STEM理念下高中物理深度学习教学设计——以“探究斜抛运动”为例

赵绍明 杨大湖 江维源

（厦门市海沧中学，福建 厦门 361026）

1 问题背景

《普通高中物理课程标准（2017年修订版）》中提出要引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力，引导学生形成探究意识和科学思维，学会正确运用知识解决问题，最终实现深度学习.［1］

深度学习是指学生在教师引领下围绕着相关的学习主题，积极的参与、体验、获得有发展意义的学习过程.深度学习强调知识与能力、方法、思维的统一，是一种基于学习者已有经验的迁移学习，强调学生的主动参与、积极建构，是形成学生核心素养的基本途径.［2］STEM教学理念是培养提升学生核心素养，走向深度学习的有效途径.STEM是科学、技术、工程和数学等多学科的综合整合，强调在让学生应用多学科知识解决具体问题.STEM教学模式注重多学科知识的关联，更注重知识与生活的联系和知识的灵活应用.［3］

本文以“探究斜抛运动”为例，以斜抛运动的规律和射程为主线，渗透STEM在高中物理教学中的应用，让学生学会运用多种方法解决问题.

2 教学背景

生活中的斜抛运动随处可见，斜抛运动是在学生学习运动的合成与分解、平抛和上抛等运动的基础上进一步深化运动合分思维的典型实例.通过平抛运动的学习，学生通过类比可以处理同一高度的斜抛运动，但是针对不同高度的斜抛运动的射程，难度比较大，尤其是斜抛的射程与多个因素有关，是高中物理学习的难点，因此通过实验和数学软件模拟来分析斜抛运动，这种处理学生更容易接受.运用不同方法的整合来处理复杂的问题，是培养学生形成创新思维的有效方法.

3 教学过程

3.1 利用Vernier Video Physics软件辅助处理斜抛运动

用手机拍摄学生的铅球投掷过程，并用Vernier Video Physics软件追踪铅球的运动轨迹，快速得到铅球的运动轨迹，如图1所示.软件自动对视频中的铅球定位，将运动的物体以视频慢动作呈现，并采集不同时刻的铅球的位置.通过运动轨迹引导学生思考分析铅球的受力情况、运动情况，最终得到斜抛运动的概念，为研究斜抛运动做好铺垫.

图1 铅球运动轨迹拟合

以铅球的抛出点对应地面的点为坐标原点，创建坐标来分析运动，然后能快捷得到运动对象的x-t、y-t和v-t图像，如图2、3所示.从图像中容易分析出斜抛运动的规律.

图2 铅球水平方向x-t和vx-t图像

图3 铅球竖直方向y-t和vy-t图像

思考1：结合图像，斜抛运动有何特征？

思考2：如何从图像计算重力加速度的大小？如何计算该同学抛射铅球的速度？

思维提升：在传统的教学中学生处理曲线运动都能很快想到将运动分解为两个运动，但是为什么要分解、怎么分解，学生缺乏直接体验，甚至在解决问题时容易形成固定思维，这不利于学生的思维发展.Vernier Video Physics软件将数形相结合，在解决问题的同时增强体验感，提升学生读图、识图、用图解决问题，不仅增加直观体验，而且将处理问题的方法和思维可视化.学生亲自参与活动，经历知识的形成过程，并能在课下通过手机还原实验，从课堂学习走向课外实践.

教学反思：随着智能手机性能和技术的迅速发展，手机传感器为物理实验提供了新的思路.软件在分析一些问题上能显示极大的优势，能有效助力物理课堂.手机传感器不仅对一些物理量的测量更加准确且效果显著，同时让学生对物理实验更增强体验感.学生在课堂下即能通过手机完成实验探究，打破物理实验的局限性，为学生的终身学习提供条件.

从学生熟悉的体育运动引入概念，通过视频慢放并描述斜抛运动的轨迹，学生参与探究引入过程.学生通过生活情境迁移、联想，真正做到从生活中学习物理.学生在此基础上提出问题：斜抛运动有何特点？如何处理斜抛运动？通过情境引入问题更加顺畅，而且学生积极参与体会更加深刻.

智能手机不仅改变人们的生活，也拓展了教学手段和教学思路.相对于DIS数字实验室，智能手机实验功能虽弱但所受的局限更小，一些实验条件有限的地区可以结合智能手机软件改进创新实验探究，让学生体会新型的实验手段，逐步推进教育的信息化和多元化.

3.2 用斜抛仪探究斜抛运动的射程

在上述环节中，学生在教师的引导下已经能建立斜抛运动的模型，从平抛运动的方法迁移到斜抛运动.但是生活中的实际的斜抛运动抛出点与落点一般不在同一高度，如何探究不在同一高度下斜抛运动的射程与抛射角的关系呢？采用自制的抛射仪，通过控制挡位控制弹射球的弹射速度，改变抛射仪的角度探究不同角度情况下的射程与抛射角的关系.

（1）同一水平高度下的射程与抛射角的关系（图4）.

图4 同一水平高度下的射程与抛射角的关系

将抛射仪的抛射口调整到与桌面在同一水平高度，经多次实验，可以清楚看到，在同一水平高度，在45°时比30°和60°抛射距离更远.实验结论与理论推导相互验证，让学生从理论和实验两个角度深度体验物理规律的形成.

思考3：如果抛出点和落点不在同一高度，45°还是最远吗？

（2）不同高度下的射程与抛射角的关系（图5）.

图5 不同高度下射程与抛射角的关系

在上述探究的基础上，如果抛出点和落地点不在同一高度，很多学生会经验性的以为45°依旧是抛射距离最远.在此基础上，利用自制斜抛仪演示在不同高度下的射程，打破学生对斜抛运动射程的误解，让学生深度理解斜抛运动的射程的影响因素.

通过实验可以发现不同高度时，40°比45°抛射更远，基于证据推理，落实核心素养，引发学生深度思考.

思维提升：通过实验探究2，学生重新认识抛体运动的射程，修正了学前观念.学生的认知障碍突破正是提升思维和走向深度学习的关键时机，教师可以在此基础上深度设问.

（1）抛出点和落点的高度差相同，不同的抛射速度，最佳抛射角相同吗？

（2）同一抛射速度，抛出点和落点的高度差，对抛射角有何影响？如何探究？

教学反思：实验是培养学生探究思维和实验态度的最佳方式，学生讨论实验方案，在实验过程中基于实验数据证据分析，得出实验结论.从浅层学习走向深度学习.两次不同的抛射距离的探究为学生突破思维障碍搭建了脚手架，促成思维进阶.

通过自制简单实验教具是突破学生思维障碍的有效手段，学生在学中悟、动中思、探中达.自制教学教具实验探究，提升学生探究兴趣的同时，也为学生解决问题提供新的思路和新的方向.学生亲自动手进行实验改进，这种情况在力学学习中尤为常见.实践能力也是学生重要的关键能力，是学生学科素养的重要表征.学生的深度学习不仅体现在经验与知识的相互转化，更体现在对问题深层次的挖掘和对探究对象进行深度加工.

3.3 利用Matlab模拟铅球抛射轨迹

如图6所示，在距离地面h处斜向上抛出一个物体（可看作质点），其初速度为v0，与竖直方向的夹角为θ，忽略空气阻力，物体水平方向和竖直方向的运动方程为

图6

水平方向：x＝v0cosθ·t，竖直方向：y＝v0sinθ·

通过消元（详细解答过程可参阅参考文献4），可以得到斜抛运动的最大射程［4］

虽然利用数学方法可以计算得出斜抛运动的最大射程，但是对于高中生来说数学推导难度大，学生不易掌握，难以寻找最佳抛射角.利用Matlab软件数学计算、数据分析，向学生展示不同抛射速度和抛射角度情况下的射程，让教学过程变得生动，使学生体会数学工具在处理物理问题中的妙处，清晰显示物体的射高、射程.

以某学生投掷铅球为例，抛出点的高度h＝1.7m，厦门地区重力加速度g＝9.79m/s2为例，模拟得出抛射距离、抛射高度与初速度、高度、抛射角度的关系，如表1，表2.

表1 Matlab数据模拟（v0＝10m/s，g＝9.79m/s2，h＝1.7m）

表2 Matlab数据模拟（v0＝12m/s，g＝9.79m/s2，h＝1.7m）

通过Matlab数值分析，可以分析不同高度和力量的学生的最佳抛射角度，从图形（图7）和表格中直观感受不同因素对射程的大小的影响.

思维提升：将所学的知识用以指导生活生产是知识的一种重要转化，是教学多维度目标的一种重要的体现.针对体育学生的训练，利用软件科学分析记录学生的投射数据，建立数据库形成大数据，更方便分析不同学生的投掷效果，科学指引学生训练，对体育生训练有着非常重要的指导意义.数据分析更可以作为学生、运动员的训练分析依据，真正实现从生活走向物理，从物理走向生活.

学生在运用不同的方法解决问题，学会学习.通过对不同解决问题方式的比较，理解不同方式在解决问题中的应用，多学科知识综合应用.

教学反思：学生在真实情境中思考物理问题，经过抽象、建模、探究等一系列方法深化问题的理解，最终解决问题.

迁移与应用是深度学习的重要体现，不仅要深度理解学习情境，弄清不同情境的差异，才能有的放矢，从浅表学习走向深度学习.物理知识由关联走向整合，将物理概念、科学原理、数学知识、技术技能等浅层知识有机结合，灵活运用不同学科知识处理真实情境，最终构建形成多维结构化知识体系，最终走向深度学习.

4 结语

通过学生铅球投掷的真实的情境，以实验探究为主线，让物理与多学科相互关联，促使学生在多学科知识的运用中建构知识、合作探究来解决问题.STEM下的教学模式能有效的提升学生解决问题的手段和能力，既让学生体验了物理知识的形成过程，又培养了学生的核心素养.高中阶段的物理教学正是实施STEM教育的好时机，学生在学习和探究的过程中真正达到“知”、“情”、“意”、“行”全面的感悟与提升.物理教学的最终目的是培养学生科学素养和终身学习能力，让学生具有自主发展能力，最终成为时代新人.STEM教育理念的引入，为高中物理课堂注入了一股新的活力，是学生深度学习的重要体现，也是物理教育的魅力所在.