任金宏

（天津市海河中學(xué) 天津 300201）

世界范圍內(nèi)綜合國(guó)力的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)鍵在于科學(xué)技術(shù)，培養(yǎng)人才是基礎(chǔ)，科技進(jìn)步和創(chuàng)新是增強(qiáng)綜合國(guó)力的決定性因素。“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”，這句話充分闡釋了科學(xué)技術(shù)對(duì)一個(gè)國(guó)家、一個(gè)民族的重要性?？萍紕?chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，而普及科學(xué)知識(shí)、弘揚(yáng)科學(xué)精神、傳播科學(xué)思想、倡導(dǎo)科學(xué)方法要突出青少年這個(gè)重點(diǎn)，讓科技教育貫穿青少年成長(zhǎng)成才各階段?！吧倌曛莿t國(guó)智，少年富則國(guó)富，少年強(qiáng)則國(guó)強(qiáng)，少年獨(dú)立則國(guó)獨(dú)立，少年自由則國(guó)自由少年進(jìn)步則國(guó)進(jìn)步，少年勝于歐洲則國(guó)勝于歐洲，少年雄于地球則國(guó)雄于地球?！保?］

科技教育旨在提高青少年的科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)青少年獨(dú)立思考、創(chuàng)新思維的能力，引導(dǎo)他們關(guān)注周圍環(huán)境并增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

1 科技教育的重要性

1.1 實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的需要

黨的二十大報(bào)告提出，“教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。”同時(shí)提到，“堅(jiān)持以人民為中心發(fā)展教育，加快建設(shè)高質(zhì)量教育體系，發(fā)展素質(zhì)教育，促進(jìn)教育公平?！?022年4月發(fā)布的《義務(wù)教育科學(xué)課程（2022年版）》提出了“科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、責(zé)任態(tài)度”四大素養(yǎng)新目標(biāo)，其中“探究實(shí)踐”意指“科學(xué)探究”和“技術(shù)與工程實(shí)踐”。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，在我國(guó)推進(jìn)教育現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程中，特別是在當(dāng)前國(guó)際格局重塑背景之下，素質(zhì)教育，尤其是科學(xué)教育的重要性愈加凸顯，需要社會(huì)多元力量的進(jìn)一步推動(dòng)。

因此，加強(qiáng)青少年科技教育和堅(jiān)持育人為本是深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、充分發(fā)揮科技第一生產(chǎn)力和人才第一資源作用、提高教育現(xiàn)代化水平的戰(zhàn)略需求，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)從人口資源大國(guó)向人力資源強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的需要。

1.2 創(chuàng)建創(chuàng)新型城市的需要

加強(qiáng)青少年科技教育是一個(gè)城市發(fā)展的需要。一個(gè)城市要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的快速轉(zhuǎn)變和完成跨越式高水平發(fā)展，關(guān)鍵在人才，基礎(chǔ)在教育。只有牢牢把握教育優(yōu)先發(fā)展的根本大計(jì)，堅(jiān)持育人為本，才能有力提升城市的自主創(chuàng)新能力，才能推動(dòng)城市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，才能實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型城市建設(shè)。

青少年科技教育的實(shí)施是為了持續(xù)推進(jìn)素質(zhì)教育，堅(jiān)持以人為本，踐行科學(xué)發(fā)展觀，以提高學(xué)生的綜合實(shí)踐素質(zhì)和科技素養(yǎng)為目標(biāo)和核心理念，其宗旨與城市發(fā)展戰(zhàn)略有異曲同工之妙。

1.3 教育改革與內(nèi)涵發(fā)展的需要

基礎(chǔ)教育發(fā)展的出路在改革、在創(chuàng)新，發(fā)展的關(guān)鍵在于質(zhì)量的提升?？萍冀逃菍?shí)現(xiàn)教育內(nèi)涵發(fā)展的有效途徑之一。實(shí)施中小學(xué)科技教育，堅(jiān)持以人為本提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，豐富學(xué)校的教學(xué)形態(tài)，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，給學(xué)校和教師營(yíng)造自主發(fā)展的空間，給學(xué)校共識(shí)的信念和核心價(jià)值提供有形的載體，滿足學(xué)生多樣化的發(fā)展需要。

1.4 創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要

創(chuàng)新是民族進(jìn)步的靈魂，是國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力，尤其在21世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代。聯(lián)合國(guó)教科文組織已將人的開拓、創(chuàng)新能力視為面對(duì)未來的三張通行證之一。加強(qiáng)對(duì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)成為大多數(shù)國(guó)家教育的使命。以強(qiáng)調(diào)探究為主要特征的科技教育對(duì)創(chuàng)新人才的成長(zhǎng)起著巨大的不可替代的作用。

科技教育是提高青少年素質(zhì)的重要途徑，是現(xiàn)代教育的核心，這不僅能使青少年獲得未來生活所需要的知識(shí)與技能，更重要的是獲得科學(xué)思想、科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度及科學(xué)方法的熏陶和培養(yǎng)?？萍冀逃茏審V大青少年樹立這樣一個(gè)牢固的信念：科學(xué)總是在尋求、發(fā)現(xiàn)和了解世界的真相，總是在研究和掌握新規(guī)律，它是創(chuàng)造性的，它又是在不懈地追求真理，需要我們不斷地努力奮斗。

2 結(jié)合平拋運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)定實(shí)驗(yàn)探索科技教育途徑

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

平拋運(yùn)動(dòng)演示器、小球、光電門、振動(dòng)傳感器、計(jì)算機(jī)（圖1）。

圖1 運(yùn)用傳感器描述平拋運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)驗(yàn)器材Fig.1 Experimental equipment of using sensors to describe flat throwing motion trajectory

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

①通過傳感器得到平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，知道平拋運(yùn)動(dòng)的條件及相應(yīng)控制方法；確定多個(gè)點(diǎn)，會(huì)擬合平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。

②根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡、初速度及軌跡方程判斷計(jì)算機(jī)擬合的圖像是否為拋物線。

③通過計(jì)算機(jī)探究平拋運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，了解科學(xué)探究中獲取及處理數(shù)據(jù)的方法。

2.3 實(shí)驗(yàn)原理中改變傳感器測(cè)量不同物理量

教材中應(yīng)用超聲波和紅外傳感器做此實(shí)驗(yàn)（圖2），學(xué)生不能很好地理解測(cè)得軌跡的方法。新的實(shí)驗(yàn)方法克服了這些不足，用光電門、振動(dòng)傳感器來獲取數(shù)據(jù)，學(xué)生好理解，并能夠親身感受計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的方法［2］。

2.4 實(shí)驗(yàn)原理

①利用傳感器軌跡法得到小球運(yùn)動(dòng)的軌跡。讓小球從水平軌道拋出，用光電門測(cè)量出小球通過光電門的時(shí)間t1和通過振動(dòng)傳感器測(cè)出從拋出到落地的飛行時(shí)間t2。由小球直徑（擋光寬度）和t1可以得到速度v0，由于光電門設(shè)置在水平軌跡的出口處，所以v0就是拋出的水平初速度。拋出點(diǎn)的高度h和著地點(diǎn)的水平位移x由人工測(cè)量得出。

通過比較x與、飛行時(shí)間與的大小，可以得到平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。通過觀察、比較落地點(diǎn)，可以得到平拋運(yùn)動(dòng)物體的軌跡。

③如果軌跡上各點(diǎn)的y坐標(biāo)與x坐標(biāo)間的關(guān)系具有的形式（a是一個(gè)常數(shù)），則軌跡是一條拋物線。

2.5 實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行擬合數(shù)據(jù)圖像

2.5.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

計(jì)算機(jī)通過光電門傳感器測(cè)得水平初速度，通過振動(dòng)傳感器測(cè)得落地時(shí)間。輸入拋出點(diǎn)的高度和落地點(diǎn)的水平距離，計(jì)算機(jī)自動(dòng)得到軌跡點(diǎn)。改變拋出點(diǎn)的高度可得到平拋軌跡，再進(jìn)行擬合，分析初速度和軌跡方程。

2.5.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

①按照裝置圖裝好器材。點(diǎn)按光電門傳感器上的置零按鈕，選用飛行時(shí)間模式（使U、I－U－I 兩個(gè)指示燈同時(shí)亮）。調(diào)整飛行時(shí)間板與水平刻度線持平。在水平位移記錄紙標(biāo)出水平零點(diǎn)。

②光電門清零，點(diǎn)擊“開始”按鈕，從軌道釋放小球。小球落地時(shí)點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕，結(jié)束本次采集。

③由飛行時(shí)間板上表面所對(duì)應(yīng)的刻度得出拋出點(diǎn)高度。在水平位移記錄紙上讀出x值（對(duì)著地點(diǎn)作一標(biāo)記，以避免與下次混淆）。

④把人工測(cè)量的高度、水平位移移入相應(yīng)的框內(nèi)，再點(diǎn)擊一下頁(yè)面上方的“重新計(jì)算”按鈕。

⑤改變飛行時(shí)間板的高度，重復(fù)步驟②~④，采集第二組數(shù)據(jù)。

⑥改變飛行時(shí)間板的高度，共采集5~7組數(shù)據(jù)。

⑦在下面數(shù)據(jù)處理表中，將初速度和橫坐標(biāo)x值代入平拋運(yùn)動(dòng)軌跡方程，求得縱坐標(biāo)y值，再和計(jì)算機(jī)通過運(yùn)算擬合圖像中測(cè)得的y值做比較來分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如方程和圖像中y值相同，則圖像是拋物線（圖3）。

圖3 計(jì)算機(jī)擬合出的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡圖像Fig.3 Image of flat throwing motion trajectory fitted by computer

在運(yùn)動(dòng)軌跡頁(yè)面內(nèi)，觀察平拋落地點(diǎn)位置，得到平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析頁(yè)中，還可以對(duì)軌跡進(jìn)行拋物線（二次多項(xiàng)式）的擬合，然后分析軌跡方程。

2.6 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理方法為填表統(tǒng)計(jì)（表1）。

表1 平拋運(yùn)動(dòng)軌跡填入表格數(shù)據(jù)Tab.1 Table data of flat throwing motion trajectory

通過對(duì)比平拋運(yùn)動(dòng)軌跡方程和計(jì)算機(jī)從理論上推得的擬合圖像，說明拋物線是平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。

3 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和效果評(píng)價(jià)

3.1 注意事項(xiàng)

斜槽安裝，實(shí)驗(yàn)中必須保證通過斜槽末端點(diǎn)水平。應(yīng)在斜槽上適當(dāng)位置釋放小球，使它以適當(dāng)?shù)某跛俣人綊伋?，其軌跡要落在下面刻度板上。小球必須每次從斜槽上同一位置由靜止開始滾下，為此，小球須吸在電磁鐵同一位置。

3.2 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

通過分析軌跡方程和圖像，得到計(jì)算機(jī)擬合成的軌跡是一條拋物線。實(shí)驗(yàn)軌跡方程得到的拋物線可能不過原點(diǎn)，原因可能是：拋出點(diǎn)和落地點(diǎn)讀數(shù)造成的誤差和小球所放在位置存在誤差。每次小球下落的初速度都略有不同，可能是小球不在同一位置釋放造成的誤差。

3.3 方法優(yōu)勢(shì)

運(yùn)用光電門和振動(dòng)傳感器直接在計(jì)算機(jī)上測(cè)得小球在不同高度的軌跡點(diǎn)，并在計(jì)算機(jī)上直接表示出來。對(duì)軌跡點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到平拋運(yùn)動(dòng)軌跡。

①傳感器直接或間接測(cè)出平拋運(yùn)動(dòng)的物理量。平拋運(yùn)動(dòng)可以分解為水平方向和豎直方向的運(yùn)動(dòng)，而水平運(yùn)動(dòng)的初速度和豎直方向上的落地時(shí)間是平拋運(yùn)動(dòng)中很重要的2個(gè)物理量。在水平運(yùn)動(dòng)中，水平運(yùn)動(dòng)的初速度是可以通過光電門測(cè)得時(shí)間求得。在豎直運(yùn)動(dòng)中，落地的時(shí)間可以通過振動(dòng)傳感器直接得到。這樣便于學(xué)生更好地理解平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

②效率高。原理簡(jiǎn)單，計(jì)算機(jī)處理方法簡(jiǎn)單，僅需30 s就可以完成計(jì)算機(jī)處理。

③擴(kuò)展空間大。如果將發(fā)射端的軌道旋轉(zhuǎn)，使初速度改變方向，則可完成斜拋的測(cè)量。

④誤差小。用傳感器測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小，軌跡相對(duì)準(zhǔn)確，適用于探究式或驗(yàn)證式教學(xué)。

⑤符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律。通過此實(shí)驗(yàn)，可知物體做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡是拋物線，再借助平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)得輕松、愉快，課程也可以取得高效而滿意的結(jié)果［3］。

4 科技教育活動(dòng)的重要意義

好奇和探求是讓學(xué)生的大腦“思考起來”的原動(dòng)力，是使學(xué)生活躍的大腦皮層得到永久保持的有效手段。讓學(xué)生參加科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)能為學(xué)生提供擴(kuò)展其好奇心和建立基礎(chǔ)科學(xué)理論的機(jī)會(huì)，還有助于學(xué)生日后的學(xué)習(xí)，使其創(chuàng)新思維升華為創(chuàng)新能力，物化為創(chuàng)造能力，成為名副其實(shí)的拔尖人才。

總之，教育是科技發(fā)展的基礎(chǔ)，少年兒童的素質(zhì)教育關(guān)系到一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力。“少年強(qiáng)則國(guó)強(qiáng)，少年富則國(guó)富”。開展好科技教育活動(dòng)，學(xué)生的創(chuàng)造性、主動(dòng)性得到充分發(fā)揮，這是提高我國(guó)青少年科學(xué)素質(zhì)的重要途徑，也是國(guó)家提高科技競(jìng)爭(zhēng)力的重要舉措。因此，在中小學(xué)應(yīng)大力開展科學(xué)技術(shù)教育，此舉利在國(guó)家，利在社會(huì)，功在千秋，勢(shì)在必行。