曹先辰 何林霞

(浙江省杭州市余杭第二高級中學(xué)，浙江 杭州 311100)

1 設(shè)計(jì)思路

PBL(problem-based learning)是以“問題引導(dǎo)，任務(wù)驅(qū)動”為抓手,學(xué)生主動思考、合作學(xué)習(xí)、完成學(xué)習(xí)任務(wù)的教學(xué)模式。PBL教學(xué)模式所蘊(yùn)含的趣味性和實(shí)踐性能夠有效地促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。[1]

“拋體運(yùn)動”作為人教版必修二的第一章,拓展了學(xué)生對機(jī)械運(yùn)動認(rèn)識的廣度,加深了學(xué)生對力與運(yùn)動關(guān)系理解的深度。而“曲線運(yùn)動”作為本章的第一節(jié),是整章教學(xué)的基礎(chǔ)。本節(jié)的主線就是通過觀察與實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生能夠判定物體做曲線運(yùn)動的方向，知道物體做曲線運(yùn)動的條件。在此基礎(chǔ)上通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探索,讓學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)速度、合外力的方向與曲線運(yùn)動彎曲情況之間的關(guān)系。

2 學(xué)習(xí)目標(biāo)

2.1 物理觀念

理解曲線運(yùn)動的定義；會判斷曲線運(yùn)動的方向；知道曲線運(yùn)動的運(yùn)動性質(zhì)；知道物體做曲線運(yùn)動的條件；深化對平均速度和瞬時(shí)速度概念的認(rèn)識。

2.2 科學(xué)思維

能夠利用對比方法審視直線運(yùn)動與曲線運(yùn)動；理解并能運(yùn)用極限法進(jìn)行概念建構(gòu)和知識應(yīng)用。

2.3 科學(xué)探究

體驗(yàn)探究曲線運(yùn)動速度方向的過程,通過理論分析驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性；通過分組實(shí)驗(yàn),感受自主實(shí)驗(yàn)、探究規(guī)律的過程，從而提升科學(xué)探究能力。

2.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

通過觀察,感受物理與生活的緊密聯(lián)系；通過實(shí)驗(yàn),體會合作的意義,知道試錯(cuò)的價(jià)值以及科學(xué)規(guī)律的來之不易。

3 教學(xué)過程

3.1 回顧舊知，引出新課

播放女子鉛球比賽的視頻(圖1),學(xué)生觀察后,教師創(chuàng)設(shè)情境、提出問題。

圖1

情境問題1：李梅素在1988年以21.76m創(chuàng)造了亞洲女子鉛球紀(jì)錄,這一紀(jì)錄一直保持至今,請問21.76m是鉛球離開手至落地時(shí)運(yùn)動的位移大小嗎？

自主任務(wù)1：學(xué)生在教師給出的圖2上,大致畫出鉛球拋出至落地的運(yùn)動軌跡,并在其上標(biāo)注鉛球的位移與運(yùn)動員的成績。

圖2

師：同學(xué)們已經(jīng)知道鉛球的運(yùn)動軌跡是曲線,并知道相應(yīng)的位移大小。為什么鉛球會做曲線運(yùn)動？你能用在直線運(yùn)動中學(xué)過的相關(guān)知識,準(zhǔn)確描述曲線運(yùn)動的位移、速度嗎？

設(shè)計(jì)意圖：PBL是一種教學(xué)模式,學(xué)生面對的是基于真實(shí)情景的問題,這些問題需要學(xué)生努力去尋找有意義的解決方案。教學(xué)中設(shè)計(jì)了學(xué)生熟悉的體育比賽作為課堂引入情景,充分利用學(xué)生已有的知識——位移，位移既是描述直線運(yùn)動的重要物理量,也是描繪曲線運(yùn)動不可或缺的,并基于此引出“主角”——曲線運(yùn)動的速度。

3.2 描述曲線運(yùn)動

自主任務(wù)2：小組交流,列舉生活中常見的曲線運(yùn)動。

教師利用課件展示圖片、視頻(圖3至圖6),學(xué)生觀察認(rèn)識生活中的曲線運(yùn)動。

圖3

圖4

圖5

圖6

學(xué)生總結(jié)：物體運(yùn)動軌跡是曲線的運(yùn)動稱為曲線運(yùn)動。

情境問題2：現(xiàn)有一曲線運(yùn)動如圖7所示,已知該曲線運(yùn)動的位移為l,經(jīng)歷的時(shí)間為t,請求出其平均速度。

圖7

設(shè)計(jì)意圖：以生動直觀的圖片、視頻等展示生活中的曲線運(yùn)動,曲線運(yùn)動的概念也躍然紙上。并由情景1中的位移概念引發(fā)關(guān)于坐標(biāo)上“平均速度”的思考,自然帶出重中之重“瞬時(shí)速度”。

情境問題2：圖8所示的運(yùn)動物體處于軌跡的C點(diǎn)時(shí),瞬時(shí)速度朝什么方向呢？

圖8

演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生觀察：在平板底座上放置8塊木板(圖9),并從入口斜坡高處釋放小球,觀察小球的軌跡以及離開的位置(圖10)。然后從右至左依次取走木板,分別觀察小球離開曲線板后的運(yùn)動情況。

圖9

圖10

學(xué)生交流：小球離開曲線板后做直線運(yùn)動,且該直線與離開曲線板的位置相切,小球在離開曲線板的瞬間,速度方向沿該點(diǎn)的切線方向,我們可以提前預(yù)判小球運(yùn)動會達(dá)到的位置。所以在問題2中,小球在C點(diǎn)的瞬時(shí)速度方向就是曲線C處的切線方向。

技術(shù)分享,提升思維：除了通過實(shí)驗(yàn)觀察得到結(jié)論，另一種方式就是理論推導(dǎo)。利用現(xiàn)代教育GeoGebra軟件,制作A到B的軌跡動圖(圖11),點(diǎn)擊播放按鈕就可以利用極限法探究曲線運(yùn)動的瞬時(shí)速度方向。

圖11

設(shè)計(jì)意圖：以生動直觀的演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生會猜測出曲線運(yùn)動瞬時(shí)速度的方向。實(shí)驗(yàn)觀察、理論推導(dǎo)是學(xué)生認(rèn)識物理規(guī)律的兩條常見途徑,緊接著過渡到GeoGebra軟件,利用極限法探究瞬時(shí)速度方向。

自主任務(wù)3：圖12中曲線AB是某物體的運(yùn)動軌跡,請標(biāo)出該過程平均速度的方向；B1、B2、B3、B4、B5是該物體在運(yùn)動過程中經(jīng)過的點(diǎn),依次畫出經(jīng)過這些位置時(shí)平均速度的方向；從A到各個(gè)位置的平均速度,哪一個(gè)更接近A點(diǎn)的瞬時(shí)速度？若有一點(diǎn)B6(由于太接近A，圖中未標(biāo)出)比B5點(diǎn)還接近A,請判斷這一極短時(shí)間內(nèi)的平均速度方向。

圖12

師生總結(jié)：質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的速度方向,沿曲線在這一點(diǎn)的切線方向。

設(shè)計(jì)意圖：自主任務(wù)3讓學(xué)生有機(jī)會通過作圖體會平均速度和瞬時(shí)速度中Δt→0的意義,也為曲線運(yùn)動的性質(zhì)教學(xué)做了鋪墊。

3.3 曲線運(yùn)動的運(yùn)動性質(zhì)

情景問題3：如果保持速度大小不變,繞著學(xué)校操場跑一圈,可以認(rèn)為這是勻速運(yùn)動嗎？那曲線運(yùn)動屬于怎樣的運(yùn)動呢？

生：運(yùn)動過程中速度方向不斷發(fā)生變化,不屬于勻速運(yùn)動，曲線運(yùn)動是變速運(yùn)動。

師生總結(jié)：由于做曲線運(yùn)動的物體其運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化,所以做曲線運(yùn)動的物體受到的合外力一定不為0。

設(shè)計(jì)意圖：知其然,知其所以然。自然引發(fā)學(xué)生思考：運(yùn)動物體的速度方向?yàn)槭裁磿l(fā)生改變？

3.4 探究物體做曲線運(yùn)動的條件

自主任務(wù)4：教師提供一只乒乓球,請學(xué)生讓該乒乓球做直線運(yùn)動。

思考與操作：自由釋放乒乓球,球在重力和空氣阻力的共同作用下在豎直方向上做直線運(yùn)動。

自主任務(wù)4：由靜止釋放乒乓球，在不允許接觸乒乓球的條件下,能否讓乒乓球做曲線運(yùn)動？

思考與操作：對著下落的乒乓球吹氣,通過操作發(fā)現(xiàn)難以成功。

實(shí)驗(yàn)支持：提供一臺大功率吹風(fēng)機(jī),橫向送風(fēng),釋放小球并讓其經(jīng)過橫風(fēng)區(qū)。學(xué)生觀察到小球的軌跡發(fā)生變化,發(fā)現(xiàn)乒乓球進(jìn)入橫風(fēng)區(qū)之后做曲線運(yùn)動。

提示：(1) 牛頓第一定律說明了力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因；(2) 曲線運(yùn)動的速度大小變化雖未知,但速度方向一定變化,需要力來改變速度的方向；(3) 物體做勻變速直線運(yùn)動，說明F與v同向,v變大,F與v反向,v變??；(4) 物體做曲線運(yùn)動的條件是什么？

自主任務(wù)5：分組實(shí)驗(yàn),尋找不同運(yùn)動中速度方向與受力方向之間的關(guān)系。教師提供附著水寫布的平板斜坡(圖13),讓沾過水的小球先從抬高的長邊A釋放。第一次靜止釋放,第二次給小球一個(gè)沿著長邊的速度釋放小球。觀察小球兩次運(yùn)動在水寫布上留下的軌跡,尋找兩次運(yùn)動中小球受到合力的方向,判斷運(yùn)動方向與受力方向之間的關(guān)系。

圖13

教師補(bǔ)充：忽略摩擦力,視為光滑斜坡。

由于課堂時(shí)間有限,分組實(shí)驗(yàn)會出現(xiàn)學(xué)生做不出的情況,教師可以提前錄好視頻,供學(xué)生參考。

師生交流：當(dāng)物體所受合外力的方向與它的速度方向不在同一直線上時(shí),物體做曲線運(yùn)動。

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用PBL模式希望達(dá)到的結(jié)果是讓學(xué)生體會到學(xué)習(xí)是一個(gè)循序漸進(jìn)的開放式的過程,解決一個(gè)問題往往會帶來新的問題,學(xué)習(xí)在動態(tài)進(jìn)行。設(shè)計(jì)本組實(shí)驗(yàn)是想給學(xué)生創(chuàng)設(shè)兩種運(yùn)動情景：初速度為0、合外力恒定時(shí)物體的運(yùn)動；初速度不為0且初速度方向與合外力方向垂直時(shí)物體的運(yùn)動。但是，由于學(xué)生操作的規(guī)范性,比如運(yùn)動平面前后有高低、初速度不沿長邊等,能顯示有規(guī)律的軌跡比較困難,所以有必要提前錄好視頻。針對學(xué)生動手操作中的一些實(shí)際問題也可以有意識地進(jìn)行收集,成為之后的學(xué)習(xí)任務(wù)。

3.5 力的方向、速度方向與軌跡的關(guān)系

情境問題4：在曲線組合板實(shí)驗(yàn)中,如果抽走實(shí)驗(yàn)中的某片曲線板,小球還能做曲線運(yùn)動嗎？最多可以抽走幾片？

對此問題部分學(xué)生頗感詫異，個(gè)別學(xué)生會給出正確答案。

操作與觀察：依次抽走圖9中8、6、3、1號板,小球均沿曲線運(yùn)動。

提問與思考：該現(xiàn)象說明了什么問題？

交流與評估：物體做曲線運(yùn)動所受合外力的方向總指向曲線的凹側(cè)。

設(shè)計(jì)意圖：從錄制的視頻中得出曲線運(yùn)動的條件,再回到最初的演示實(shí)驗(yàn),用已經(jīng)得出的結(jié)論預(yù)測撤去曲線板小球的運(yùn)動軌跡,并加以驗(yàn)證。

3.6 應(yīng)用與鞏固

情境問題5：呼應(yīng)自主任務(wù)1,播放扔鏈球失敗的視頻。順勢提問：如圖14所示，要使鏈球從保護(hù)網(wǎng)的開口A、B區(qū)域飛出獲得成績,運(yùn)動員應(yīng)當(dāng)在圓周的哪個(gè)范圍松手？

圖14

思考與交流：在CD區(qū)域松手可以獲得成績(圖15)。

圖15

自主任務(wù)6：呼應(yīng)自主任務(wù)4,在圖16中大致畫出乒乓球由靜止釋放經(jīng)過吹風(fēng)機(jī)橫風(fēng)區(qū)下落至地面的軌跡(該情境中假設(shè)空氣阻力保持不變,且小于重力，橫風(fēng)區(qū)風(fēng)力恒定)。

圖16

教師引導(dǎo)：對于區(qū)域1學(xué)生不存在問題,在區(qū)域2中乒乓球受到重力、阻力、風(fēng)力的作用,在區(qū)域3中風(fēng)力消失。教師在黑板上畫出合力方向、初速度方向與軌跡關(guān)系圖(圖17)。

圖17

設(shè)計(jì)意圖：用已經(jīng)得出的結(jié)論解釋自主任務(wù)4中曲線運(yùn)動實(shí)驗(yàn)成功和不成功的原因,且這個(gè)要求明顯高于前一個(gè)任務(wù),要求畫出各個(gè)位置的速度、受力方向。由此,整節(jié)課的知識重點(diǎn)在最后這個(gè)自主任務(wù)中得以應(yīng)用,考查了學(xué)生本節(jié)課的學(xué)習(xí)成果。

4 教學(xué)反思

在PBL中,教師和學(xué)生的關(guān)系就像硬幣的兩面,一方的活動以另一方為前提,兩者不可分開。師生交互建立在平等的基礎(chǔ)上,教師對于學(xué)生來說更多的是作為一種資源存在,同樣地,學(xué)生對于教師來說也是一種資源,在平等的對話、交流中實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長。[3]“曲線運(yùn)動”的教學(xué)以真實(shí)情景問題為引導(dǎo),以學(xué)生自主任務(wù)為驅(qū)動,尊重教師主導(dǎo)下的學(xué)生主體地位,學(xué)生合作探究、積極思考,課堂是豐滿且有趣的。最初PBL模式并不重視問題的嚴(yán)謹(jǐn)性,甚至主動設(shè)計(jì)劣構(gòu)性問題，讓學(xué)生不僅擁有解決問題的能力,還具有批判性的思維能力。但45分鐘的課堂時(shí)間有限,改為良構(gòu)性問題不僅有利于課堂進(jìn)度的把握,也有利于學(xué)生應(yīng)試能力的提升。

本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容豐富,且未降低思維的難度,對于層次較低的學(xué)生群體而言,課堂進(jìn)度推進(jìn)可能存在難以預(yù)計(jì)的狀況,教師也要有所取舍。一些設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)可以根據(jù)學(xué)情刪減，一些任務(wù)也可以在課后完成。

無論具體實(shí)施哪些步驟,要以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向,以新課程基本理念為指導(dǎo),精細(xì)化設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)和過程,始終把學(xué)生主動學(xué)習(xí)放在首位,通過學(xué)生合作,主動探究,促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。