基于“科学实践评估任务”模板落实核心素养的高中物理教学设计

赵欣

摘 要：本研究尝试基于美国的“科学实践评估任务”模板，依据我国2017年版《普通高中物理课程标准》的要求，对高中物理课题“篮球的抛体运动研究”做出教学设计.教学设计突出STEAM理念和跨学科融合，旨在通过创设情景，提出问题;参与讨论，开发和使用模型;设计问题解决方案;实施调查，运用数学和计算机思维分析和解释数据;参与讨论，获取、评估和交流信息五个主要教学环节促进学科核心素养的落实.

关键词：科学实践评估;核心素养;篮球抛体运动;教学设计

文章编号：1008-4134（2020）11-0028中图分类号：G633.7文献标识码：B

1 问题的提出

为适应未来社会经济发展的要求及提高国际教育竞争力，美国国家科学基金会资助的“研究+实践合作实验室”开发了“科学实践评估任务（Integrating Science Practiceinto Assessment Tasks，简称ISPAT）”模板，以评估学生是否掌握了2014年美国颁布的《新一代科学教育标准》（简称NGSS）.此评估任务模板涉及科学与工程实践、跨领域概念和学科核心概念3个维度的内容，并为教育工作者和教师提供实施STEM教育的建议.实验室研究并公布的ISPAT模板给出了科学与工程实践教学中10种可能的任务安排，分别为：（1）提出问题（科学）;（2）明确问题（工程）;（3）开发和使用模型;（4）设计方案，实施调查;（5）分析和解释数据; （6）运用数学和计算机思维;（7）构建解释 （科学）;（8）设计问题解决方案 （工程）;（9）参与基于证据的讨论;（10）获取、评估和交流信息.提倡科学教育应该在问题情景中学习学科核心概念，重視学生的学习过程，在实践中促进知识的掌握和解决问题能力的提升.

教育部2018年1月颁布了2017年版《普通高中物理课程标准》（以下简称新课标）.新课标中凝练了“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四大物理学科的核心素养，同样特别指出“重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实.”由此可见，美国的“科学实践评估任务”模板对我国的科学课程的具体实施有一定的借鉴价值.

由此，我们对2019年6月人民教育出版社出版的《普通高中教科书——物理》教材中必修第二册第五章“抛体运动”之第四节“抛体运动的规律”的内容做了较为深入的挖掘，尝试以“斜抛运动的规律”为物理核心知识，以解决篮球运动中投篮命中率为切入点，在解决实际情景问题的过程中，应用上述ISPAT模板落实科学与工程实践教学中的任务安排.

2 教学背景分析

2.1 课标要求与教学内容分析

新课标对本章的要求：

（1）通过实验，了解曲线运动，知道物体做曲线运动的条件.例1 观察生活中的曲线运动，如投篮时篮球的运动轨迹.

（2）通过实验，探究并认识平抛运动的规律.会用运动合成与分解的方法分析平抛运动.体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想.能分析生产生活中的抛体运动.

从学习内容上分析，本节内容安排在学生学习平抛运动的规律之后，以解决生活中的实际问题——提高学生投篮命中率为出发点，通过研究斜抛运动，拓展对运动多样性的认识，进一步提高力与运动关系的认识.通过将较为复杂的曲线运动（斜抛运动）分解为水平方向上的匀速直线运动和竖直方向上的上抛运动，让学生再次体会物理学中化繁为简的研究方法，同时在研究过程中忽略空气阻力，突出重力的作用，帮助学生逐渐学会建立理想化模型.

本节从提升学生核心素养和发展学生学习能力的角度，启发学生依据平抛探究斜抛运动规律，有益于迁移创新能力的培养.学生在分析实际问题的过程中，面对较为复杂的影响因素，通过小组讨论、研究成果的展示和交流，学习解决实际问题的流程.同时思考物理模型与客观现实的差异，理解科学不断探索、追求真理的本质.

2.2 学情分析

高一年级的学生，通过前期曲线运动的学习，初步掌握了将复杂运动分解为简单运动的研究方法，但应用还不够熟练.对于生活中常见的斜抛运动，将感性认识上升为物理规律的能力不足.虽然对于身边的实际物理问题表现出兴趣，但面对复杂的影响因素，无从下手，将物理理想模型和实际情景问题建立联系的能力有待加强.虽然在实验室学习了研究运动问题的基本操作，但收集和处理数据的能力较差.对于运动传感器的相关知识储备少.

2.3 重难点分析

教学重点：斜抛运动模型在实际情景中的应用.

教学难点：解决实际问题的流程和分析方法.

2.4 学习目标分析

（1）熟悉多因素影响下，通过分类，层层递进、逐渐深入的研究方法.

（2）了解斜抛运动的特点，建立和使用斜抛模型，应用复杂运动分解为简单运动的方法，分析生活中的抛体运动.

（3）学习解决实际问题的流程，设计和实施调查研究，了解变量的选择和控制方法.

（4）运用数学和计算机分析和解释数据.

（5）了解传感器技术在实际生活中的应用.

3 教学过程

3.1 创设情景，提出问题

教师活动：播放小视频明确实际问题——帮助梁同学解决一个有关篮球运动的问题.

学生活动：观看视频，激发兴趣，引起思考.

教师活动：问题的聚焦——讨论并介绍不同的投篮方式，确定研究方向为不改变运动轨迹的空心投篮方式.

学生活动：参与讨论并明确研究方向.

教师活动：问题再度聚焦——运用影响因素分类的研究方法，通过层层深入、逐渐递进的方式，确定主要影响因素的评价标准（如图1）.

学生活动：学习因素分类的研究方法，通过讨论将篮球的科学训练方法转化为可衡量和可操控的物理量.

设计意图：以学生常见的实际问题引入，突出任务为中心的学习，利于激发学生的学习兴趣.另外，面对众多复杂的影响因素，学生常常会迷惑研究方向，教师引入社会学领域分类研究的方法，实现问题的聚焦，明确研究的方向.

3.2 明确主要影响因素，开发和使用模型

教师活动：引导提高梁同学空心投篮命中率的主要因素的讨论，组织合作学习小组讨论确定评价标准：（1）个人可控因素;（2）可衡量（测量）;（3）短期内可操控.

学生活动：以小组合作学习的形式参与讨论，明确主要因素的评价标准.同时通过组内讨论和组间的发言，确定——出手初速度v0的大小，运动员与篮筐的水平距离L，投出点的高度h，出手角度θ四个物理量为主要影响因素.

教师活动：引导建立和运用斜抛模型.

学生活动：迁移已学习的平抛运动模型建立斜抛运动模型，分析其轨迹、速度、位移的特点，得出相关方程（如图2），为下面的研究提供物理动力学原理的依据.

设计意图：通过问题的聚焦和讨论，帮助学生体验科学探究过程中的研究方法——突出主要因素，忽略次要因素.同时，将实际情景和物理理想模型建立联系，物理知识的获取过程从被动接受变为主动需要.

3.3 讨论并设计问题解决方案

教师活动：使用乒乓球发球机（如图3）进行实验演示，模拟篮球的斜抛运动（发球机的内部出球口为一斜面，如图4），通过控制按钮可以调节出球速度.同时在出球口安装了测量出球速度的光电门装置，并与传感器数据采集器连接，可显示乒乓球经过光电门的时间，估算出球速度，对出球速度进行量化控制.

在其他因素不变的前提条件下，只改变以下因素：（1）改变出球角度;（2）改变速度（用光电门传感器监控）;（3）改变出球高度，研究对落点的影响.

学生活动：观察实验现象，关注实验中变量的控制和自变量变化对因变量的影响.

教师活动：组织提高空心投篮命中率问题解决方案的小组讨论，讨论问题主要包括：（1）自变量、因变量的选择？（2）如何控制变量？（3）测量哪些数据？（4）训练建议？

学生活动：讨论本组需要研究的提高同学空心投篮命中率问题的解决方案.

设计意图：由于学生缺乏解决此类问题的实际经验，考虑到教室的场地条件和安全性，教师设计利用乒乓球发球机模拟篮球的抛体运动，让学生体验实验中控制变量的研究方法，观察某一自变量改变对运动轨迹的影响，有助于学生问题解决方案的设计.

3.4 实施调查，运用数学和计算机思维分析和解释数据，提出初步的问题解决方案

教师活动：组织研究小组展示研究成果.

学生活动：研究小组展示研究成果（学生汇报发言）.

研究目标：解决篮球场罚球线投篮命中率问题.

研究因素：出射角度θ（自变量）和初速度v0（因变量）大小对定点空心投篮命中率的影响.

斜抛模型函数关系式如下：

v20=gL22Lsinθcosθ-2cosθcosθ（H-h）

测量数据（如图5）：

L——投球点到篮筐中心投影点的距离.

H——篮筐高度.

h——篮球射出点的高度.

控制变量和数据的测量结果见表1.

数据处理（见表2）：H=3.05m，h=2.26m，L=4.2m（罚球线）.不同角度下，对投球速度大小的要求.以及H=3.05m，h=2.26m，L=6.75m（三分线）.不同角度下，对投球速度大小的要求（利用出射角度θ和初速度v0的斜抛函数关系式编程，以5°为间隔，输入自15°至85°的出射角度值，Excel函数自动计算投篮命中需要对应的初速度值）.

训练建议：（1）强化习惯出手角度的对应速度练习（借助专业运动传感器，播放相关视频）;（2）在H=3.05m，h=2.26m下，建议在50°左右将球抛出，所需要的初速度较小，较为保存体力.

设计意图：经过各学习小组初步的讨论后，由教师课下指导的研究小组示范其已经完成的研究成果，对其他小组的研究起到示范和引领作用，将课堂研究延续至课后.

3.5 参与基于证据的讨论，获取、评估和交流信息

教师活动：组织其他研究学习小组参与探讨理想模型在实际应用中的问题.建议将新的物理原理（如流體动力学）和新的研究变量（如入筐角度）等引入，不断深化研究，最终起到指导科学训练，提高投篮命中率的目的.

学生活动：其他学生听取和学习研究成果，并对研究的问题进行交流与讨论.以上研究在实际应用中的问题包括：（1）空气阻力的影响;（2）篮球的旋转问题;（3）篮球入筐的射入角问题;（4）投出后的拦截问题.

教师活动：播放运动系统、捕捉系统和数据库技术在运动仿真领域应用的视频资料.展示文献资料的查阅情况：如在“中国知网”上有关“人体运动传感器”的研究仅有8篇.

学生活动：观看视频，了解运动传感器领域有关应用和人体运动传感器的研究现状.

设计意图：在研究小组完成汇报后，引导其他学习小组对其成果提问与质疑，交流与讨论，提升学生的合作学习与交流展示能力.通过探讨理想研究和实际问题的差异，体会科学探究不断深入与修正，逐渐接近科学真理的过程.了解物理动力学原理和计算机技术在体育运动领域的应用，体验正确运用科学技术造福人类的过程，同时知道我国在运动仿真和传感器领域的不足之处，激发学生学习的动力与责任感.

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（收稿日期：2020-02-20）