基于“主題牽引 問題驅動”的“平拋運動”教學設計

王寶成 周 航

（1.南京航空航天大學蘇州附屬中學，江蘇 蘇州 215000；2.蘇州大學物理科學與技術學院，江蘇 蘇州 215006）

2017版的《普通高中物理課程標準》提出，物理教學不能僅以知識為線索來開展，只重視學生對知識的獲得，而忽略學生物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).物理學科的核心素養(yǎng)是學生在學習物理過程中逐步形成的知識積淀、思維品質(zhì)、能力表現(xiàn)、科學思想以及科學的情感、態(tài)度和價值觀的綜合體現(xiàn)，因此，教師在物理教學中，探索新途徑，幫助學生培養(yǎng)科學思維，激發(fā)其對科學探究的興趣，成為了優(yōu)化物理教學和提升學生物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分.

平拋運動是一種典型的曲線運動，更是教學過程中的重難點.本文以“平拋運動”主題為牽引，依托問題驅動，探討“平拋運動”教學設計思路.

1 經(jīng)典電影視頻，創(chuàng)設實際情景

將經(jīng)典電影引入物理課堂，不僅可以引起學生的共鳴，更激發(fā)了學生學習新知識的欲望，進而提升教學質(zhì)量，也更好地落實核心素養(yǎng)教學理念.

情景導入：如圖1所示，2015年《速度與激情7》上映，其中有一片段，范迪塞爾和保羅沃克駕駛著全球僅有的幾輛超級跑車，在阿布扎比的摩天大樓之間飛越，跑車留下了一道紅色的運動軌跡.

圖1 跑車飛躍摩天大樓

問題1：在現(xiàn)實中，跑車飛越大樓這種場景是否可以實現(xiàn)呢？需要具備哪些條件？

問題2：跑車的運動軌跡具有什么特點？是不是拋體運動？

設計意圖：學生通過觀察電影視頻，可以感受到學習該運動的重要性，雖不能定量分析跑車的運動，但可知道跑車運動的軌跡為曲線.通過情景導入，激發(fā)學生的學習興趣，引導學生構建平拋運動的物理模型，培養(yǎng)學生的科學思維能力.

2 依據(jù)實際情景，構建物理模型

基于實際情景，提出問題.

問題3：跑車在運動過程中還受到了哪些力？

問題4：如何定義平拋運動？該運動具有什么特點？

引導學生以跑車為研究對象，忽略空氣阻力等因素，定義跑車的運動為平拋運動，將物體以一定的初速度拋出，如果物體只受重力作用，這種運動叫做拋體運動.若初速度方向是水平的，則為平拋運動.

設計意圖：通過生動的原始問題，激發(fā)學生解決物理問題的熱情.在綜合分析物理問題時，忽略次要因素，提煉和構建具體的物理模型，是一種重要的科學思維方式.

3 平拋運動知識的理論分析

問題5：跑車的運動是直線還是曲線？可以把它分解成哪兩個方向？

問題6：猜想跑車在水平和豎直方向分別做什么運動？為什么會做這樣的運動？

引導學生分析跑車的運動過程，并指導學生將運動過程進行分解，即分析物體在某個方向上發(fā)生了哪類具體的運動.平拋運動具有水平的初速度，且只受豎直方向的重力作用.如將平拋運動分解成水平和豎直方向上的運動，那么物體在水平方向上只有初速度，無力的作用，由牛頓第一定律可知，水平方向上做勻速直線運動.同理，物體在豎直方向上無初速度，只受重力的作用，根據(jù)牛頓第二定律得出mg=ma，豎直方向的加速度為重力加速度g，即物體做自由落體運動.

設計意圖：科學探究能力是指發(fā)現(xiàn)問題，提出猜想與假設，基于原理給予解釋.在教學中采用“運動分解”的方法將復雜的平拋運動分解為兩個簡單的直線運動.讓學生根據(jù)已知條件分析物體的運動，經(jīng)過交流討論，證實猜想，深化了學生的物理思維，發(fā)展了學生的物理觀念.

4 平拋運動規(guī)律的實驗驗證

4.1 探究平拋運動水平方向上的分運動性質(zhì)

裝置介紹：教師出示并介紹平拋運動演示儀（如圖2）：裝置中有小鋼球 A、B、C.通電后，它們被小磁鐵所吸引，D處為激光束遮擋位置.

圖2 平拋運動演示儀

演示實驗：斷開開關，A、B兩小球同時從兩個軌道頂端的電磁鐵上釋放.

實驗現(xiàn)象：如圖3所示，小球A剛從缺口處水平拋出時，小球B恰好到達水平軌道處，并開始做勻速直線運動，在某一時刻小球A正好擊中做勻速直線運動的小球B.

圖3 探究平拋運動水平方向分運動性質(zhì)的實驗

實驗結論：平拋運動在水平方向上的分運動是勻速直線運動.

4.2 探究平拋運動豎直方向上的分運動性質(zhì)

問題7：觀察平拋運動演示儀，思考如何利用裝置檢驗小球在豎直方向做自由落體運動？

問題8：出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象能證明平拋運動在豎直方向上為自由落體運動？

實驗方案：讓小球A水平拋出的同時，小球C做自由落體運動，若兩球在空中恰好相碰，則驗證了平拋運動規(guī)律.

實驗現(xiàn)象：如圖4所示，某一時刻，小球A和C在豎直方向上位移基本相等，恰好在空中相碰.

圖4 探究平拋運動豎直方向分運動性質(zhì)實驗

實驗結論：平拋運動在豎直方向上分運動是自由落體運動.

4.3 平拋運動規(guī)律的再驗證

問題9：本實驗過程較快，無法準確觀測到小鋼球在某時刻的具體位置，如何清晰地觀察到運動過程的中間軌跡呢？

問題10：實驗中，不同方向上的位移是否完全相等？由哪些因素造成？如何減小實驗誤差？

實驗方案：利用手機等設備的頻連拍功能拍攝多組照片，或凝時拍攝功能拍攝實驗視頻，記錄觀察小球在平拋運動過程中不同時刻的具體位置.

實驗現(xiàn)象：連續(xù)拍攝小球的多個位置，發(fā)現(xiàn)做平拋運動的小球A的位移和分別做水平勻速直線運動的小球B、豎直自由落體運動的小球C的位移是近似相等的.細心的同學看到小球的位置并不是完全重合的.

實驗結論：手機等設備的頻連拍的時間間隔是相等的，觀察到水平和豎直方向位移基本相等，但不是完全相同，產(chǎn)生的誤差是由于微小阻力造成的.所以，平拋運動的水平方向和豎直方向分別為勻速直線運動和自由落體運動.

設計意圖：利用典型實驗裝置、手機、數(shù)碼相機等多維度驗證平拋運動規(guī)律，不僅培養(yǎng)了學生運用現(xiàn)代科技進行科學探究的能力，還激發(fā)了學生創(chuàng)新的科學思維.

5 總結物理規(guī)律，培養(yǎng)思維能力

通過上述系列實驗，總結物理規(guī)律如表1.

表1

6 解決實際問題，升華知識認知

實踐是驗證知識掌握程度最好的標準，通過解決實際問題，能夠更好的增強學生對知識的理解力和認知力.

例題.如圖5所示，假設跑車從大廈頂層水平運動，大廈的高度分別是：305 m，260 m.且兩幢大廈之間的距離是100 m.（跑車最大時速為395 km／h）

圖5

（1）計算跑車至少需要多大的初速度才能恰好到達另一座大廈的頂層？

（2）跑車到達另一座大廈的速度和位置？

知識來源于生活，把物理課程中所學的知識和方法用于分析和解決實際問題.在探究問題的過程中，提高了學生分析問題和總結規(guī)律的能力，增強了科學實踐意識，幫助學生養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，并促進學生的物理學科素養(yǎng)的形成.