核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“超重和失重”為例

文| 馬小峰

【教學(xué)背景】

以超重和失重為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，幫助學(xué)生建立質(zhì)量、引力和支持力之間的關(guān)系，同時(shí)鍛煉其科學(xué)思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在核心素養(yǎng)的指導(dǎo)下，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的能力。本次教學(xué)旨在激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的興趣，培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析能力，使其能夠更好地理解和掌握物理學(xué)的基本原理，并將這些知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際生活和學(xué)習(xí)中。

【教學(xué)目標(biāo)】

學(xué)生將深入理解超重和失重的物理概念，具體包括對(duì)物體在不同引力場(chǎng)中質(zhì)量的變化原因的理解，以及如何應(yīng)用牛頓第二定律解釋這些現(xiàn)象。通過(guò)教學(xué)，學(xué)生將鞏固對(duì)質(zhì)量、引力和支持力的關(guān)系的基礎(chǔ)，能夠靈活運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

學(xué)生將通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集和分析，培養(yǎng)實(shí)踐操作能力、科學(xué)思維和問(wèn)題解決能力。實(shí)驗(yàn)操作包括使用彈簧測(cè)力計(jì)等工具，學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)分析軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制關(guān)系圖，從而加深對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解，并得出科學(xué)的結(jié)論。

培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的濃厚興趣和熱愛(ài)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作體驗(yàn)科學(xué)的探索過(guò)程，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的獨(dú)特興趣。此外，通過(guò)小組合作和討論，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通能力，讓他們?cè)诠餐χ畜w驗(yàn)學(xué)科合作的樂(lè)趣。

【教學(xué)內(nèi)容】

理論知識(shí)：

①超重和失重的概念。②質(zhì)量、重力和支持力之間的關(guān)系。③牛頓第二定律的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

①利用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)定物體的質(zhì)量。②在不同引力場(chǎng)中測(cè)定物體的質(zhì)量，分析超重和失重的原因。③通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證牛頓第二定律。

【教學(xué)過(guò)程】

一、導(dǎo)入

為了激發(fā)學(xué)生學(xué)科興趣，教師可通過(guò)展示太空探測(cè)器在不同引力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的視頻或圖片，引起學(xué)生對(duì)超重和失重的好奇心。

將班級(jí)學(xué)生分成4 個(gè)大組，每個(gè)大組派出1 個(gè)代表，輪番在事先準(zhǔn)備好的體重計(jì)上向下蹲，提問(wèn)：在下蹲的過(guò)程中你們有什么發(fā)現(xiàn)？

學(xué)生回答：體重計(jì)的示數(shù)先變小，后變大，再變小，當(dāng)人靜止后，保持某一數(shù)值不變。

進(jìn)一步提問(wèn)：為什么體重計(jì)測(cè)量的“體重”一直發(fā)生變化，難道真的是我們的重量在變化嗎？造成這種現(xiàn)象的原因又是什么呢？——引入新課“超重和失重”。隨后，教師提出問(wèn)題：在地球和其他星球上，物體的質(zhì)量是否相同？引導(dǎo)學(xué)生思考這個(gè)問(wèn)題的答案，并引入今天的學(xué)習(xí)主題。

二、理論知識(shí)講解與討論

（一）超重和失重的概念

超重和失重是在不同引力場(chǎng)中物體質(zhì)量表現(xiàn)出來(lái)的兩種現(xiàn)象。首先，我們來(lái)介紹超重的概念。當(dāng)物體在較大質(zhì)量的天體表面，如地球上運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到的引力增大，物體的真實(shí)質(zhì)量似乎比其在地球表面的質(zhì)量要大。這種現(xiàn)象被稱為超重。

以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明，假設(shè)一個(gè)質(zhì)量為m 的物體在地球表面的重力加速度為g，那么它在地球上受到的引力F可由公式F=mg 計(jì)算。如果將同一物體移到另一天體，該天體的引力加速度為g′，那么在這個(gè)天體上，物體的超重力F′可用公式F′=mg′計(jì)算?？梢钥闯?，超重與物體所處的引力場(chǎng)有關(guān)。

接下來(lái)，我們轉(zhuǎn)向失重的概念。失重發(fā)生在物體離開(kāi)引力場(chǎng)或受到的引力減小的情況下。例如，太空中的宇航員就會(huì)經(jīng)歷失重狀態(tài)。在失重狀態(tài)下，物體的質(zhì)量看似減小，因?yàn)槭艿降囊^小，所以物體相對(duì)于引力場(chǎng)的效應(yīng)降低。

（二）牛頓第二定律的應(yīng)用

牛頓第二定律是描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的定律，可以用數(shù)學(xué)公式表示為F=ma，其中F為物體所受的凈外力，m為物體的質(zhì)量，a為物體的加速度。在超重和失重的情境下，我們可以應(yīng)用這一定律解釋物體在不同引力場(chǎng)中的行為。（PPT 呈現(xiàn)牛頓第二定律的內(nèi)容）

考慮一個(gè)物體在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，受到重力mg 和支持力N的作用。在超重情況下，支持力小于重力，即N＜mg，物體凈受力方向向下，導(dǎo)致物體產(chǎn)生向下的加速度。反之，在失重情況下，由于引力減小，支持力大于重力，即N＞mg，物體凈受力方向向上，導(dǎo)致物體產(chǎn)生向上的加速度。

通過(guò)應(yīng)用牛頓第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，我們可以用具體的數(shù)值計(jì)算來(lái)說(shuō)明超重和失重的原理。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作是鞏固理論知識(shí)、培養(yǎng)實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將有機(jī)會(huì)親身體驗(yàn)超重和失重的現(xiàn)象，同時(shí)鍛煉實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集和分析的能力。

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮筒襟E介紹

首先，教師明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證在不同引力場(chǎng)中物體的質(zhì)量是否發(fā)生變化，進(jìn)而應(yīng)用牛頓第二定律解釋超重和失重現(xiàn)象。隨后，簡(jiǎn)要介紹實(shí)驗(yàn)步驟，確保學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有清晰的認(rèn)識(shí)。

（二）小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

學(xué)生分成小組，每組成員共同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，學(xué)生需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

1.如何測(cè)定物體的質(zhì)量？可以使用彈簧測(cè)力計(jì)等工具。

2.在不同引力場(chǎng)中，如何測(cè)定物體的質(zhì)量？需要設(shè)計(jì)在地球表面和另一個(gè)天體上（模擬失重狀態(tài)）的兩組實(shí)驗(yàn)。

3.如何確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性？注意實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器校準(zhǔn)等方面的細(xì)節(jié)。

（三）實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)收集

學(xué)生按照小組設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。首先，在地球表面測(cè)定物體的質(zhì)量，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。接著，通過(guò)模擬失重狀態(tài)，測(cè)定物體在不同引力場(chǎng)中的質(zhì)量，同樣記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這一過(guò)程需要小組成員協(xié)作，確保實(shí)驗(yàn)操作的流暢性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（四）數(shù)據(jù)分析和討論

學(xué)生在小組內(nèi)討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析超重和失重的原因，并試圖用數(shù)學(xué)公式解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這一環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深入理解和科學(xué)推理的能力。教師可以通過(guò)提問(wèn)引導(dǎo)學(xué)生思考，促進(jìn)他們能透徹理解物理學(xué)概念。

通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作的過(guò)程，學(xué)生將親身體驗(yàn)理論知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析的能力。同時(shí)，小組合作讓學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中分享思考和解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通水平。在實(shí)驗(yàn)操作中，教師要及時(shí)給予指導(dǎo)和反饋，確保學(xué)生能夠全面理解超重和失重的概念，并能運(yùn)用牛頓第二定律解釋這些現(xiàn)象。

四、總結(jié)與歸納

（一）超重和失重的總結(jié)

超重和失重是物體在不同引力場(chǎng)中表現(xiàn)出的兩種現(xiàn)象。在地球表面，物體由于受到引力的作用，真實(shí)質(zhì)量看似變得更大，這被稱為超重。相反，在失重狀態(tài)下，物體離開(kāi)引力場(chǎng)或受到的引力減小，導(dǎo)致物體質(zhì)量看似減小，即失重狀態(tài)。這兩種現(xiàn)象是牛頓力學(xué)中質(zhì)量、引力和支持力相互作用的結(jié)果。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與歸納

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，我們可以觀察到在不同引力場(chǎng)中物體的質(zhì)量變化。在地球表面，物體受到較大的引力，支持力小于重力，導(dǎo)致物體產(chǎn)生向下的加速度，即超重狀態(tài)。相反，在失重狀態(tài)下，支持力大于重力，導(dǎo)致物體產(chǎn)生向上的加速度。這與牛頓第二定律的應(yīng)用一致。

我們可以用公式F=ma來(lái)描述物體在不同引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。在超重狀態(tài)下，F(xiàn)為物體的凈受力，m為物體的質(zhì)量，a為加速度。而在失重狀態(tài)下，F(xiàn)的方向相反，即F=-ma，表示物體產(chǎn)生向上的加速度。

（三）思考與拓展

1.如何在太空探測(cè)器設(shè)計(jì)中應(yīng)用這些概念？

2.超重和失重對(duì)人類在外太空的活動(dòng)有哪些影響？

五、拓展延伸與作業(yè)

（一）撰寫科普文章

要求學(xué)生以超重和失重為主題，撰寫一篇科普文章。文章應(yīng)包括對(duì)超重和失重的概念解釋、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的描述、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和對(duì)科學(xué)背景的深入思考。這項(xiàng)作業(yè)能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)文獻(xiàn)撰寫的能力，提高其對(duì)所學(xué)知識(shí)的整合水平。

（二）設(shè)計(jì)物體質(zhì)量變化模型

要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)模型，模擬在不同引力場(chǎng)中物體的質(zhì)量變化，可以使用各種材料，包括圖紙、彈簧、小球等。學(xué)生需要解釋模型的設(shè)計(jì)原理，并演示模型在不同引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

【教學(xué)評(píng)價(jià)】

見(jiàn)文末表1。

【總結(jié)】

本教學(xué)設(shè)計(jì)以核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理為基礎(chǔ)，以超重和失重為例展開(kāi)，通過(guò)理論知識(shí)講解、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作、總結(jié)與歸納、拓展延伸與作業(yè)等環(huán)節(jié)，全面培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐、思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)深入理解超重和失重現(xiàn)象，同時(shí)應(yīng)用牛頓第二定律解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。拓展延伸任務(wù)設(shè)計(jì)富有特色，如太空探測(cè)器設(shè)計(jì)、失重狀態(tài)下的影響等，旨在引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際情境，并通過(guò)科普文章、物體質(zhì)量變化模型設(shè)計(jì)等任務(wù)培養(yǎng)其創(chuàng)新思維。評(píng)價(jià)體系兼顧知識(shí)水平、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新思維等多個(gè)方面，旨在全面了解學(xué)生的學(xué)科水平及核心素養(yǎng)發(fā)展情況。通過(guò)教學(xué)，學(xué)生不僅能深刻理解物理學(xué)科，更能培養(yǎng)其實(shí)踐操作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和創(chuàng)新思維等綜合素養(yǎng)，為未來(lái)學(xué)科學(xué)習(xí)和職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。