汪成瑞 肖剑聪 任卫平

(宁夏回族自治区贺兰县第一中学,宁夏 银川 750299)

1 引言

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》明确指出：高中物理课程目标是进一步提升学生的物理学科核心素养。[1]物理课堂教学的各环节均需要做出改变,在教学观念方面应注重培养学生的问题解决能力,在教学内容方面应强调以情境化的问题为载体,在课堂活动方面应关注学生的主体性,在教学评价方面应在重视学习结果的同时关注学习过程。

STEAM理念强调基于问题情境,期望学生利用科学、技术、工程、艺术、数学等知识设计模型,在问题解决的过程中,达成知识和能力的协调发展。STEAM教育重视学科的综合化,物理学科核心素养则指向培养全面发展的人,二者“出发点”与“落脚点”相互契合。[2]

2 利用床弩探究抛体运动的特点

对于高中生而言,抛体运动看似复杂,究其本质却是已有知识的组合,学生虽已具备匀速直线运动、匀加速直线运动、运动的合成与分解等相关知识基础,但抛体运动规律依然是学习难点,他们难以将问题情境转化为物理模型,进而运用已有知识解决问题。为此,我们试图利用床弩弹射钢珠为学生创设一个真实的抛体运动情境,组织学生通过小组合作进行实验探究,探寻抛体运动的特点,从而在活动中培养学生的物理学科核心素养。

2.1 床弩简介

床弩是一种古代攻城器械,能将弓弦的弹性势能转化为箭矢的动能。此次实践活动是依据床弩原理,利用生活中常见物品完成小制作(图1),其中包括底座、滑轨、皮筋、皮兜、弩架等部分,实验时在水平台面上将钢珠沿滑轨弹出,研究钢珠运动的特点。

图1

2.2 基于床弩的实验探究

如图2所示,钢球离开滑轨后做曲线运动,因此本探究运用运动合成与分解知识,首先研究其中一个方向的运动规律,再设法分析另一个方向的运动规律,最后运用数学方法总结出钢珠运动的轨迹特点。

图2

2.2.1 实验仪器、实验步骤与注意事项

实验仪器为：学生自制的床弩、水准仪、摄像机、卷尺、钢球、重垂线等。

实验步骤为：(1) 制作、组装床弩;(2) 将床弩置于一定高度的台面上,利用水准仪将滑轨所在平面调至水平;(3) 固定重垂线,将卷尺平行于重锤线放置;(4) 调整摄像机,录制高清视频;(5) 开启摄像机录制功能,拉伸皮筋,将钢珠射出,录制钢珠的运动过程;(6) 收集数据,用计算机软件分析数据,得出结论。

注意事项为：(1) 实验应在无风的环境中进行,最好在室内完成,以减小风对实验的干扰;(2) 选取体积较小、质量较大的金属小球,小球直径与床弩滑轨的内径相近;(3) 为保证实验结果准确,必须用水准仪调整小球发射面水平;(4) 调整摄像机参数,确保录制画面清晰。

2.3 实验数据与处理

本实验所用方法类似频闪照相法,获取实验数据的步骤如下：(1) 将录制好的视频导入视频剪辑软件,选择帧率为24帧/秒;(2) 逐帧观看,首次出现小球画面时,选择以PNG格式导出静帧画面;(3) 逐帧导出画面,直至小球落地;(4) 用图像处理软件打开导出的静帧画面,添加标尺;(5) 以小球下落的第一个像点为参考点,建立参考线,从参考线上读出此像点的横、纵坐标;(6) 在图片中的卷尺上用参考线标出70.00 cm,读出纵坐标差值,用于图片中坐标值的比例换算(图3)。

图3

将小球首次出现的点记为O点,依次标注A、B、C等,实验数据如表1所示。

表1

2.3.1 分析钢珠在水平方向上的运动特点

依据运动的合成与分解,可以把此段运动分解为竖直方向的运动与水平方向的运动,我们先分析钢珠在水平方向上的运动特点。引导学生先利用所学知识做出推理,钢珠被弹射出滑轨后,水平方向具有初速度,忽略空气阻力,因此在水平方向上钢珠做匀速直线运动。

以时间t为横坐标、水平位移x为纵坐标,利用Excel软件绘制散点图(图4),得到公式x=0.698 3t+0.002 5。截距数值较小,可忽略,斜率为水平方向的速度vx=0.698 3 m/s,可见钢珠在水平方向上做匀速直线运动。

图4

2.3.2 分析钢珠在竖直方向上的运动特点

引导学生分析在钢珠竖直方向上运动,其初速度为零,且只受重力作用,因此钢珠在竖直方向上应做自由落体运动。

表2

图5

2.3.3 分析合运动特点

图6

3 结语

基于STEAM教育理念开发床弩项目,引导学生进行科学探究,利用计算机软件辅助数据处理,将复杂的抛体运动进行分解,通过动手实践、小组探究、交流分享等活动帮助学生加深对运动合成与分解的理解,得到钢珠的水平运动、竖直运动、合运动的特点。

让学生亲历探究过程,学习效率较高,能以多样化的方式来评价学生的学习。基于此教学理念,指导学生设计、制作床弩,用床弩完成科学探究,培养学生的物理学科核心素养与跨学科综合能力,深刻体现了科学(S)、技术(T)、艺术(A)、数学(M)的融合(表3)。

表3

将STEAM教育理念与物理探究实验相融合,落实了物理学科核心素养的培养要求,促进了学生的全面发展。通过这样的项目学习,可帮助学生体验运用知识解决情境化问题的乐趣,激发学生学习的积极性,培养了学生的合作探究能力、逻辑思维能力和创新能力。