核心素养取向的课堂学习活动设计——以平抛运动为例

马昌芳 李春密

(1. 北京市昌平区第二中学,北京 102200; 2. 北京师范大学物理学系,北京 100875)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》在教学建议中指出:基于物理核心素养确定教学的目标和内容,在教学设计和教学实施过程中重视情境的创设.物理学科核心素养是物理学科育人价值的集中体现,是学生通过学习内化的带有物理学科特性的必备品格和关键能力.物理学科核心素养是新课程三维目标的提炼与升华,主要包括:物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等4个方面的要素构成.

在设计和实施“平抛运动”的课堂教学实践中,以物理学科核心素养为目标,突出学生的主体地位,结合平抛运动的规律及学生的知识结构、能力基础等,注重情境设置、问题提出、科学探究,通过学生活动构建教学过程主线,根据本节课需要完成的教学流程,分解为6个任务,每个任务的完成都通过问题引领学生活动为支撑,尝试了物理学科核心素养目标的“落地”实施.

1 教学任务分解

基于课标分析、教材分析、教学内容分析和学情分析,将本节课的教学流程分解为以下6个任务: (1) 情境设置,认识抛体运动；(2) 平抛运动规律分析；(3) 探究竖直方向分运动规律；(4) 探究水平方向分运动规律；(5) 运动的合成；(6) 迁移应用.

2 学生活动设计

为了更好地体现新课程改革的理念,突出学生的主体地位,以学生为中心,教师通过具体任务引领学生积极思考、提出问题、主动参与活动,旨在发展学生的物理学科核心素养.下面就教学过程中如何通过学生活动的设计与实施进行简单探讨.

任务1:情境设置,认识抛体运动.

问题情境:如图1所示.

设计意图如表1所示.

图1

问题问题设计指向的素养目标1.套圈游戏比赛,为何没有套住目标?2.套圈落地位置跟哪些因素有关?3.若不计空气阻力,套圈、铅球、标枪等物体从运动学和动力学角度,做抛体运动有什么共同特点?哪些是平抛运动?生活中的有趣活动,激发探究热情(科学态度与责任);会用学过的知识描述、分析运动的特点(科学思维);通过分析,知道平抛运动是有水平初速度、只受重力作用的匀变速曲线运动(物理观念)

(1) 知识建构:由学生自主活动,感悟生活中存在的物理现象,丰富感性认识.由套圈游戏活动,分析套圈运动位移与哪些因素有关,为后面内容的学习——抛体运动的速度、位移做好铺垫．用学过的运动学、动力学知识总结抛体运动特点,并通过对比分析,建立科学模型——平抛运动.

(2) 活动实施:全班学生分为4组进行比赛,要求:不能超过投掷线,以所用时间最短、套住物品最多的组为比赛冠军组.学生总结失败原因,引导、讨论.体会抛体运动有什么特点,是否有初速度,运动过程是否受力,运动轨迹是直线或曲线.平抛运动的特点,初速度是沿什么方向,只受什么力的作用.

任务2:平抛运动规律分析.

问题情境:如图1所示的套圈或飞镖.

设计意图如表2所示.

表2

(1) 知识建构:学生已学了运动的合成与分解,根据平抛运动的轨迹等效分解为竖直方向和水平方向的运动.至于两个方向的运动规律,借助于运动学和动力学知识分析推断.

(2) 活动实施:根据实验得知,平抛运动是曲线运动,由运动效果分解成水平方向和竖直方向的分运动.绘出物体运动轨迹——曲线.根据运动效果,建立以抛出点为原点,建立水平和竖直方向的坐标系,受力分析——只受重力.学生分析讨论得出:水平方向做匀速直线运动,竖直方向做自由落体运动.

任务3:探究竖直方向分运动规律.

问题情境如图2所示.

设计意图如表3所示.

(1) 知识建构:由受力分析,只受重力,竖直方向初速度是0——理论推导做的是自由落体运动.实验探究,两球同时下落,只听到一次声音,得出了平抛运动竖直方向是自由落体运动;频闪照相法,竖直方向两球总是处于同一水平高度,说明两球竖直方向运动状态相同.

图2

问题问题设计指向的素养目标1.做平抛运动的物体,竖直方向分运动有什么特点?2.怎样设计实验,来验证我们的猜想———竖直方向做的是自由落体运动?3.平抛竖落仪,怎么知道竖直方向做的是自由落体运动?4.频闪照相法,如何分析竖直方向运动规律?设计方案:对比方法,平抛竖落仪,总结:①用两个物体在同一高度同时分别做自由落体和平抛运动,观察它们是否同时落地(科学探究);②用频闪照像方法,拍摄两物体的运动轨迹照片,建立坐标系进行研究(科学探究)

(2) 活动实施:学生利用平抛竖落仪进行探究,教师要注意引领,强调注意事项:如初始状态,保持两球同一水平高度,不是用眼看,而是用耳仔细去听,听到一次声音.教师再通过频闪照相法进行演示,进一步验证,以抛出点为原点,建立水平、竖直方向坐标系,通过作图,发现两球运动中,总是位于同一高度.

任务4:探究水平方向分运动规律.

问题情境如图3所示.

设计意图如表4所示.

(1) 知识建构:教师引领学生进行理论探究,由水平方向不受力,有初速度,做匀速直线运动.学生进行实验探究,如图3实验装置,发现两球相碰,说明平抛运动的物体水平方向做的是匀速直线运动.教师通过频闪照相法,进行演示,竖直方向时间相等时,对应做平抛的小球各段水平位移皆相同——匀速直线运动.

图3

问题问题设计指向的素养目标1.做平抛运动的物体,水平方向分运动有什么特点?2.怎样设计实验,来证明我们的猜想———水平方向做的是匀速直线运动?3.装置如图,让两球处于不同高度的竖直平面内,每个斜面高度相同,怎么知道水平方向做的是匀速直线运动?4.频闪照相法,如何分析水平方向运动规律?两个小球在同一竖直面内不同高度,使它们具有相同的水平初速度,分别做平抛和匀速直线运动,比较是否相碰(科学探究)频闪照像法,先绘出小球运动轨迹,以抛出点为原点,取水平和竖直方向分别为x轴和y轴,建立坐标系.取y轴y1=h,y2=3h,y3=5h,…,对应x轴上各点间距x1=a,x2=a,x3=a,…说明相等时间间隔内,所对应的水平位移皆相等,可见水平方向做的是匀速直线运动,探究得到水平方向速度、位移表达式(科学探究)

(2) 活动实施:水平方向不受力,有初速度,做匀速直线运动.同一竖直面内两球的运动,实验时确保上面的小球初速度水平,下面的小球,水平面光滑,相碰说明什么问题,师生讨论.频闪照相法,要建立坐标系,由竖直小球做自由落体运动,相等时间位移的比,对比得出做平抛运动的小球,在相同时间内各段位移都相同.

任务5:运动的合成.

问题情境:由图3中的频闪照片所示.

设计意图如表5所示.

表5

(1) 知识建构:利用上节运动合成与分解的关系,求解合速度、合位移及其方向.合理建立坐标系,利用矢量合成规律,求解未知量.由合运动和分运动的独立性,平抛运动的物体在空中运动时间取决于水平抛出物体的竖直高度.

图4

(2) 活动实施:学生利用合成与分解的知识,来求解.引导学生建立合理坐标系,根据合速度与分速度、合位移与分位移关系如图4所示,利用数学知识求解.由水平、竖直方向运动的独立性、等时性,平抛物体运动时间由高度决定.

图5 射出的箭

任务6:迁移应用.

问题情境如图5所示,若射出箭的速度为36 m/s,位于距离地面高度10 m的位置水平射出(g=10 m/s2).

设计意图如表6所示.

表6

3 教学反思

物理情境的创设可以让学生在轻松愉快的情境里学习,提出问题,主动探究,激发了学生的积极主动性,提高学习的效率(科学态度与责任).

本节设计的学生活动,注重了物理学科核心素养的要素,活动过程中蕴含了很多的科学思维方法,学生通过观察、探究、实验、分析综合、体会、创新等,发展了物理学科核心素养,把以前的“学生被动的学”改为“学生主动的学”,学生自己动手、动脑,自主讨论、分析研究去发现规律,认识规律,体现成功的乐趣.