STEM理念下高中物理深度學習教學設計
——以“探究斜拋運動”為例

趙紹明 楊大湖 江維源

（廈門市海滄中學，福建 廈門 361026）

1 問題背景

《普通高中物理課程標準（2017年修訂版）》中提出要引導學生經歷科學探究過程，體會科學研究方法，養成科學思維習慣，增強創新意識和實踐能力，引導學生形成探究意識和科學思維，學會正確運用知識解決問題，最終實現深度學習.［1］

深度學習是指學生在教師引領下圍繞著相關的學習主題，積極的參與、體驗、獲得有發展意義的學習過程.深度學習強調知識與能力、方法、思維的統一，是一種基于學習者已有經驗的遷移學習，強調學生的主動參與、積極建構，是形成學生核心素養的基本途徑.［2］STEM教學理念是培養提升學生核心素養，走向深度學習的有效途徑.STEM是科學、技術、工程和數學等多學科的綜合整合，強調在讓學生應用多學科知識解決具體問題.STEM教學模式注重多學科知識的關聯，更注重知識與生活的聯系和知識的靈活應用.［3］

本文以“探究斜拋運動”為例，以斜拋運動的規律和射程為主線，滲透STEM在高中物理教學中的應用，讓學生學會運用多種方法解決問題.

2 教學背景

生活中的斜拋運動隨處可見，斜拋運動是在學生學習運動的合成與分解、平拋和上拋等運動的基礎上進一步深化運動合分思維的典型實例.通過平拋運動的學習，學生通過類比可以處理同一高度的斜拋運動，但是針對不同高度的斜拋運動的射程，難度比較大，尤其是斜拋的射程與多個因素有關，是高中物理學習的難點，因此通過實驗和數學軟件模擬來分析斜拋運動，這種處理學生更容易接受.運用不同方法的整合來處理復雜的問題，是培養學生形成創新思維的有效方法.

3 教學過程

3.1 利用Vernier Video Physics軟件輔助處理斜拋運動

用手機拍攝學生的鉛球投擲過程，并用Vernier Video Physics軟件追蹤鉛球的運動軌跡，快速得到鉛球的運動軌跡，如圖1所示.軟件自動對視頻中的鉛球定位，將運動的物體以視頻慢動作呈現，并采集不同時刻的鉛球的位置.通過運動軌跡引導學生思考分析鉛球的受力情況、運動情況，最終得到斜拋運動的概念，為研究斜拋運動做好鋪墊.

圖1 鉛球運動軌跡擬合

以鉛球的拋出點對應地面的點為坐標原點，創建坐標來分析運動，然后能快捷得到運動對象的x-t、y-t和v-t圖像，如圖2、3所示.從圖像中容易分析出斜拋運動的規律.

圖2 鉛球水平方向x-t和vx-t圖像

圖3 鉛球豎直方向y-t和vy-t圖像

思考1：結合圖像，斜拋運動有何特征？

思考2：如何從圖像計算重力加速度的大小？如何計算該同學拋射鉛球的速度？

思維提升：在傳統的教學中學生處理曲線運動都能很快想到將運動分解為兩個運動，但是為什么要分解、怎么分解，學生缺乏直接體驗，甚至在解決問題時容易形成固定思維，這不利于學生的思維發展.Vernier Video Physics軟件將數形相結合，在解決問題的同時增強體驗感，提升學生讀圖、識圖、用圖解決問題，不僅增加直觀體驗，而且將處理問題的方法和思維可視化.學生親自參與活動，經歷知識的形成過程，并能在課下通過手機還原實驗，從課堂學習走向課外實踐.

教學反思：隨著智能手機性能和技術的迅速發展，手機傳感器為物理實驗提供了新的思路.軟件在分析一些問題上能顯示極大的優勢，能有效助力物理課堂.手機傳感器不僅對一些物理量的測量更加準確且效果顯著，同時讓學生對物理實驗更增強體驗感.學生在課堂下即能通過手機完成實驗探究，打破物理實驗的局限性，為學生的終身學習提供條件.

從學生熟悉的體育運動引入概念，通過視頻慢放并描述斜拋運動的軌跡，學生參與探究引入過程.學生通過生活情境遷移、聯想，真正做到從生活中學習物理.學生在此基礎上提出問題：斜拋運動有何特點？如何處理斜拋運動？通過情境引入問題更加順暢，而且學生積極參與體會更加深刻.

智能手機不僅改變人們的生活，也拓展了教學手段和教學思路.相對于DIS數字實驗室，智能手機實驗功能雖弱但所受的局限更小，一些實驗條件有限的地區可以結合智能手機軟件改進創新實驗探究，讓學生體會新型的實驗手段，逐步推進教育的信息化和多元化.

3.2 用斜拋儀探究斜拋運動的射程

在上述環節中，學生在教師的引導下已經能建立斜拋運動的模型，從平拋運動的方法遷移到斜拋運動.但是生活中的實際的斜拋運動拋出點與落點一般不在同一高度，如何探究不在同一高度下斜拋運動的射程與拋射角的關系呢？采用自制的拋射儀，通過控制擋位控制彈射球的彈射速度，改變拋射儀的角度探究不同角度情況下的射程與拋射角的關系.

（1）同一水平高度下的射程與拋射角的關系（圖4）.

圖4 同一水平高度下的射程與拋射角的關系

將拋射儀的拋射口調整到與桌面在同一水平高度，經多次實驗，可以清楚看到，在同一水平高度，在45°時比30°和60°拋射距離更遠.實驗結論與理論推導相互驗證，讓學生從理論和實驗兩個角度深度體驗物理規律的形成.

思考3：如果拋出點和落點不在同一高度，45°還是最遠嗎？

（2）不同高度下的射程與拋射角的關系（圖5）.

圖5 不同高度下射程與拋射角的關系

在上述探究的基礎上，如果拋出點和落地點不在同一高度，很多學生會經驗性的以為45°依舊是拋射距離最遠.在此基礎上，利用自制斜拋儀演示在不同高度下的射程，打破學生對斜拋運動射程的誤解，讓學生深度理解斜拋運動的射程的影響因素.

通過實驗可以發現不同高度時，40°比45°拋射更遠，基于證據推理，落實核心素養，引發學生深度思考.

思維提升：通過實驗探究2，學生重新認識拋體運動的射程，修正了學前觀念.學生的認知障礙突破正是提升思維和走向深度學習的關鍵時機，教師可以在此基礎上深度設問.

（1）拋出點和落點的高度差相同，不同的拋射速度，最佳拋射角相同嗎？

（2）同一拋射速度，拋出點和落點的高度差，對拋射角有何影響？如何探究？

教學反思：實驗是培養學生探究思維和實驗態度的最佳方式，學生討論實驗方案，在實驗過程中基于實驗數據證據分析，得出實驗結論.從淺層學習走向深度學習.兩次不同的拋射距離的探究為學生突破思維障礙搭建了腳手架，促成思維進階.

通過自制簡單實驗教具是突破學生思維障礙的有效手段，學生在學中悟、動中思、探中達.自制教學教具實驗探究，提升學生探究興趣的同時，也為學生解決問題提供新的思路和新的方向.學生親自動手進行實驗改進，這種情況在力學學習中尤為常見.實踐能力也是學生重要的關鍵能力，是學生學科素養的重要表征.學生的深度學習不僅體現在經驗與知識的相互轉化，更體現在對問題深層次的挖掘和對探究對象進行深度加工.

3.3 利用Matlab模擬鉛球拋射軌跡

如圖6所示，在距離地面h處斜向上拋出一個物體（可看作質點），其初速度為v0，與豎直方向的夾角為θ，忽略空氣阻力，物體水平方向和豎直方向的運動方程為

圖6

水平方向：x＝v0cosθ·t，豎直方向：y＝v0sinθ·

通過消元（詳細解答過程可參閱參考文獻4），可以得到斜拋運動的最大射程［4］

雖然利用數學方法可以計算得出斜拋運動的最大射程，但是對于高中生來說數學推導難度大，學生不易掌握，難以尋找最佳拋射角.利用Matlab軟件數學計算、數據分析，向學生展示不同拋射速度和拋射角度情況下的射程，讓教學過程變得生動，使學生體會數學工具在處理物理問題中的妙處，清晰顯示物體的射高、射程.

以某學生投擲鉛球為例，拋出點的高度h＝1.7m，廈門地區重力加速度g＝9.79m/s2為例，模擬得出拋射距離、拋射高度與初速度、高度、拋射角度的關系，如表1，表2.

表1 Matlab數據模擬（v0＝10m/s，g＝9.79m/s2，h＝1.7m）

表2 Matlab數據模擬（v0＝12m/s，g＝9.79m/s2，h＝1.7m）

通過Matlab數值分析，可以分析不同高度和力量的學生的最佳拋射角度，從圖形（圖7）和表格中直觀感受不同因素對射程的大小的影響.

思維提升：將所學的知識用以指導生活生產是知識的一種重要轉化，是教學多維度目標的一種重要的體現.針對體育學生的訓練，利用軟件科學分析記錄學生的投射數據，建立數據庫形成大數據，更方便分析不同學生的投擲效果，科學指引學生訓練，對體育生訓練有著非常重要的指導意義.數據分析更可以作為學生、運動員的訓練分析依據，真正實現從生活走向物理，從物理走向生活.

學生在運用不同的方法解決問題，學會學習.通過對不同解決問題方式的比較，理解不同方式在解決問題中的應用，多學科知識綜合應用.

教學反思：學生在真實情境中思考物理問題，經過抽象、建模、探究等一系列方法深化問題的理解，最終解決問題.

遷移與應用是深度學習的重要體現，不僅要深度理解學習情境，弄清不同情境的差異，才能有的放矢，從淺表學習走向深度學習.物理知識由關聯走向整合，將物理概念、科學原理、數學知識、技術技能等淺層知識有機結合，靈活運用不同學科知識處理真實情境，最終構建形成多維結構化知識體系，最終走向深度學習.

4 結語

通過學生鉛球投擲的真實的情境，以實驗探究為主線，讓物理與多學科相互關聯，促使學生在多學科知識的運用中建構知識、合作探究來解決問題.STEM下的教學模式能有效的提升學生解決問題的手段和能力，既讓學生體驗了物理知識的形成過程，又培養了學生的核心素養.高中階段的物理教學正是實施STEM教育的好時機，學生在學習和探究的過程中真正達到“知”、“情”、“意”、“行”全面的感悟與提升.物理教學的最終目的是培養學生科學素養和終身學習能力，讓學生具有自主發展能力，最終成為時代新人.STEM教育理念的引入，為高中物理課堂注入了一股新的活力，是學生深度學習的重要體現，也是物理教育的魅力所在.