趙欣

摘?要：本研究嘗試基于美國的“科學(xué)實踐評估任務(wù)”模板，依據(jù)我國2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求，對高中物理課題“籃球的拋體運動研究”做出教學(xué)設(shè)計.教學(xué)設(shè)計突出STEAM理念和跨學(xué)科融合，旨在通過創(chuàng)設(shè)情景，提出問題;參與討論，開發(fā)和使用模型;設(shè)計問題解決方案;實施調(diào)查，運用數(shù)學(xué)和計算機(jī)思維分析和解釋數(shù)據(jù);參與討論，獲取、評估和交流信息五個主要教學(xué)環(huán)節(jié)促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實.

關(guān)鍵詞：科學(xué)實踐評估;核心素養(yǎng);籃球拋體運動;教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-4134（2020）11-0028中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1?問題的提出

為適應(yīng)未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求及提高國際教育競爭力，美國國家科學(xué)基金會資助的“研究+實踐合作實驗室”開發(fā)了“科學(xué)實踐評估任務(wù)（Integrating Science Practiceinto Assessment Tasks，簡稱ISPAT）”模板，以評估學(xué)生是否掌握了2014年美國頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（簡稱NGSS）.此評估任務(wù)模板涉及科學(xué)與工程實踐、跨領(lǐng)域概念和學(xué)科核心概念3個維度的內(nèi)容，并為教育工作者和教師提供實施STEM教育的建議.實驗室研究并公布的ISPAT模板給出了科學(xué)與工程實踐教學(xué)中10種可能的任務(wù)安排，分別為：（1）提出問題（科學(xué)）;（2）明確問題（工程）;（3）開發(fā)和使用模型;（4）設(shè)計方案，實施調(diào)查;（5）分析和解釋數(shù)據(jù); （6）運用數(shù)學(xué)和計算機(jī)思維;（7）構(gòu)建解釋 （科學(xué)）;（8）設(shè)計問題解決方案 （工程）;（9）參與基于證據(jù)的討論;（10）獲取、評估和交流信息.提倡科學(xué)教育應(yīng)該在問題情景中學(xué)習(xí)學(xué)科核心概念，重視學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，在實踐中促進(jìn)知識的掌握和解決問題能力的提升.

教育部2018年1月頒布了2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱新課標(biāo)）.新課標(biāo)中凝練了“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四大物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，同樣特別指出“重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實.”由此可見，美國的“科學(xué)實踐評估任務(wù)”模板對我國的科學(xué)課程的具體實施有一定的借鑒價值.

由此，我們對2019年6月人民教育出版社出版的《普通高中教科書——物理》教材中必修第二冊第五章“拋體運動”之第四節(jié)“拋體運動的規(guī)律”的內(nèi)容做了較為深入的挖掘，嘗試以“斜拋運動的規(guī)律”為物理核心知識，以解決籃球運動中投籃命中率為切入點，在解決實際情景問題的過程中，應(yīng)用上述ISPAT模板落實科學(xué)與工程實踐教學(xué)中的任務(wù)安排.

2?教學(xué)背景分析

2.1?課標(biāo)要求與教學(xué)內(nèi)容分析

新課標(biāo)對本章的要求：

（1）通過實驗，了解曲線運動，知道物體做曲線運動的條件.例1 觀察生活中的曲線運動，如投籃時籃球的運動軌跡.

（2）通過實驗，探究并認(rèn)識平拋運動的規(guī)律.會用運動合成與分解的方法分析平拋運動.體會將復(fù)雜運動分解為簡單運動的物理思想.能分析生產(chǎn)生活中的拋體運動.

從學(xué)習(xí)內(nèi)容上分析，本節(jié)內(nèi)容安排在學(xué)生學(xué)習(xí)平拋運動的規(guī)律之后，以解決生活中的實際問題——提高學(xué)生投籃命中率為出發(fā)點，通過研究斜拋運動，拓展對運動多樣性的認(rèn)識，進(jìn)一步提高力與運動關(guān)系的認(rèn)識.通過將較為復(fù)雜的曲線運動（斜拋運動）分解為水平方向上的勻速直線運動和豎直方向上的上拋運動，讓學(xué)生再次體會物理學(xué)中化繁為簡的研究方法，同時在研究過程中忽略空氣阻力，突出重力的作用，幫助學(xué)生逐漸學(xué)會建立理想化模型.

本節(jié)從提升學(xué)生核心素養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生學(xué)習(xí)能力的角度，啟發(fā)學(xué)生依據(jù)平拋探究斜拋運動規(guī)律，有益于遷移創(chuàng)新能力的培養(yǎng).學(xué)生在分析實際問題的過程中，面對較為復(fù)雜的影響因素，通過小組討論、研究成果的展示和交流，學(xué)習(xí)解決實際問題的流程.同時思考物理模型與客觀現(xiàn)實的差異，理解科學(xué)不斷探索、追求真理的本質(zhì).

2.2?學(xué)情分析

高一年級的學(xué)生，通過前期曲線運動的學(xué)習(xí)，初步掌握了將復(fù)雜運動分解為簡單運動的研究方法，但應(yīng)用還不夠熟練.對于生活中常見的斜拋運動，將感性認(rèn)識上升為物理規(guī)律的能力不足.雖然對于身邊的實際物理問題表現(xiàn)出興趣，但面對復(fù)雜的影響因素，無從下手，將物理理想模型和實際情景問題建立聯(lián)系的能力有待加強(qiáng).雖然在實驗室學(xué)習(xí)了研究運動問題的基本操作，但收集和處理數(shù)據(jù)的能力較差.對于運動傳感器的相關(guān)知識儲備少.

2.3?重難點分析

教學(xué)重點：斜拋運動模型在實際情景中的應(yīng)用.

教學(xué)難點：解決實際問題的流程和分析方法.

2.4?學(xué)習(xí)目標(biāo)分析

（1）熟悉多因素影響下，通過分類，層層遞進(jìn)、逐漸深入的研究方法.

（2）了解斜拋運動的特點，建立和使用斜拋模型，應(yīng)用復(fù)雜運動分解為簡單運動的方法，分析生活中的拋體運動.

（3）學(xué)習(xí)解決實際問題的流程，設(shè)計和實施調(diào)查研究，了解變量的選擇和控制方法.

（4）運用數(shù)學(xué)和計算機(jī)分析和解釋數(shù)據(jù).

（5）了解傳感器技術(shù)在實際生活中的應(yīng)用.

3?教學(xué)過程

3.1?創(chuàng)設(shè)情景，提出問題

教師活動：播放小視頻明確實際問題——幫助梁同學(xué)解決一個有關(guān)籃球運動的問題.

學(xué)生活動：觀看視頻，激發(fā)興趣，引起思考.

教師活動：問題的聚焦——討論并介紹不同的投籃方式，確定研究方向為不改變運動軌跡的空心投籃方式.

學(xué)生活動：參與討論并明確研究方向.

教師活動：問題再度聚焦——運用影響因素分類的研究方法，通過層層深入、逐漸遞進(jìn)的方式，確定主要影響因素的評價標(biāo)準(zhǔn)（如圖1）.

學(xué)生活動：學(xué)習(xí)因素分類的研究方法，通過討論將籃球的科學(xué)訓(xùn)練方法轉(zhuǎn)化為可衡量和可操控的物理量.

設(shè)計意圖：以學(xué)生常見的實際問題引入，突出任務(wù)為中心的學(xué)習(xí)，利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.另外，面對眾多復(fù)雜的影響因素，學(xué)生常常會迷惑研究方向，教師引入社會學(xué)領(lǐng)域分類研究的方法，實現(xiàn)問題的聚焦，明確研究的方向.

3.2?明確主要影響因素，開發(fā)和使用模型

教師活動：引導(dǎo)提高梁同學(xué)空心投籃命中率的主要因素的討論，組織合作學(xué)習(xí)小組討論確定評價標(biāo)準(zhǔn)：（1）個人可控因素;（2）可衡量（測量）;（3）短期內(nèi)可操控.

學(xué)生活動：以小組合作學(xué)習(xí)的形式參與討論，明確主要因素的評價標(biāo)準(zhǔn).同時通過組內(nèi)討論和組間的發(fā)言，確定——出手初速度v0的大小，運動員與籃筐的水平距離L，投出點的高度h，出手角度θ四個物理量為主要影響因素.

教師活動：引導(dǎo)建立和運用斜拋模型.

學(xué)生活動：遷移已學(xué)習(xí)的平拋運動模型建立斜拋運動模型，分析其軌跡、速度、位移的特點，得出相關(guān)方程（如圖2），為下面的研究提供物理動力學(xué)原理的依據(jù).

設(shè)計意圖：通過問題的聚焦和討論，幫助學(xué)生體驗科學(xué)探究過程中的研究方法——突出主要因素，忽略次要因素.同時，將實際情景和物理理想模型建立聯(lián)系，物理知識的獲取過程從被動接受變?yōu)橹鲃有枰?

3.3?討論并設(shè)計問題解決方案

教師活動：使用乒乓球發(fā)球機(jī)（如圖3）進(jìn)行實驗演示，模擬籃球的斜拋運動（發(fā)球機(jī)的內(nèi)部出球口為一斜面，如圖4），通過控制按鈕可以調(diào)節(jié)出球速度.同時在出球口安裝了測量出球速度的光電門裝置，并與傳感器數(shù)據(jù)采集器連接，可顯示乒乓球經(jīng)過光電門的時間，估算出球速度，對出球速度進(jìn)行量化控制.

在其他因素不變的前提條件下，只改變以下因素：（1）改變出球角度;（2）改變速度（用光電門傳感器監(jiān)控）;（3）改變出球高度，研究對落點的影響.

學(xué)生活動：觀察實驗現(xiàn)象，關(guān)注實驗中變量的控制和自變量變化對因變量的影響.

教師活動：組織提高空心投籃命中率問題解決方案的小組討論，討論問題主要包括：（1）自變量、因變量的選擇？（2）如何控制變量？（3）測量哪些數(shù)據(jù)？（4）訓(xùn)練建議？

學(xué)生活動：討論本組需要研究的提高同學(xué)空心投籃命中率問題的解決方案.

設(shè)計意圖：由于學(xué)生缺乏解決此類問題的實際經(jīng)驗，考慮到教室的場地條件和安全性，教師設(shè)計利用乒乓球發(fā)球機(jī)模擬籃球的拋體運動，讓學(xué)生體驗實驗中控制變量的研究方法，觀察某一自變量改變對運動軌跡的影響，有助于學(xué)生問題解決方案的設(shè)計.

3.4?實施調(diào)查，運用數(shù)學(xué)和計算機(jī)思維分析和解釋數(shù)據(jù)，提出初步的問題解決方案

教師活動：組織研究小組展示研究成果.

學(xué)生活動：研究小組展示研究成果（學(xué)生匯報發(fā)言）.

研究目標(biāo)：解決籃球場罰球線投籃命中率問題.

研究因素：出射角度θ（自變量）和初速度v0（因變量）大小對定點空心投籃命中率的影響.

斜拋模型函數(shù)關(guān)系式如下：

v20=gL22Lsinθcosθ-2cosθcosθ（H-h）

測量數(shù)據(jù)（如圖5）：

L——投球點到籃筐中心投影點的距離.

H——籃筐高度.

h——籃球射出點的高度.

控制變量和數(shù)據(jù)的測量結(jié)果見表1.

數(shù)據(jù)處理（見表2）：H=3.05m，h=2.26m，L=4.2m（罰球線）.不同角度下，對投球速度大小的要求.以及H=3.05m，h=2.26m，L=6.75m（三分線）.不同角度下，對投球速度大小的要求（利用出射角度θ和初速度v0的斜拋函數(shù)關(guān)系式編程，以5°為間隔，輸入自15°至85°的出射角度值，Excel函數(shù)自動計算投籃命中需要對應(yīng)的初速度值）.

訓(xùn)練建議：（1）強(qiáng)化習(xí)慣出手角度的對應(yīng)速度練習(xí)（借助專業(yè)運動傳感器，播放相關(guān)視頻）;（2）在H=3.05m，h=2.26m下，建議在50°左右將球拋出，所需要的初速度較小，較為保存體力.

設(shè)計意圖：經(jīng)過各學(xué)習(xí)小組初步的討論后，由教師課下指導(dǎo)的研究小組示范其已經(jīng)完成的研究成果，對其他小組的研究起到示范和引領(lǐng)作用，將課堂研究延續(xù)至課后.

3.5?參與基于證據(jù)的討論，獲取、評估和交流信息

教師活動：組織其他研究學(xué)習(xí)小組參與探討理想模型在實際應(yīng)用中的問題.建議將新的物理原理（如流體動力學(xué)）和新的研究變量（如入筐角度）等引入，不斷深化研究，最終起到指導(dǎo)科學(xué)訓(xùn)練，提高投籃命中率的目的.

學(xué)生活動：其他學(xué)生聽取和學(xué)習(xí)研究成果，并對研究的問題進(jìn)行交流與討論.以上研究在實際應(yīng)用中的問題包括：（1）空氣阻力的影響;（2）籃球的旋轉(zhuǎn)問題;（3）籃球入筐的射入角問題;（4）投出后的攔截問題.

教師活動：播放運動系統(tǒng)、捕捉系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)在運動仿真領(lǐng)域應(yīng)用的視頻資料.展示文獻(xiàn)資料的查閱情況：如在“中國知網(wǎng)”上有關(guān)“人體運動傳感器”的研究僅有8篇.

學(xué)生活動：觀看視頻，了解運動傳感器領(lǐng)域有關(guān)應(yīng)用和人體運動傳感器的研究現(xiàn)狀.

設(shè)計意圖：在研究小組完成匯報后，引導(dǎo)其他學(xué)習(xí)小組對其成果提問與質(zhì)疑，交流與討論，提升學(xué)生的合作學(xué)習(xí)與交流展示能力.通過探討理想研究和實際問題的差異，體會科學(xué)探究不斷深入與修正，逐漸接近科學(xué)真理的過程.了解物理動力學(xué)原理和計算機(jī)技術(shù)在體育運動領(lǐng)域的應(yīng)用，體驗正確運用科學(xué)技術(shù)造福人類的過程，同時知道我國在運動仿真和傳感器領(lǐng)域的不足之處，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動力與責(zé)任感.

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（收稿日期：2020-02-20）