基于學(xué)科核心素養(yǎng)的《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》教學(xué)設(shè)計(jì)

何元 羅芳秀

摘? ? 要：物理學(xué)科核心素養(yǎng)[1]是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成內(nèi)容。文章基于高中物理核心素養(yǎng)，對(duì)《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》一節(jié)進(jìn)行了教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定和教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，力圖通過學(xué)生自主探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、操作實(shí)驗(yàn)過程、采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提升學(xué)生科學(xué)探究的能力，從而促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);科學(xué)探究;實(shí)驗(yàn)探究;控制變量法

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）12-0069-5

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面，這四個(gè)方面是相互聯(lián)系、共同發(fā)展的。學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是該學(xué)科在落實(shí)立德樹人根本任務(wù)中所作出的獨(dú)特貢獻(xiàn)，是個(gè)體在信息化、全球化、學(xué)習(xí)型社會(huì)，面對(duì)復(fù)雜的不確定情境時(shí)，綜合運(yùn)用本學(xué)科所學(xué)的知識(shí)、觀念、方法解決實(shí)際問題所表現(xiàn)出來的價(jià)值觀念、必備品格與關(guān)鍵能力。課堂是培養(yǎng)學(xué)生素養(yǎng)的主渠道，因此教師應(yīng)該基于物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)來完成教學(xué)設(shè)計(jì)，開展課堂教學(xué)，從而完善學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)探究能力[2]。下面以《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》一節(jié)為例，談?wù)勔晕锢砗诵乃仞B(yǎng)為導(dǎo)向的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。

1? ? 教材分析

牛頓運(yùn)動(dòng)定律是整個(gè)力學(xué)部分的基礎(chǔ)。本節(jié)是“教科版”《物理》（必修1）第三章《牛頓運(yùn)動(dòng)定律》的第2節(jié)，本節(jié)編排在《牛頓第一定律》（定性認(rèn)識(shí)“運(yùn)動(dòng)與力”的關(guān)系）之后，《牛頓第二定律》之前，不僅具有承上啟下的作用，也體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)知識(shí)從易到難、從定性到定量的認(rèn)知規(guī)律。本節(jié)是一節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課，通過探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，得到這三個(gè)物理量之間的定量關(guān)系，為第三節(jié)提出牛頓第二定律F=Ma作鋪墊。本節(jié)中需要學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用控制變量法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和用圖像法處理數(shù)據(jù)，因此本節(jié)無論從知識(shí)層面還是從培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力層面都很重要。

2? ? 學(xué)情分析

學(xué)生在初中階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了牛頓第一定律，生活中對(duì)于加速度與力和質(zhì)量的定性關(guān)系也具有一定的體驗(yàn)，因此，本課的引入很容易。而且學(xué)生在第一章《運(yùn)動(dòng)的描述》中做過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測量平均速度和測定勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用有一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，?huì)根據(jù)紙帶記錄的物體運(yùn)動(dòng)分析數(shù)據(jù)并求加速度。在初中學(xué)生就會(huì)使用天平測質(zhì)量，因此本次實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)的基本處理都有充分的準(zhǔn)備。但這節(jié)課學(xué)生可能遇到的困難有：本節(jié)重難點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、控制變量法的應(yīng)用、圖像法處理數(shù)據(jù)，特別是作完a-M圖像后，為什么再作a-1/M圖像。因此本節(jié)設(shè)計(jì)中，重在老師的問題式引導(dǎo)，通過學(xué)生的思考和討論一步一步設(shè)計(jì)出嚴(yán)謹(jǐn)、可行的實(shí)驗(yàn)方案，并通過小組合作交流的方式充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力。

3? ? 基于物理核心素養(yǎng)設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)

1.物理觀念

通過實(shí)驗(yàn)探究加深對(duì)影響物體加速度因素的認(rèn)識(shí)，從而使學(xué)生正確理解加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系。

2.科學(xué)思維

（1）通過探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用控制變量法的邏輯思維能力;

（2）通過實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，發(fā)展學(xué)生模型構(gòu)建的思維能力;

（3）通過探討實(shí)驗(yàn)過程中可能遇到的問題，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究的思維能力。

3.科學(xué)探究

（1）引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，提出猜想和假設(shè);

（2）指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)，獲取數(shù)據(jù)，分析處理數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

（1）通過對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)估、反思，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)探究態(tài)度;

（2）通過動(dòng)腦設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)實(shí)踐能力，使學(xué)生獲得成就感和自豪感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;

（3）通過實(shí)驗(yàn)過程中的小組合作與交流，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和合作精神。

4? ? 教學(xué)重難點(diǎn)

控制變量法的使用，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

5? ? 實(shí)驗(yàn)器材

小車、一端帶滑輪的軌道、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、學(xué)生電源、砝碼、鉤碼、細(xì)線、刻度尺、天平、坐標(biāo)紙等。

6? ? 教學(xué)過程

1.引入（4 min）

演示實(shí)驗(yàn)：

①已經(jīng)平衡了摩擦力的傾斜軌道上靜置兩輛質(zhì)量相同的小車，讓一位男生和一位女生同時(shí)吹動(dòng)小車，比較小車的啟動(dòng)快慢;

②挑戰(zhàn)升級(jí)，在其中一輛小車上放置一砝碼，增加其質(zhì)量，讓前一個(gè)獲勝的同學(xué)同時(shí)吹動(dòng)兩輛不同質(zhì)量的小車，比較小車的啟動(dòng)快慢。

師：為什么演示①中兩輛小車啟動(dòng)快慢不同？

生：因?yàn)樾≤囀芰Σ煌?/p>

師：哪一輛小車受力大？

生：啟動(dòng)快的受力大。

師：為什么演示②中兩輛小車啟動(dòng)快慢不同？

生：因?yàn)樾≤囀芰ο嗤?，但質(zhì)量不同。

師：哪一輛小車質(zhì)量大？

生：啟動(dòng)慢的質(zhì)量大。

師：從剛才的演示實(shí)驗(yàn)可以看到，小車的啟動(dòng)快慢（加速度）與受力和小車質(zhì)量有關(guān)。生活中也有大量的事例，比如，大人和小孩踢足球大人踢得更遠(yuǎn)，同一個(gè)大人踢足球和實(shí)心球的距離也不同。大量的生活現(xiàn)象都表明：質(zhì)量一定，力越大加速度越大;外力一定時(shí)，質(zhì)量越大的物體加速度越小。

師：展示衛(wèi)星發(fā)射的視頻。在生產(chǎn)生活中，只知道加速度與力和質(zhì)量的定性關(guān)系是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有知道它們?nèi)叩亩筷P(guān)系才更具有實(shí)際意義。比如，火箭運(yùn)送衛(wèi)星需要精確計(jì)算其運(yùn)行參數(shù)，需要給火箭多大的推力才能產(chǎn)生特定的加速度，最終使其順利到達(dá)預(yù)定軌道。

板書：探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系。

師：請同學(xué)們通過前面的案例進(jìn)行大膽猜測，加速度與力和質(zhì)量之間可能有怎樣的定量關(guān)系呢？

生：質(zhì)量一定時(shí)，力越大加速度越大，加速度與力成正比;力一定時(shí)，質(zhì)量越大加速度越小，加速度與質(zhì)量成反比。

師：如果按照大家的猜想，如何在數(shù)學(xué)上更加直觀地反映加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系。

生：可以畫加速度與力和質(zhì)量的圖像。

板書：

大膽猜想：加速度與力成正比，與質(zhì)量成反比。

【設(shè)計(jì)意圖】 通過學(xué)生參與演示實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)探究的興趣。通過列舉生活實(shí)例，讓學(xué)生有直觀感受，并獲得定性的關(guān)系，再提出生產(chǎn)生活中需要知道加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系才能解決實(shí)際問題，表明了今天探究的重要性。無論是通過演示實(shí)驗(yàn)還是大量生活實(shí)例的列舉來引入課題，都是為了培養(yǎng)學(xué)生能夠基于生活現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出問題、提出猜想和假設(shè)，這是科學(xué)探究的重要方法，也是在高中需要培養(yǎng)的科學(xué)素養(yǎng)。

2.實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)（10 min）

板書：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

師：PPT展示三個(gè)問題：①力和質(zhì)量兩個(gè)變量都對(duì)加速度有影響，實(shí)驗(yàn)中如何進(jìn)行探究？②在實(shí)驗(yàn)中如何讓物體加速并測量其加速度？③如何測量物體運(yùn)動(dòng)過程中受到的合力？

生：實(shí)驗(yàn)中用控制變量法的思想來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究;在小車前端用細(xì)線系上重物，在重物重力帶動(dòng)下讓小車加速，并在小車尾部連接紙帶通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄小車的運(yùn)動(dòng)來計(jì)算小車的加速度;把最大靜摩擦力測量出來視為運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力，用重物重力減去摩擦力就是合力大小。

師：每次改變小車質(zhì)量是否需要重新測量摩擦力？實(shí)驗(yàn)操作性如何？

生：需要重新測量，實(shí)驗(yàn)操作比較復(fù)雜。

師：紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的摩擦是否存在誤差？

生：是有誤差。

師：既然我們不能得到摩擦力的準(zhǔn)確值，是否可以通過其他力來平衡摩擦力？同學(xué)們還記得課前兩位同學(xué)參與的演示實(shí)驗(yàn)嗎？剛剛介紹過的這個(gè)軌道具有怎樣的特點(diǎn)？在這種軌道中運(yùn)動(dòng)的小車受力（合力）情況如何？

生：細(xì)線拉力就是合力了。

師：在實(shí)驗(yàn)中具體如何操作？怎么判斷是否平衡好了摩擦力？

生：小車不受拉力時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng)，能夠打出均勻的點(diǎn)跡。

師：如果物體的質(zhì)量改變了，是否需要重新平衡摩擦力？

生：進(jìn)行討論……

師：可以結(jié)合學(xué)生討論的結(jié)果，板書畫出受力分析圖進(jìn)行分析。

師：小車做加速運(yùn)動(dòng)，用細(xì)線連接的重物應(yīng)該和小車一樣也做加速運(yùn)動(dòng)，那么細(xì)線上的拉力還等于重物的重力嗎？注意重物做的是加速運(yùn)動(dòng)，并不處于平衡狀態(tài)，因此拉力和重力是有差異的。在實(shí)驗(yàn)操作過程中滿足重物質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量的前提下，可以近似認(rèn)為拉力等于重力（具體原因不作闡述）。

【設(shè)計(jì)意圖】 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是本節(jié)課的重難點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)中這個(gè)部分需要給予足夠的時(shí)間。本環(huán)節(jié)主要通過老師提問學(xué)生思考回答的方式進(jìn)行[3-4]，只有在學(xué)生的認(rèn)知水平上進(jìn)行拓展、思考，才可以加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)分析問題、解決問題，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的能力。在本環(huán)節(jié)中，通過探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系，鍛煉學(xué)生控制變量的邏輯思維能力;在對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過程中，學(xué)生通過構(gòu)建連接體模型，進(jìn)行受力分析，進(jìn)而分析平衡摩擦力的妙處，在這個(gè)過程中形成模型構(gòu)建的思維能力;分析探討實(shí)驗(yàn)過程中可能遇到的問題，發(fā)展學(xué)生科學(xué)的探究思維能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集（15 min）

板書：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

師：播放微視頻。課前錄制一個(gè)微視頻幫助同學(xué)們快速熟悉實(shí)驗(yàn)操作（微視頻需要強(qiáng)調(diào)反復(fù)平衡摩擦力、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用、細(xì)線平行軌道等細(xì)節(jié)）。學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程中進(jìn)行巡視，對(duì)薄弱小組進(jìn)行指導(dǎo)。

學(xué)生以分小組、分類探究、然后再進(jìn)行交流的方式完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。將學(xué)生分成四人小組，一半小組探究質(zhì)量一定加速度與力的關(guān)系，一半小組探究力一定加速度與質(zhì)量的關(guān)系。每個(gè)小組的學(xué)生分工合作，可以由A同學(xué)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，B同學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄，C、D兩位同學(xué)通過紙帶計(jì)算加速度。每組采集的數(shù)據(jù)先記錄于表1或者表2中，再全組討論完成后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

【設(shè)計(jì)意圖】由于實(shí)驗(yàn)中有許多操作細(xì)節(jié)和注意事項(xiàng)，如果由老師在課堂講解，不僅費(fèi)時(shí)而且可視性也不好，因此在上課前可以通過微課的錄制，幫助學(xué)生快速掌握實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)，不僅節(jié)約時(shí)間，可視性也好，學(xué)生易懂且方便操作。本環(huán)節(jié)主要通過小組分工合作交流的方式進(jìn)行，不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，更是提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和合作精神，學(xué)生在探究過程中也能獲得成就感和自豪感。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理（8 min）

板書：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

師：從獲得的數(shù)據(jù)可以大致看出，質(zhì)量一定，力越大，加速度越大;力一定，質(zhì)量越大，加速度越小。但是否說明加速度與力成正比，與質(zhì)量成反比呢？實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與我們的猜想一致？怎樣才能直觀地反映加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系呢？

生：需要作a-F圖像和a-M圖像。

師：請同學(xué)們在坐標(biāo)紙上選擇合適的標(biāo)度進(jìn)行描點(diǎn)作圖。

生：用圖像法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

師：投影儀展示學(xué)生的數(shù)據(jù)處理結(jié)果（圖1、圖2曲線部分），指導(dǎo)學(xué)生分享處理數(shù)據(jù)的思路。

生：（學(xué)生分享數(shù)據(jù)處理方式）我們描好點(diǎn)后先觀察了數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)加速度與力的數(shù)據(jù)點(diǎn)在誤差允許范圍內(nèi)基本上呈一條直線，所以用一條直線來進(jìn)行擬合，而加速度與質(zhì)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)不在一條直線上，只能用平滑的曲線來擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布規(guī)律。

師：點(diǎn)評(píng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理思路。加速度與質(zhì)量的關(guān)系圖示曲線就一定是成反比的關(guān)系嗎？

生：不一定！

師：數(shù)學(xué)上滿足曲線關(guān)系的有太多可能性，只有直線才能確定關(guān)系，能不能通過數(shù)學(xué)處理把加速度與質(zhì)量的關(guān)系轉(zhuǎn)化成直線圖像呢？如果加速度與質(zhì)量是成反比的，我們需要怎樣變換坐標(biāo)的物理量才可以畫出直線圖像？

生：（討論）轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，畫出a-1/M圖像（圖2直線部分）。

【設(shè)計(jì)意圖】 在本環(huán)節(jié)我們采用的是較傳統(tǒng)的描點(diǎn)作圖法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，需要學(xué)生學(xué)會(huì)觀察數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)，分析并給出合理的圖像來擬合兩物理量的關(guān)系。雖然可能比較花時(shí)間，但是我們認(rèn)為這種數(shù)據(jù)處理的方式比起用電腦Excel等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理更有優(yōu)勢。分析數(shù)據(jù)是高中階段學(xué)生必備的一種能力，尤其化曲為直的思想可以提高學(xué)生的綜合分析能力。

5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及反思（3 min）

板書：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及反思

師：剛剛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中還是有一些誤差的，請同學(xué)們分析、思考誤差的來源，并討論有什么方法可以對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)？

生：（思考、討論）誤差來源：摩擦力的平衡不準(zhǔn)確、沒有滿足重物質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量、細(xì)線不平行軌道等等;方案改進(jìn)：比如可以在氣墊導(dǎo)軌上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過運(yùn)動(dòng)光電門測量小車運(yùn)動(dòng)速度來判斷是否平衡摩擦力，實(shí)驗(yàn)中拉力與重力并不相等，可以在小車前端安裝力傳感器來直接測量拉力大小，等等。

【設(shè)計(jì)意圖】 從學(xué)生通過描點(diǎn)作圖獲得的a-F、a-1/M圖像中可以看到，雖然得到了與猜想符合的結(jié)論，表明之前的猜想是正確的，但是實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差更值得研究，因此本環(huán)節(jié)意圖在于引導(dǎo)學(xué)生尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，進(jìn)行誤差分析。

7? ? 教學(xué)反思

在教學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)反思環(huán)節(jié)中主要采用了老師提問、學(xué)生思考討論的教學(xué)模式進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)操作部分主要采用了學(xué)生小組分工合作的探究式教學(xué)模式，不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，還培養(yǎng)了學(xué)生的分工合作能力。在整個(gè)探究過程中經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出猜想和假設(shè)、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析、實(shí)驗(yàn)反思等，提升了學(xué)生的科學(xué)探究能力。不過本課設(shè)計(jì)中時(shí)間相對(duì)比較緊張，需要老師和學(xué)生充分準(zhǔn)備。比如，需要老師課前做好微課，學(xué)生對(duì)紙帶的處理要非常熟練。在反思環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠想到的一些改進(jìn)方案需要老師在《運(yùn)動(dòng)的描述》一章有所介紹。

在高中物理教學(xué)實(shí)踐中，老師要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生實(shí)際，以物理核心素養(yǎng)為指導(dǎo)，靈活開展探究式教學(xué)，全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯? ? 李富強(qiáng)）