《抛体运动系列仿真探究实验》课件制作综述

秦亮赪

● 亮点与创新点

本课件通过函数程序动画真实模拟了物体的斜抛和平抛运动实验规律，两个典型的学生自主探究游戏式练习极大地激发了学生的学习兴趣，多功能计算器能帮助学生迅速得到相关的函数数据。它以积件的形式出现，仿真性强，智能化高，艺术性实用性强，导航灵活，不仅适合于教师课堂教学，更适合于学生自主探究学习。

● 制作背景

平抛物体的运动是高中《物理》必修一第五章曲线运动规律学习的重要模块特例之一，在学生学习理解了曲线运动的位移、速度、曲线运动的条件以及研究曲线运动的数学及物理方法（即一维、二维坐标系法和运动的合成与分解）后，我才安排他们具体学习平抛物体运动规律及一般抛体运动规律的理论知识，紧接着又安排学生进行研究平抛运动探究实验，让学生在实验的具体过程中体验和验证各种规律的含义，从而达到理论与实践相结合的目的。基于教材内容的科学安排，怎样将信息技术和多媒体手段合理应用到此部分内容中帮助教师的教及学生的学，从而最大限度地提高教与学的效率，是近几年我在教学过程中一直思考的一个问题，虽然先后做了大量的工作，制作了不少课件，但总觉得不尽人意。我经过认真探究发现主要存在这样一些问题：①单纯利用课件上理论课，学生会有走马观花的感觉，他们做笔记和思考的时间不够，教师难于把握，可见一堂课全部用课件上课是有弊端的。②课件制作过程中所用到的动画路径机械单一，最多也只是重复播放，学生只能机械地接受，可信度不高，虽然形象直观，但不能做到随想随到，屏蔽了学生形象创造的思维空间，对于部分习惯于机械接受的学生，甚至成为误导，认为它只能这样运动。③若考虑篇幅少，干扰因素小，则必定会造成内容单一，信息量不足，反之亦然。

● 设计思路与表现手法

为避免以上授课过程中出现的问题，本课件的设计并非为一个独立的课件，而是以积件的形式集合在一起，设计有五个独立的场景，导航灵活，可任意切换。

1.“仿真斜抛运动”场景

“仿真斜抛运动”设计了一个斜抛发射器，在0～180度范围内输入任意发射角和0～60m/s的任意发射速度，通过程序运算都能模拟出小球在对应参数下的斜抛运动现象，显示出最终的运动轨迹和该参数下的轨迹方程及运动过程中小球的位置坐标。标记球配合步进按钮可以描画运动轨迹，两个阴影按钮可以显示小球运动过程中的竖直投影和水平投影用于验证小球在水平方向做匀速直线运动和竖直方向做竖直上抛运动的现象，动画路径可由参数任意设定，避免了单一路径动画的缺点（如图1）。

2.“仿真平抛运动实验”场景

“仿真平抛运动实验”设计了平抛运动实验的器材及运动现象的全过程，输入0～16m/s（可视化范围速度）的打击速度，小球都能显示在对应速度下的运动过程及相应的运动轨迹，同时还设计了同步自由落体运动和水平匀速运动的小球，用于验证小球在水平方向上等效做匀速直线运动、在竖直方向上做自由落体运动的现象，附加隐藏按钮便利了比较。步进按钮是为灵活分析比较应用时所设计的。另外，落体加速度的数值也是可以改变的（默认为9.8m/s2），改变它可以模拟任意加速度下的类平抛运动规律（如图2）。

3.“仿真平抛运动追匀速运动”场景

“仿真平抛运动追匀速运动”的设计取材于近几年高考复习应用题中关于平抛运动规律复习与应用的一个经典常规练习题模型，只是将相应的参数做了灵活设定，飞机的运动速度设为变量，课件可以模拟飞机及炸弹在不同速度下的匀速运动及平抛运动现象，然后去追击以固定速度运动的坦克，不能被炸弹追上的坦克完好，追上的则将会被炸毁。条件是，使用者必须要依据问题设计的过程，应用相应的物理知识计算出飞机丢弹能炸中坦克的速度，同时课件也会根据输入的数据给予正确的判断，这就将问题变成了游戏（如图3、图4）。

4.“仿真平抛运动与竖直上抛运动的相遇问题”场景

“仿真平抛运动与竖直上抛运动的相遇问题”的设计同样是取材于近几年高考复习应用题中关于平抛运动规律复习与应用的一个经典常规练习题模型，只是与上一个设计的运动过程不同罢了。但该问题的难度大多了，除了能考查学生对平抛运动规律和匀速直线运动规律掌握的情况外，还增加了竖直上抛运动的规律，相当于一个游戏的进阶过程。问题情境为坦克固定，飞机以固定速度匀速运动并丢出炸弹，拦截系统同时发出竖直上升的炮弹，发射速度设为变量，两弹不相遇，拦截失败，击毁坦克；两弹相遇，拦截成功，坦克完好。条件是，使用者必须要依据问题设计的过程，应用相应的物理知识计算出拦截系统发射炮弹的初速度。

5.“仿真多功能计算器”

“仿真多功能计算器”设计的目的主要是为了使用者在使用时，特别是涉及关于函数问题的计算问题时，能方便查找对应的函数值，为使用者节省了大量的时间。必要时，也可以单独使用（如图5）。

● 教学设计建议及参数说明

该仿真斜抛、平抛物体的运动实验智能动画可以配合新课改人教版教材或其他教材内容帮助学生在学习第五章《平抛运动》新课时形象生动地理解斜抛及平抛竖直方向物体做竖直上抛运动或自由落体运动，水平方向做匀速直线运动的分运动规律。

1.使用方法

（1）仿真斜抛：在程序中重力加速度已经设定，可从文本框任意输入斜抛初速度和仰射角角度值，来探究水平和竖直方向上分运动位移随时间的变化及位移与初速度和仰射角的关系的规律。

（2）仿真平抛：在程序中下落高度y已经设定，即下落总时间一定，可从文本框中任意输入平抛初速度和“重力”加速度的值来探究水平分运动位移x随水平方向上初速度和竖直方向上加速度的变化规律。

2.输入数据要求

由于窗口可视范围有限，输入的数据要在动画范围内可用，不能太大也不能太小，否则会影响仿真演示效果，操作中软件有提示。

（1）仿真斜抛：仰射角角度设定为：0～180度（0和180度时为平抛），初速度可视范围值约为12～60m/s。

（2）仿真平抛：初速度可视范围值约为0～26m/s，加速度可视范围值约为0～100m/s2。

3.探究重点

（1）仿真斜抛：①通过小球的动画观察斜抛物体的运动轨迹。②由暂停按钮确定小球位置不断拖动标记球描画小球运动轨迹。③通过小球动画及水平和竖直方向影子的动画观察小球水平方向和竖直方向上等效的分运动现象，即匀速直线运动和竖直上抛运动。在此基础上引导学生得出斜抛运动的规律公式。④另外，一是让小球初速度不变如55不变，输入0～180度内不同的角度值，观察水平位移和竖直位移随角度变化的规律。即水平方向0～45度逐渐增大，45～90度逐渐减小，竖直方向上0～90度位移始终增大的现象。二是让入射角度不变（如45度），输入12～60左右的速度值，观察水平及竖直位移都随速度增大而增大的现象。⑤让角度为90度，观察竖直上抛运动现象，通过数据的变化体会位移先增大到最大后减小为零以及运动的对称性等规律的含义。

（2）仿真平抛：①重点观察水平方向和竖直方向上小球等效的分运动现象并以平抛运动小球的运动现象进行比较，让学生充分感知水平方向上的匀速直线运动和竖直向下的自由落体运动规律。在此基础上引导学生得出平抛运动的规律公式。②让小球初速度不变如9不变，输入不同的加速度值，观察水平位移随加速度减小而增大的类平抛运动的运动规律。还可以让加速度不变，如9.8m/s2，输入0～26左右的速度值，由于高度一定观察水平位移都随速度增大而增大的现象。

4.仿真探究应用

两个仿真探究应用问题是平抛运动规律应用的两个经典例型。题目以游戏形式出现，如果想击中目标，学生必须先由所学习的平抛物理知识进行准确计算。

● 技术应用处理

课件各场景中的背景图样及元件所用图样全部由我作图绘制，图形结构采用基本图形工具绘制再用选择工具点主线条拖制而成，颜色主要采用“线性”或者“放射状”设计多种色块组合填充成图形元件后再转换影片剪辑，用“滤镜”效果凸显出它的立体效果。

课件中的所有动画都不是简单的补间动画，主要采用了帧动作程序循环的方式控制元件的坐标而实现，这也是游戏开发中常见的应用方法之一。作为抛体运动的动作程序函数体多以一次函数和二次函数为主，斜抛运动还要用到正、余弦函数，为了实现模拟物体的运动规律与实际运动规律严格吻合，在编写这部分程序（及脚本语言）时，要多下功夫，反复测试，直到完全正确为止。限于篇幅，不再详解。

为了实现数据输入、触发计算、结果的判断与选择等程序的运算过程，从而将运算结果赋予实例，且能够导航灵活，帧动作、按钮动作、影片剪辑动作这三种动作程序就必须要有机配合。

● 评价与反思

课件充分利用Flash软件强大的动画功能真实地模拟了斜抛运动、平抛运动及抛体运动的追击运动现象，由输入数据控制动画类型和所需要的实验现象，应用部分能对结果进行智能判断并做出合理评价，过程可选，能设计问题，探究性、趣味性强，能辅助实验教学等，这些是该课件的成功之处。但经过反复实验我认为其实本课件还可以做以下一些修改：①将5个场景做成5个独立的.swf影片文件，以方便独立应用，再应用外部影片加载函数体组合为一个整体。②增加显示运动轨迹和轨迹函数文本内容（评委的建议，现已解决）。③还要多设计几个探究应用问题使内容更加丰富完善。最后添加一个12个题左右的限时考查测评系统用来评价学生的学习效果。

● 幕前幕后

说句心里话，2006年之前由于忙于课堂教学我对多媒体教学手段几乎是一无所知，2007年初一个偶然的机会，我在网站上看到了NOC活动的相关信息，当时已成功举办了四届，我被活动的规模、严密的组织形式和取得的成就所深深吸引。特别是公平公正的评价机制就连评委裁判的任职都要层层考试和选拔，这使得我们这些身在大山里的教育者热血澎湃，看见有那么多的乡村教师也能在大赛中获奖，从而激发了我的创造热情，我开始研究各种软件。在2007年，我小试牛刀的作品竟然获得了湖北省二等奖，从此便一发不可收拾。2008年第一次获得NOC活动一等奖，这次又获得第十届NOC活动一等奖。可以这样说，是NOC活动组委会给了我创造的冲动，激发了我的创造灵感。在这里，我要特别感恩NOC活动给广大师生提供了这样展示能力的平台，愿我们一起向更高更强的目标奋斗！

评委印象

当秦老师一开始演示这个作品时，我并无新鲜感。但当我仔细研究教材和这款软件之后，才明白这款小程序做得很有味道。它力图通过函数程序动画来模拟物体的斜抛和平抛运动实验规律，让使用者可以根据需要灵活探究，设计不同的抛体运动模拟演示实验过程，两个典型的自主探究游戏式练习能极大地激发学生的学习兴趣。实验场景和现象仿真性强，提供了实际实验中没有的智能化判断。作品界面清新俊美，艺术性、实用性强，导航灵活。其中“仿真斜抛运动”可以通过人工暂停、标记制作抛物线轨迹，“仿真平抛运动”可以由程序自动生成抛物线轨迹；另外两个仿真探究应用问题是平抛运动规律应用的两个经典例子，促使学生练习平抛相关物理知识，能极大地调动学生学习的积极性。多个场景中都有“复位”功能键，“复位”功能好，简洁明了地回到数据初始状态，便于使用者及时进行数据调整。“软件说明”对学习者有很好的引导作用。这款学习软件是用套件的形式把多个小程序组合到一起，操作时可以不分先后，交互性强，使用起来非常灵活。虽然在美工上还有些欠缺，但是使用却很方便，功能扎实，内涵丰富。

该课件既可以作为教师课堂教学使用，也可以作为学生的自学软件。高中学生的差异性较大，自学能力强，如果能在“一对一”教学的网络教室中，让学生自行演练揣摩，学习效果会更好。而高中学生对界面的美工方面，要求可能会低一点，他们更注重实用效果，所以对高中学生来说这是一个很好的学习软件。

但课件也略有不足：①封面的探照灯功能所做的圆形遮罩，有画蛇添足的感觉；画面上的游龙也感觉除了花哨外，没有其他作用；②5个小程序使用的场景雷同，只是在颜色上简单做了区分，给人感觉不够细腻，如果5个程序分别制作成不同的小程序套装在一起更好；③每次“清屏”时，都会闪过“计算器”小程序的界面，不知道是什么原因。

陈斌 NOC活动评委/山东省淄博市博山区教育体育局