《2、平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律》教學(xué)設(shè)計(jì)(江蘇省市級(jí)優(yōu)課)-物理教案

基于STEM教育的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)——制作平拋運(yùn)動(dòng)演示儀黃皓（無(wú)錫市第一女子中學(xué)，江蘇無(wú)錫214002）摘要：STEM教育是一種主動(dòng)應(yīng)用科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)組織教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生研究和解決學(xué)習(xí)問題的教育理論與實(shí)踐形態(tài)。本文以制作平拋運(yùn)動(dòng)演示儀為例，對(duì)STEM教育的諸多細(xì)節(jié)，進(jìn)行探討?；赟TEM教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)自主、高效、快樂，STEM教育的力量值得關(guān)注。關(guān)鍵詞：STEM教育；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；關(guān)鍵能力；平拋運(yùn)動(dòng)1學(xué)習(xí)目標(biāo)1.1物理觀念用實(shí)驗(yàn)方法得到平拋物體的運(yùn)動(dòng)軌跡1.2科學(xué)思維（1）會(huì)用實(shí)驗(yàn)軌跡求平拋物體的初速度（2）會(huì)將處理平拋運(yùn)動(dòng)的方法應(yīng)用到其他拋體運(yùn)動(dòng)中去1.3科學(xué)探究經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題——猜想——探究——驗(yàn)證——結(jié)論——交流的過程1.4科學(xué)態(tài)度與責(zé)任（1）主動(dòng)觀察，關(guān)注身邊的科學(xué)知識(shí)，積極參與學(xué)習(xí)活動(dòng)（2）感受到科學(xué)問題源于生活實(shí)踐，體會(huì)學(xué)以致用2重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)：如何簡(jiǎn)單方便的得到平拋物體的運(yùn)動(dòng)軌跡難點(diǎn)：制作演示儀需要克服許多工程技術(shù)上的困難，對(duì)動(dòng)手能力要求較高3設(shè)計(jì)思想3.1學(xué)情和教材分析平拋運(yùn)動(dòng)是學(xué)生在高中物理學(xué)習(xí)中首次遇到的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，學(xué)生在平拋運(yùn)動(dòng)的分解與處理中會(huì)遇到很多思維障礙。教材上設(shè)計(jì)的平拋運(yùn)動(dòng)演示儀，操作復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力；平拋運(yùn)動(dòng)的痕跡是靠小球撞擊復(fù)寫紙留下，清晰度不足，實(shí)驗(yàn)誤差比較大，定性演示尚可，定量分析則比較困難。3.2設(shè)計(jì)思想筆者一直在思考，通過什么方式讓平拋運(yùn)動(dòng)的演示簡(jiǎn)單直觀、便于理解，能將知識(shí)碎片有機(jī)地、辯證的聯(lián)結(jié)成整體？張勇先生和文波先生的文章《學(xué)生自制教具要在“做”中學(xué)——研制平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的體會(huì)》給了筆者有益的啟示。由此，筆者準(zhǔn)備應(yīng)用本土化的STEM教育方式——物理綜合實(shí)踐活動(dòng)來組織“平拋運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)、制作一個(gè)平拋運(yùn)動(dòng)演示儀。STEM教育是一種主動(dòng)應(yīng)用科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)組織教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生研究和解決學(xué)習(xí)問題的教育理論與實(shí)踐形態(tài)。學(xué)生通過制作演示儀可以經(jīng)歷全程的設(shè)計(jì)和探究，加深對(duì)相關(guān)物理知識(shí)的掌握和運(yùn)用，養(yǎng)成觀察、探究生活現(xiàn)象的習(xí)慣，有利于培育高階思維和關(guān)鍵能力，有助于把學(xué)習(xí)過程變成一段快樂的人生旅程。3.3教學(xué)思路（1）在教學(xué)活動(dòng)上：學(xué)生自主設(shè)計(jì)和制作，教師提供指導(dǎo)和服務(wù)。讓學(xué)生用實(shí)驗(yàn)解讀教材。（2）在教學(xué)方法上：學(xué)生自由組合，由3到5名學(xué)生組成活動(dòng)小組，以小組合作形式為依托，小組討論，合作研究和實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生用實(shí)驗(yàn)比較理論。（3）在教學(xué)程序上：按照加涅信息加工模型。引起注意——告知學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)——刺激回憶先決性的學(xué)習(xí)——呈現(xiàn)刺激材料——提供學(xué)習(xí)幫助——引出作業(yè)——提供作業(yè)——提供反饋——評(píng)價(jià)作業(yè)——促進(jìn)保持和遷移，通過問題鏈把教、學(xué)、練、評(píng)有機(jī)整合。讓學(xué)生用實(shí)驗(yàn)探索規(guī)律。（4）在學(xué)習(xí)過程上：突出學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題——猜想——探究——驗(yàn)證——結(jié)論——應(yīng)用。讓學(xué)生用實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)活動(dòng)。（5）在認(rèn)知過程上：突出人類的學(xué)習(xí)規(guī)律和認(rèn)知規(guī)律，即由特殊到一般，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜。讓學(xué)生用實(shí)驗(yàn)培育能力。4教學(xué)資源教材、教輔資料、網(wǎng)絡(luò)資源、師生學(xué)習(xí)共同體、家長(zhǎng)等5教學(xué)設(shè)計(jì)詳見表1。表1：教學(xué)設(shè)計(jì)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)說明1．教師展示設(shè)計(jì)原型一水平放置的水管，距地面高h(yuǎn)＝l.8m，管內(nèi)橫截面積S＝2.0cm2。有水從管口處以不變的速度v＝2.0m/s源源不斷地沿水平方向射出，設(shè)出口處橫截面上各處水的速度都相同，并假設(shè)水流在空中不散開。取重力加速度g＝10m／s2，不計(jì)空氣阻力。求水流穩(wěn)定后在空中有多少立方米的水。學(xué)生初步設(shè)計(jì)并制作。多數(shù)學(xué)生用橡皮管與水源（普通水龍頭）相連，手持出水端至水平，噴出的水在空中做平拋運(yùn)動(dòng)，其軌跡肉眼清晰可見。學(xué)生發(fā)現(xiàn)水流在空中發(fā)散比較明顯。學(xué)生能夠理解水流做的是平拋運(yùn)動(dòng)。水管噴出的水在空中形成一條平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，學(xué)生很容易接受。學(xué)生初步嘗試后很快便能發(fā)現(xiàn)水流在空中不散開條件不能滿足，進(jìn)而產(chǎn)生改進(jìn)的需求。課上實(shí)踐分層能力訓(xùn)練2．第一次改進(jìn)教師要求學(xué)生解決水流在空中發(fā)散問題。學(xué)生猜想可能是橡皮管太軟的緣故，故采用各種粗細(xì)不同的塑料吸管和玻璃管進(jìn)行嘗試，發(fā)現(xiàn)，出水端連接細(xì)而硬的管子效果比較好。經(jīng)比較，確定水平噴管采用普通簽字筆的筆管，水流基本沒有發(fā)散，軌跡曲線優(yōu)美清晰。課上實(shí)踐分層能力訓(xùn)練3．第二次改進(jìn)教師要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)能夠遠(yuǎn)離水源，在普通教師里也能使用的演示儀。第一課時(shí)結(jié)束學(xué)生立刻想到使用一個(gè)比較大的容器來作為儲(chǔ)水容器，但在橡皮管與容器的連接上遇到了困難。經(jīng)過嘗試，最后選擇用電烙鐵在大可樂瓶底部開孔，插入管子后再用熱熔膠密封。有的小組設(shè)想利用虹吸原理，無(wú)需開孔便能出水，但出水過程兩端均需手工控制，很是不便。課上實(shí)踐分層能力訓(xùn)練4．第三次改進(jìn)教師指出演示儀無(wú)法維持比較穩(wěn)定的平拋曲線，原因是水壓隨著容器水位的降低而降低，軌跡曲線發(fā)生改變。教師期望學(xué)生能用初中里學(xué)過的自動(dòng)喂水器的原理解決問題。多組學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)資源解決了問題。利用網(wǎng)絡(luò)資源，看似有挑戰(zhàn)的問題往往很容易解決。利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)現(xiàn)在已經(jīng)是學(xué)習(xí)的常態(tài)之一，對(duì)此執(zhí)教者應(yīng)高度重視。一旦能夠激發(fā)出學(xué)生巨大的學(xué)習(xí)熱情，多數(shù)學(xué)習(xí)問題都能較好的得到解決。課后實(shí)踐（作業(yè)）形成性訓(xùn)練5．最終設(shè)計(jì)教師要求學(xué)生集思廣益，繪制草圖，要求平拋運(yùn)動(dòng)演示儀既可以定性地演示，也可以進(jìn)行定量計(jì)算。學(xué)生的設(shè)計(jì)草圖學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室尋找適用的玻璃板時(shí)，發(fā)現(xiàn)“油膜法測(cè)分子直徑”實(shí)驗(yàn)標(biāo)配的有機(jī)玻璃板上有精確的刻度，很是合用。課后實(shí)踐（作業(yè)）形成性訓(xùn)練6．裝配教師要求學(xué)生按自己的設(shè)計(jì)完成演示儀的裝配，各組比較、交流。圖3：平拋演示儀學(xué)生沒有找到現(xiàn)成的支架來固定有機(jī)玻璃板。多數(shù)小組自制的支架過輕、過窄，不合用。有一個(gè)小組在廢棄的塑料文件盒上開了個(gè)口子，正好可以用來固定玻璃板，率先完成了實(shí)物裝配。課上實(shí)踐鞏固性訓(xùn)練7．平拋演示教師要求學(xué)生用演示儀演示平拋軌跡，各組比較、交流。圖4：平拋演示為了增強(qiáng)演示效果，各組幾乎都想到了在水中注入紅墨水。課上實(shí)踐形成性訓(xùn)練8．斜拋演示教師要求學(xué)生用演示儀演示斜拋軌跡（包括斜向下拋），各組比較、交流。第二課時(shí)結(jié)束圖5：斜拋演示圖6：供水裝置特寫9．應(yīng)用教師要求學(xué)生用演示儀觀察并解決若干問題。如（1）驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向上是勻速運(yùn)動(dòng)，（2）斜拋運(yùn)動(dòng)最大射程的測(cè)算等。（1）方法一：描出軌跡，算出初速度，發(fā)現(xiàn)近似相等。方法二：用一個(gè)量杯接水、一個(gè)秒表計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相等的時(shí)間內(nèi)流出水的體積是相等的，所以水在流出水管時(shí)做的是勻速運(yùn)動(dòng)。執(zhí)教者期望學(xué)生的其他方法。（2）學(xué)生實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，初速度方向與水平方向夾角約45度時(shí)，水平射程最大。再進(jìn)行理論推導(dǎo)。問題1的方法一和問題2的理論推導(dǎo)利用各種網(wǎng)絡(luò)資源均能順利解決?？梢娫诰W(wǎng)絡(luò)時(shí)代，教師執(zhí)教的重點(diǎn)更應(yīng)落在通過創(chuàng)設(shè)具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)情境，提出原始物理問題，發(fā)展高階思維和關(guān)鍵能力。課后實(shí)踐（作業(yè)）鞏固性訓(xùn)練10．評(píng)價(jià)、總結(jié)分小組根據(jù)預(yù)先設(shè)定的項(xiàng)目和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自評(píng)和互評(píng)、匯總數(shù)據(jù)，分小組和個(gè)人完成活動(dòng)報(bào)告。通過交流提高書面和語(yǔ)言表達(dá)能力。培養(yǎng)自我評(píng)價(jià)、聽取意見和評(píng)價(jià)他人的能力。課后實(shí)踐（作業(yè)）分層能力訓(xùn)練6教學(xué)反思6.1STEM教育細(xì)節(jié)所在在上文所述教學(xué)過程中，執(zhí)教者是如何將STEM教育付諸實(shí)踐的呢？詳見表2。表2項(xiàng)目STEM應(yīng)用初速度、斜拋運(yùn)動(dòng)最大射程的測(cè)算提升了數(shù)學(xué)應(yīng)用能力M（數(shù)學(xué)）演示儀的制作、裝配調(diào)試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化充分體現(xiàn)了工程思想E（工程）在材料選擇及加工過程中，涉及了大量科學(xué)知識(shí)S（科學(xué)）在物理課堂中所學(xué)的公式真實(shí)應(yīng)用在演示儀的設(shè)計(jì)和計(jì)算中T（技術(shù)）數(shù)理知識(shí)的融合在學(xué)生的設(shè)計(jì)報(bào)告中得以充分體現(xiàn)STEM成果匯報(bào)演講、記錄短片制作等最終結(jié)果的展現(xiàn)，鍛煉了團(tuán)隊(duì)合作、提升了人文素養(yǎng)STEAM跨學(xué)科學(xué)習(xí)6.2課上實(shí)踐與課后實(shí)踐并重開展物理綜合實(shí)踐活動(dòng)需要大量時(shí)間，很難完全在課內(nèi)實(shí)施。如果對(duì)課外實(shí)施缺乏有效監(jiān)控，又很可能效率低下、浪費(fèi)時(shí)間。如果將實(shí)踐活動(dòng)分成課上實(shí)踐和課后實(shí)踐兩部分，不僅加強(qiáng)了可操作性，也兼顧了活動(dòng)的有效性。對(duì)于本次活動(dòng)，課上實(shí)踐主要是在執(zhí)教者的協(xié)助下完成有興趣的操作和思考，課后實(shí)踐主要是完成有意義的交流和總結(jié)。6.3STEM教學(xué)的意義所在STEM教學(xué)是要讓知識(shí)、技術(shù)與社會(huì)匯聚，讓學(xué)生多角度看待這個(gè)世界的復(fù)雜事物。STEM的教育意義在于，它可以彌補(bǔ)我們傳統(tǒng)教育過程中知識(shí)傳授機(jī)械呆板的問題，可以活化基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)整合能力。在實(shí)踐中執(zhí)教者發(fā)現(xiàn)，以往最為關(guān)注的解題其實(shí)并無(wú)太多困難。在充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性后，解決問題變成了學(xué)生的內(nèi)在需要，再無(wú)需執(zhí)教者的苦口婆心。由于長(zhǎng)期缺乏動(dòng)手制作的經(jīng)驗(yàn)，制作演示儀的很多工程細(xì)節(jié)反倒成了“攔路虎”，需要執(zhí)教者提供最基礎(chǔ)的指導(dǎo)和服務(wù)。7結(jié)語(yǔ)為什么要發(fā)展STEM教育？因?yàn)樗槕?yīng)了社會(huì)發(fā)展和個(gè)人成長(zhǎng)需要，有利于我們的科學(xué)教育回歸科學(xué)的最真實(shí)的自然狀態(tài)。它有可能會(huì)對(duì)關(guān)鍵能力如何落地給出一個(gè)有操作性的解答，它也有可能成為撬動(dòng)傳統(tǒng)課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型的一個(gè)支點(diǎn)，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義?；赟TEM教育的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)自主、高效、快樂，一個(gè)活動(dòng)尚未結(jié)束，他們就已經(jīng)在期待下一個(gè)活動(dòng)了。這樣的教學(xué)又怎能不高效！STEM教育的力量值得關(guān)注。參考文獻(xiàn)：[1]胡平．物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“教學(xué)碎片”的聯(lián)結(jié)[J]．物理教師，2015,（08）：7-13．[2]金慧．以STEM教育創(chuàng)新引領(lǐng)教育未來[J]．遠(yuǎn)程教育雜志，2017,（01）：17-25．[3]張勇,文波．學(xué)生自制教具要在“做”中學(xué)[J].物理教學(xué)探討,2012,(12)：29-30+33.[4]HYPERLINK"/kcms/detail/search.aspx?dbcode=CJFQ&sfield=au&skey=%e9%99%88%e4%b8%bd%e5