開(kāi)發(fā)教材資源 培育關(guān)鍵能力
——以“拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”教學(xué)為例

周 慧

(南京航空航天大學(xué)蘇州附屬中學(xué),江蘇 蘇州 215000)

物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面組成了物理學(xué)科核心素養(yǎng),其中科學(xué)思維和科學(xué)探究是關(guān)鍵能力,是物理教育過(guò)程中的核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重點(diǎn)所在.人民教育出版社2019版的普通高中教科書(shū)很好地體現(xiàn)了普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求,為培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力提供了很好的素材與資源.現(xiàn)以普通高中物理教科書(shū)物理必修第二冊(cè)第5章第4節(jié)《拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律》的教學(xué)為例,談?wù)勅绾伍_(kāi)發(fā)教材的資源,培育關(guān)鍵能力.

1 教材分析

平拋運(yùn)動(dòng)是一種常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)形式,解決平拋運(yùn)動(dòng)的基本思路與方法是解決一般拋體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的基礎(chǔ).同時(shí),本節(jié)的學(xué)習(xí)內(nèi)容也是學(xué)習(xí)帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的基礎(chǔ).本章的學(xué)習(xí)對(duì)于學(xué)生應(yīng)用運(yùn)動(dòng)的合成與分解的方法解決實(shí)際問(wèn)題,形成化曲為直、化繁為簡(jiǎn)的思想,具有重要的示范作用[1].

2 學(xué)情分析

學(xué)生在本章的第2節(jié)《運(yùn)動(dòng)的合成與分解》學(xué)習(xí)中,通過(guò)對(duì)“注水的玻璃管中的蠟塊參與的兩個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的合成”的探究,初步了解以下的研究思路:

這為本節(jié)研究平拋運(yùn)動(dòng)提供了方法指導(dǎo),從這個(gè)意義上,本節(jié)教學(xué)內(nèi)容是運(yùn)動(dòng)的合成與分解的具體應(yīng)用和進(jìn)一步深化.

本節(jié)的內(nèi)容涉及到牛頓運(yùn)動(dòng)定律、勻變速直線運(yùn)動(dòng)等物理規(guī)律的應(yīng)用和運(yùn)動(dòng)分析、受力分析以及運(yùn)動(dòng)的分解與合成的物理思想,具有一定的綜合性,對(duì)學(xué)生的思維能力以及應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的能力有較高的要求.

3 素養(yǎng)目標(biāo)

3.1 初級(jí)思維目標(biāo)

(1)知道平拋運(yùn)動(dòng)物理模型成立的條件,會(huì)對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論分析.

(2)會(huì)利用速度的合成與分解以及勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律計(jì)算平拋運(yùn)動(dòng)的速度[2].

(3)能利用運(yùn)動(dòng)的合成與分解以及勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律推導(dǎo)出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡.

3.2 進(jìn)階思維目標(biāo)

(1)知道拋體運(yùn)動(dòng)物理模型成立的條件,對(duì)拋體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論分析.

(2)會(huì)計(jì)算斜拋運(yùn)動(dòng)的速度.

(3)會(huì)推導(dǎo)斜拋運(yùn)動(dòng)軌跡.

(4)會(huì)解決斜拋運(yùn)動(dòng)的極值問(wèn)題.

4 教學(xué)過(guò)程

4.1 基于教材——培養(yǎng)學(xué)生思維的嚴(yán)密性

本節(jié)課的教學(xué)中基本的教學(xué)任務(wù)是基于教材,形成解決平拋運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的基本思路,掌握規(guī)范的解題步驟[3].

4.1.1確定平拋運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)

利用問(wèn)題串,引導(dǎo)學(xué)生確定平拋運(yùn)動(dòng)的性質(zhì):

問(wèn)題1:做平拋運(yùn)動(dòng)的物體,受哪些力的作用?其初速度的方向如何?

問(wèn)題2:怎樣求平拋運(yùn)動(dòng)物體的加速度的大小和方向?

問(wèn)題3:根據(jù)你所求出的結(jié)果說(shuō)明平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)是什么.

讓學(xué)生自己主動(dòng)思考,利用所學(xué)的牛頓運(yùn)動(dòng)定律,從理論上主動(dòng)探究,得出結(jié)論,學(xué)生才會(huì)獲得長(zhǎng)久的記憶.體現(xiàn)了理論探究與實(shí)驗(yàn)探究的一致性.

4.1.2研究平拋運(yùn)動(dòng)的速度

引導(dǎo)學(xué)生利用第2節(jié)所學(xué)的方法,研究平拋運(yùn)動(dòng)的速度.

問(wèn)題1:平拋運(yùn)動(dòng)的物體的速度不斷改變,利用什么方法來(lái)求平拋運(yùn)動(dòng)的速度?

問(wèn)題2:如果平拋運(yùn)動(dòng)的初速度為v0,重力加速度為g,寫(xiě)出平拋運(yùn)動(dòng)物體t時(shí)刻速度的大小的表達(dá)式.

問(wèn)題3:怎樣定量描述平拋運(yùn)動(dòng)速度方向的變化?

學(xué)生通過(guò)自己的親身實(shí)踐,利用所學(xué)的知識(shí),按照一定的程序,解決實(shí)際物理問(wèn)題,既鞏固了所學(xué)的知識(shí),又解決了新問(wèn)題,獲得成功感,體驗(yàn)幸福感.

4.1.3推導(dǎo)平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡

通過(guò)第2節(jié)的學(xué)習(xí),學(xué)生基本上掌握了探究物體運(yùn)動(dòng)軌跡的思路:寫(xiě)出兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的位移-時(shí)間關(guān)系,消去時(shí)間t,得到軌跡方程.可以遷移到探究平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的思維活動(dòng)中.

問(wèn)題1:如果以初速度方向?yàn)閤軸的正方向,以豎直向下為y軸正方向,經(jīng)過(guò)時(shí)間t,做平拋運(yùn)動(dòng)的物體的水平位移和豎直位移分別是多少?

問(wèn)題2:根據(jù)問(wèn)題1的結(jié)論,你能推導(dǎo)出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡方程嗎?

問(wèn)題3:根據(jù)問(wèn)題1的結(jié)論,寫(xiě)出做平拋運(yùn)動(dòng)的物體在t時(shí)間內(nèi)的位移的大小和方向嗎?

問(wèn)題4:若t時(shí)刻物體的速度與水平方向的夾角為α,位移與水平方向的夾角為β,你能發(fā)現(xiàn)兩者之間的簡(jiǎn)單關(guān)系嗎?

通過(guò)層層遞進(jìn)的問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生從理論上推導(dǎo)出做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡是開(kāi)口向下的半支拋物線,而且自主發(fā)現(xiàn)tanα=2tanβ的有用結(jié)論.規(guī)范的思維過(guò)程,對(duì)于初學(xué)者而言,有助于培養(yǎng)其思維的嚴(yán)密性,以及解決物理問(wèn)題的程序性[4].

4.2 源于教材——培養(yǎng)學(xué)生思維的深刻性

在學(xué)生已經(jīng)掌握推導(dǎo)平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡的基礎(chǔ)上,讓學(xué)生遷移所學(xué)的方法,來(lái)推導(dǎo)斜拋運(yùn)動(dòng)的軌跡,并求出斜拋運(yùn)動(dòng)的射高以及水平射程,對(duì)于大多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō),既是前面方法的遷移,又是完善知識(shí)結(jié)構(gòu)的很好的途徑.

如圖1所示,物體在水平地面上被拋出時(shí)初速度方向斜向上與水平方向成θ角,回答下列問(wèn)題:

圖1 物體在水平面上拋出

(1)物體水平方向的初速度多大,加速度多大,在水平方向做什么運(yùn)動(dòng)?

(2)物體豎直方向的初速度是多大,加速度多大,在豎直方向做什么運(yùn)動(dòng)?

(3)經(jīng)過(guò)時(shí)間t,物體的速度是多少?速度方向與水平方向夾角的正切值多大?

(4)該物體運(yùn)動(dòng)的軌跡方程是什么?

(5)物體運(yùn)動(dòng)的軌跡具有什么樣的特點(diǎn)?

(6)你能求出物體上升的最大高度嗎?

(7)物體落地時(shí)的位置離開(kāi)拋出點(diǎn)多遠(yuǎn)?落地時(shí)的速度如何?

(8)如果θ角在0到90°之間變化,θ角多大時(shí),落地點(diǎn)與拋出點(diǎn)之間的距離最大,這個(gè)最大值是多少?(已知2sinθcosθ=sin2θ)

通過(guò)思考與討論,學(xué)生不僅理解了教材中圖5.4-5斜拋運(yùn)動(dòng)的軌跡,更重要的是從理論上探究出軌跡的特點(diǎn),體會(huì)到解決復(fù)雜問(wèn)題后成功的喜悅.

4.3 高于教材——培養(yǎng)學(xué)生思維的發(fā)散性

理論研究必須與實(shí)際生產(chǎn)、生活、科學(xué)研究想結(jié)合,應(yīng)該在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中,培養(yǎng)學(xué)生的建模能力、科學(xué)思維能力以及應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的能力.在課后的思考題中可以布置這樣的思考題,進(jìn)一步體會(huì)應(yīng)用運(yùn)動(dòng)的合成與分解的方法解決拋體運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題.

如圖2所示,在傾角為α的斜坡的底端發(fā)射一顆一顆炮彈,炮彈的初速度大小為v0,方向與水平方向的夾角為θ,不計(jì)空氣阻力,重力加速度為g,試求:

圖2 物體在斜面底端拋出

(1)炮彈在斜坡上的落點(diǎn)的位置.

(2)若θ是可以變化的,炮彈落到斜坡上距離最遠(yuǎn)時(shí)的θ值.

學(xué)生通過(guò)建立不同的坐標(biāo)系,以及不同的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程,得出相同的結(jié)論的過(guò)程,體現(xiàn)了物理思維的發(fā)散性與收斂性.

對(duì)于不同的學(xué)情,可以討論到不同的難度水平,或者讓學(xué)生課后查閱資料,這既能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情,使對(duì)物理感興趣的學(xué)生進(jìn)行具有一定挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí),體現(xiàn)了因材施教和分層教學(xué)的原則,也有助于培養(yǎng)學(xué)生思維的深刻性,引發(fā)深度學(xué)習(xí).

物理思維能力的培養(yǎng),物理探究習(xí)慣的養(yǎng)成,探究能力的形成,不是一朝一夕能完成的.實(shí)踐表明,只有教師自身站在培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的高度,在教學(xué)中,充分發(fā)揮教材的教育功能,精心選擇適合所教學(xué)生的認(rèn)知水平的教學(xué)內(nèi)容,通過(guò)行之有效的教學(xué)活動(dòng),引發(fā)學(xué)生的思維,在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)發(fā)力,日積月累,學(xué)生的關(guān)鍵能力才會(huì)得到提升.