基于STEAM教育理念探究拋體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

汪成瑞 肖劍聰 任衛(wèi)平

(寧夏回族自治區(qū)賀蘭縣第一中學(xué),寧夏 銀川 750299)

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》明確指出：高中物理課程目標(biāo)是進(jìn)一步提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。[1]物理課堂教學(xué)的各環(huán)節(jié)均需要做出改變,在教學(xué)觀念方面應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力,在教學(xué)內(nèi)容方面應(yīng)強(qiáng)調(diào)以情境化的問(wèn)題為載體,在課堂活動(dòng)方面應(yīng)關(guān)注學(xué)生的主體性,在教學(xué)評(píng)價(jià)方面應(yīng)在重視學(xué)習(xí)結(jié)果的同時(shí)關(guān)注學(xué)習(xí)過(guò)程。

STEAM理念強(qiáng)調(diào)基于問(wèn)題情境,期望學(xué)生利用科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等知識(shí)設(shè)計(jì)模型,在問(wèn)題解決的過(guò)程中,達(dá)成知識(shí)和能力的協(xié)調(diào)發(fā)展。STEAM教育重視學(xué)科的綜合化,物理學(xué)科核心素養(yǎng)則指向培養(yǎng)全面發(fā)展的人,二者“出發(fā)點(diǎn)”與“落腳點(diǎn)”相互契合。[2]

2 利用床弩探究拋體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

對(duì)于高中生而言,拋體運(yùn)動(dòng)看似復(fù)雜,究其本質(zhì)卻是已有知識(shí)的組合,學(xué)生雖已具備勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻加速直線運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)的合成與分解等相關(guān)知識(shí)基礎(chǔ),但拋體運(yùn)動(dòng)規(guī)律依然是學(xué)習(xí)難點(diǎn),他們難以將問(wèn)題情境轉(zhuǎn)化為物理模型,進(jìn)而運(yùn)用已有知識(shí)解決問(wèn)題。為此,我們?cè)噲D利用床弩彈射鋼珠為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)的拋體運(yùn)動(dòng)情境,組織學(xué)生通過(guò)小組合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,探尋拋體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),從而在活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.1 床弩簡(jiǎn)介

床弩是一種古代攻城器械,能將弓弦的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為箭矢的動(dòng)能。此次實(shí)踐活動(dòng)是依據(jù)床弩原理,利用生活中常見(jiàn)物品完成小制作(圖1),其中包括底座、滑軌、皮筋、皮兜、弩架等部分,實(shí)驗(yàn)時(shí)在水平臺(tái)面上將鋼珠沿滑軌彈出,研究鋼珠運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。

圖1

2.2 基于床弩的實(shí)驗(yàn)探究

如圖2所示,鋼球離開(kāi)滑軌后做曲線運(yùn)動(dòng),因此本探究運(yùn)用運(yùn)動(dòng)合成與分解知識(shí),首先研究其中一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,再設(shè)法分析另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,最后運(yùn)用數(shù)學(xué)方法總結(jié)出鋼珠運(yùn)動(dòng)的軌跡特點(diǎn)。

圖2

2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)儀器為：學(xué)生自制的床弩、水準(zhǔn)儀、攝像機(jī)、卷尺、鋼球、重垂線等。

實(shí)驗(yàn)步驟為：(1) 制作、組裝床弩;(2) 將床弩置于一定高度的臺(tái)面上,利用水準(zhǔn)儀將滑軌所在平面調(diào)至水平;(3) 固定重垂線,將卷尺平行于重錘線放置;(4) 調(diào)整攝像機(jī),錄制高清視頻;(5) 開(kāi)啟攝像機(jī)錄制功能,拉伸皮筋,將鋼珠射出,錄制鋼珠的運(yùn)動(dòng)過(guò)程;(6) 收集數(shù)據(jù),用計(jì)算機(jī)軟件分析數(shù)據(jù),得出結(jié)論。

注意事項(xiàng)為：(1) 實(shí)驗(yàn)應(yīng)在無(wú)風(fēng)的環(huán)境中進(jìn)行,最好在室內(nèi)完成,以減小風(fēng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾;(2) 選取體積較小、質(zhì)量較大的金屬小球,小球直徑與床弩滑軌的內(nèi)徑相近;(3) 為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確,必須用水準(zhǔn)儀調(diào)整小球發(fā)射面水平;(4) 調(diào)整攝像機(jī)參數(shù),確保錄制畫面清晰。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理

本實(shí)驗(yàn)所用方法類似頻閃照相法,獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的步驟如下：(1) 將錄制好的視頻導(dǎo)入視頻剪輯軟件,選擇幀率為24幀/秒;(2) 逐幀觀看,首次出現(xiàn)小球畫面時(shí),選擇以PNG格式導(dǎo)出靜幀畫面;(3) 逐幀導(dǎo)出畫面,直至小球落地;(4) 用圖像處理軟件打開(kāi)導(dǎo)出的靜幀畫面,添加標(biāo)尺;(5) 以小球下落的第一個(gè)像點(diǎn)為參考點(diǎn),建立參考線,從參考線上讀出此像點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo);(6) 在圖片中的卷尺上用參考線標(biāo)出70.00 cm,讀出縱坐標(biāo)差值,用于圖片中坐標(biāo)值的比例換算(圖3)。

圖3

將小球首次出現(xiàn)的點(diǎn)記為O點(diǎn),依次標(biāo)注A、B、C等,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1

2.3.1 分析鋼珠在水平方向上的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

依據(jù)運(yùn)動(dòng)的合成與分解,可以把此段運(yùn)動(dòng)分解為豎直方向的運(yùn)動(dòng)與水平方向的運(yùn)動(dòng),我們先分析鋼珠在水平方向上的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。引導(dǎo)學(xué)生先利用所學(xué)知識(shí)做出推理,鋼珠被彈射出滑軌后,水平方向具有初速度,忽略空氣阻力,因此在水平方向上鋼珠做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

以時(shí)間t為橫坐標(biāo)、水平位移x為縱坐標(biāo),利用Excel軟件繪制散點(diǎn)圖(圖4),得到公式x=0.698 3t+0.002 5。截距數(shù)值較小,可忽略,斜率為水平方向的速度vx=0.698 3 m/s,可見(jiàn)鋼珠在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

圖4

2.3.2 分析鋼珠在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

引導(dǎo)學(xué)生分析在鋼珠豎直方向上運(yùn)動(dòng),其初速度為零,且只受重力作用,因此鋼珠在豎直方向上應(yīng)做自由落體運(yùn)動(dòng)。

表2

圖5

2.3.3 分析合運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

圖6

3 結(jié)語(yǔ)

基于STEAM教育理念開(kāi)發(fā)床弩項(xiàng)目,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究,利用計(jì)算機(jī)軟件輔助數(shù)據(jù)處理,將復(fù)雜的拋體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解,通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐、小組探究、交流分享等活動(dòng)幫助學(xué)生加深對(duì)運(yùn)動(dòng)合成與分解的理解,得到鋼珠的水平運(yùn)動(dòng)、豎直運(yùn)動(dòng)、合運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。

讓學(xué)生親歷探究過(guò)程,學(xué)習(xí)效率較高,能以多樣化的方式來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)。基于此教學(xué)理念,指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)、制作床弩,用床弩完成科學(xué)探究,培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)與跨學(xué)科綜合能力,深刻體現(xiàn)了科學(xué)(S)、技術(shù)(T)、藝術(shù)(A)、數(shù)學(xué)(M)的融合(表3)。

表3

將STEAM教育理念與物理探究實(shí)驗(yàn)相融合,落實(shí)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求,促進(jìn)了學(xué)生的全面發(fā)展。通過(guò)這樣的項(xiàng)目學(xué)習(xí),可幫助學(xué)生體驗(yàn)運(yùn)用知識(shí)解決情境化問(wèn)題的樂(lè)趣,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,培養(yǎng)了學(xué)生的合作探究能力、邏輯思維能力和創(chuàng)新能力。