基于模型建構教學的《平拋運動》教學設計

金晨　李春密

摘要：平拋運動作為學生學習的第一類曲線運動，是學生對“勻速直線運動模型”“自由落體運動模型”“牛頓運動定律”“運動的合成與分解”的一次綜合運用.通過學習平拋運動這一模型建構的過程，對于學生模型建構能力向更高水平層級發展有著積極的作用.旨在對《平拋運動》一課進行教學設計，并從發展學生模型建構能力的角度對該課教學進行了思考和改進.

關鍵詞：模型建構；平拋運動；教學改進

作者簡介：金晨（1993-），男，山西人，碩士研究生，研究方向：物理教育與心理發展；

李春密（1966-），男，北京人，博士，教授，研究方向：物理教育與心理發展.

美國科學建模教學理論的創立者海斯特斯（He-stenes）認為，物理研究（或學習）的過程即對自然世界建模的過程.從這個意義上講，物理學科教學的重要育人價值之一即培養學生的模型建構能力.2017年版普通高中物理課程標準指出：物理學科核心素養的重要組成部分“科學思維”包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.明確要求學生應當具有“基于經驗事實建構物理模型的意識和能力”，并依據情境的復雜程度和陌生程度將模型建構能力劃分為五級水平.本文通過引導學生從實際情境出發體驗平拋運動模型的建構過程，對于學生的模型建構能力向更高層級發展有著積極的作用.

1教學背景分析

1.1教材分析

本節內容選自人教版高中物理必修二第五章第2節平拋運動.

從知識結構上來看，平拋運動是學生學習的第一類曲線運動，但區別于對圓周運動的研究，平拋運動采用的是直線運動的研究方法，巧妙地利用運動的合成與分解將其轉化成了學生熟悉的勻速直線和自由落體這兩種直線運動，體現了將復雜運動分解為簡單運動的物理思想.同時平拋運動模型也是之后機械能守恒問題以及勻強電場中帶點粒子運動問題中常用的物理模型.

從教材設計思路來看，首先給出了拋體運動和平拋運動的特征，然后通過理論推導，分別得出了平拋運動的速度和位移的表達式，最后將結論推廣到一般的拋體運動中.

1.2學情分析

在學生方面，選定的授課對象是高一普通班的學生，基于文獻分析和實踐經驗，從知識背景，能力基礎和認知困難三個方面進行分析.

從知識層面來講，學生已經熟練掌握了牛頓運動定律、勻速直線運動和自由落體運動，知道曲線運動可以分解為兩個方向上的直線運動.

從能力層面上講，學生具備一定的模型構建能力、抽象思維能力和實驗探究能力，但對于高一的學生來說，這些能力仍需進行進一步的培養.

從認知困難上講，對于學生來說很難熟練地將高度抽象的物理模型與實際問題相聯系，這就要求教師特別注重情景的創設，引導學生體驗從實際情境出發建構物理模型的過程；同時，雖然已經知道可以使用運動的合成與分解分析曲線運動，但卻無法熟練掌握.

2重難點分析

2.1教學重點

基于勻速直線運動模型和自由落體運動模型，運用運動的合成與分解構建平拋運動模型，并通過實驗探究對模型進行驗證.

2.2教學難點

如何合理設置問題，搭設概念進階的臺階，引導學生將平拋運動分解為水平和豎直兩個方向上的直線運動進行分析，并設計實驗進行探究.

3教學目標

3.1物理觀念

通過體驗平拋運動模型建構的過程，發展運動與相互作用觀；掌握并運用平拋運動模型發現和解釋生活中的平拋運動.

3.2科學思維

引導學生體驗基于經驗事實構建平拋運動模型的抽象概括過程；引導學生體驗并掌握運動的合成與分解等物理方法在分析曲線運動時的具體運用.

3.3科學探究

通過構建平拋運動模型的過程，引導學生體驗科學探究的方法，在面對問題時，能運用科學的方式搜集證據，并作出合理解釋，與他人進行交流.

3.4科學態度與責任

培養學生處理問題時的證據意識；培養學生運用物理視角解決真實問題的意識.

4教學過程

2.是否可以根據平拋運動的特征，利用運動的合成與分解，將其分解之后進行研究？

展示拋體運動軌跡實拍圖，明確拋體運動軌跡，并指出拋體運動開始時的速度叫做初速度，按照初速度的方向不同，可以將拋體運動分類

觀察、思考并認真記錄進一步觀察拋體運動軌跡實拍圖，讓學生認識拋體運動的軌跡，明確拋體運動的分類

基于拋體運動的特征，總結歸納出平拋運動的特征：

水平方向：vx=v0

豎直方向：vy=gt思考并回答問題：利用運動的分解將平拋運動分解在水平、豎直兩個方向進行研究總結平拋運動特征，通過問題引導學生利用運動的合成與分解研究平拋運動

由此提出定性的平拋運動模型的猜想：平拋運動可以分解為水平方向上的勻速直線運動與豎直方向上的自由落體運動思考并認真記錄提出定性的平拋運動模型的猜想

模型驗證

1.如何通過實驗證明平拋運動在豎直方向上的分運動是自由落體運動？

2.如何設計實驗證明兩個小球任意時刻在豎直方向上到達的位置都是一樣的？

利用平拋豎落儀，通過演示實驗探究平拋運動在豎直方向上的運動與自由落體運動之間的關系

1.提出問題，引導學生思考并回答

2.展示平拋豎落儀并講解實驗

認真思考、回答問題并觀察實驗，明確實驗原理、實驗操作和實驗現象，并得出結論

實驗原理：做平拋運動和自由落體運動的兩個小球在任意時刻處在同一高度

實驗操作：利用平拋豎落儀，在同一時間，同一高度，將兩個小球分別以平拋和自由落體拋出.然后改變高度，重復實驗

實驗現象：改變高度，兩個小球都能同時落地

通過教師演示實驗和學生分組實驗驗證定性的平拋運動模型猜想.在此過程中采用預測、觀察、解釋等教學策略，通過一系列問題搭設腳手架，引導學

5教學反思

1996年Halloun將基于模型的問題解決和教學過程分為5個階段：模型選擇、模型建立、模型驗證、模型分析和模型拓展（圖5）.Halloun認為在教學中可以通過互動與辯證的歷程，幫助學生在建模歷程中發展其模型的有效性和遷移性，不過他也強調這5個階段并沒有等級的關系，甚至步驟會重疊.

本文基于Halloun的建模教學過程，設計了創設情境、建立定性模型、模型驗證、建立數學模型、模型分析與拓展5個教學環節.引導學生從真實情境出發，基于自由落體運動模型和勻速直線運動模型提出定性平拋運動模型的猜想，通過實驗搜集證據驗證猜想，最終完成平拋運動數學模型的建構.最后利用該模型分析平拋運動相關問題，并拓展到斜拋運動中，力求發展學生基于經驗事實建構物理模型的能力.

參考文獻：

[1]教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]李春密.中學物理實驗教學研究[M].北京：北京師范大學出版社，2018.

[3]郭玉英，姚建欣.基于核心素養學習進階的科學教學設計[J].課程·教材·教法，2016（11）：64-70.

[4]王碩，趙瑩，李春密.核心素養視角下《互感和自感》的教學設計[J].中學物理，2017，35（11）：31-34.

[5]Halloun I. Schematic modeling for meaningful learning of physics[J]. Journal of Research in Science Teaching， 1996， 33（9）：1019–1041.

[6]Hestenes D. Toward a modeling theory of physics instruction[J]. American Journal of Physics， 1987， 55（5）：440-454.