了我的創造熱情，我開始研究各種軟件。在2007年，我小試牛刀的作品竟然獲得了湖北省二等獎，從此便一發不可收拾。2008年第一次獲得NOC活動一等獎，這次又獲得第十屆NOC活動一等獎。可以這樣說，是NOC活動組委會給了我創造的沖動，激發了我的創造靈感。在這里，我要特別感恩NOC活動給廣大師生提供了這樣展示能力的平臺，愿我們一起向更高更強的目標奮斗！

評委印象

當秦老師一開始演示這個作品時，我并無新鮮感。但當我仔細研究教材和這款軟件之后，才明白這款小程序做得很有味道。它力圖通過函數程序動畫來模擬物體的斜拋和平拋運動實驗規律，讓使用者可以根據需要靈活探究，設計不同的拋體運動模擬演示實驗過程，兩個典型的自主探究游戲式練習能極大地激發學生的學習興趣。實驗場景和現象仿真性強，提供了實際實驗中沒有的智能化判斷。作品界面清新俊美，藝術性、實用性強，導航靈活。其中“仿真斜拋運動”可以通過人工暫停、標記制作拋物線軌跡，“仿真平拋運動”可以由程序自動生成拋物線軌跡；另外兩個仿真探究應用問題是平拋運動規律應用的兩個經典例子，促使學生練習平拋相關物理知識，能極大地調動學生學習的積極性。多個場景中都有“復位”功能鍵，“復位”功能好，簡潔明了地回到數據初始狀態，便于使用者及時進行數據調整。“軟件說明”對學習者有很好的引導作用。這款學習軟件是用套件的形式把多個小程序組合到一起，操作時可以不分先后，交互性強，使用起來非常靈活。雖然在美工上還有些欠缺，但是使用卻很方便，功能扎實，內涵豐富。

該課件既可以作為教師課堂教學使用，也可以作為學生的自學軟件。高中學生的差異性較大，自學能力強，如果能在“一對一”教學的網絡教室中，讓學生自行演練揣摩，學習效果會更好。而高中學生對界面的美工方面，要求可能會低一點，他們更注重實用效果，所以對高中學生來說這是一個很好的學習軟件。

但課件也略有不足：①封面的探照燈功能所做的圓形遮罩，有畫蛇添足的感覺；畫面上的游龍也感覺除了花哨外，沒有其他作用；②5個小程序使用的場景雷同，只是在顏色上簡單做了區分，給人感覺不夠細膩，如果5個程序分別制作成不同的小程序套裝在一起更好；③每次“清屏”時，都會閃過“計算器”小程序的界面，不知道是什么原因。

陳斌 NOC活動評委/山東省淄博市博山區教育體育局