基于学科核心素养的《探究加速度与力、质量的关系》教学设计

何元 罗芳秀

摘    要：物理学科核心素养[1]是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力和必备品格，是学生科学素养的重要构成内容。文章基于高中物理核心素养，对《探究加速度与力、质量的关系》一节进行了教学目标的设定和教学环节的设计，力图通过学生自主探究加速度与力和质量的关系，设计实验方案、操作实验过程、采集实验数据、处理数据得出实验结果，提升学生科学探究的能力，从而促进学生物理核心素养的养成和发展。

关键词：核心素养;科学探究;实验探究;控制变量法

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2020）12-0069-5

《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出，物理核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面，这四个方面是相互联系、共同发展的。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是该学科在落实立德树人根本任务中所作出的独特贡献，是个体在信息化、全球化、学习型社会，面对复杂的不确定情境时，综合运用本学科所学的知识、观念、方法解决实际问题所表现出来的价值观念、必备品格与关键能力。课堂是培养学生素养的主渠道，因此教师应该基于物理核心素养的培养来完成教学设计，开展课堂教学，从而完善学生的知识结构，加强学生的动手实践能力，培养学生的创新意识和科学探究能力[2]。下面以《探究加速度与力、质量的关系》一节为例，谈谈以物理核心素养为导向的课堂教学设计。

1    教材分析

牛顿运动定律是整个力学部分的基础。本节是“教科版”《物理》（必修1）第三章《牛顿运动定律》的第2节，本节编排在《牛顿第一定律》（定性认识“运动与力”的关系）之后，《牛顿第二定律》之前，不仅具有承上启下的作用，也体现了学生对知识从易到难、从定性到定量的认知规律。本节是一节实验探究课，通过探究加速度与力、质量的关系，得到这三个物理量之间的定量关系，为第三节提出牛顿第二定律F=Ma作铺垫。本节中需要学生学会应用控制变量法来进行实验探究和用图像法处理数据，因此本节无论从知识层面还是从培养学生的科学探究能力层面都很重要。

2    学情分析

学生在初中阶段已经学习了牛顿第一定律，生活中对于加速度与力和质量的定性关系也具有一定的体验，因此，本课的引入很容易。而且学生在第一章《运动的描述》中做过打点计时器测量平均速度和测定匀变速直线运动的加速度两个实验，对于打点计时器的使用有一定的实验能力，会根据纸带记录的物体运动分析数据并求加速度。在初中学生就会使用天平测质量，因此本次实验操作和数据的基本处理都有充分的准备。但这节课学生可能遇到的困难有：本节重难点在于实验方案的设计、控制变量法的应用、图像法处理数据，特别是作完a-M图像后，为什么再作a-1/M图像。因此本节设计中，重在老师的问题式引导，通过学生的思考和讨论一步一步设计出严谨、可行的实验方案，并通过小组合作交流的方式充分调动学生的积极性，培养学生的协作能力。

3    基于物理核心素养设定的教学目标

1.物理观念

通过实验探究加深对影响物体加速度因素的认识，从而使学生正确理解加速度与力和质量的关系。

2.科学思维

（1）通过探究加速度与力和质量的关系，培养学生运用控制变量法的逻辑思维能力;

（2）通过实验方案的设计和优化，发展学生模型构建的思维能力;

（3）通过探讨实验过程中可能遇到的问题，发展学生科学探究的思维能力。

3.科学探究

（1）引导学生发现问题，分析问题，提出猜想和假设;

（2）指导学生进行科学探究：设计实验方案，完成实验，获取数据，分析处理数据，得到实验结果。

4.科学态度与责任

（1）通过对实验方案的优化及对实验结果的评估、反思，培养学生实事求是的科学探究态度;

（2）通过动脑设计实验，动手操作实验，培养实践能力，使学生获得成就感和自豪感，激发学生的学习兴趣;

（3）通過实验过程中的小组合作与交流，培养学生的团队意识和合作精神。

4    教学重难点

控制变量法的使用，实验方案的设计，用图像法处理实验数据等。

5    实验器材

小车、一端带滑轮的轨道、打点计时器、纸带、学生电源、砝码、钩码、细线、刻度尺、天平、坐标纸等。

6    教学过程

1.引入（4 min）

演示实验：

①已经平衡了摩擦力的倾斜轨道上静置两辆质量相同的小车，让一位男生和一位女生同时吹动小车，比较小车的启动快慢;

②挑战升级，在其中一辆小车上放置一砝码，增加其质量，让前一个获胜的同学同时吹动两辆不同质量的小车，比较小车的启动快慢。

师：为什么演示①中两辆小车启动快慢不同？

生：因为小车受力不同。

师：哪一辆小车受力大？

生：启动快的受力大。

师：为什么演示②中两辆小车启动快慢不同？

生：因为小车受力相同，但质量不同。

师：哪一辆小车质量大？

生：启动慢的质量大。

师：从刚才的演示实验可以看到，小车的启动快慢（加速度）与受力和小车质量有关。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远，同一个大人踢足球和实心球的距离也不同。大量的生活现象都表明：质量一定，力越大加速度越大;外力一定时，质量越大的物体加速度越小。

师：展示卫星发射的视频。在生产生活中，只知道加速度与力和质量的定性关系是远远不够的，只有知道它们三者的定量关系才更具有实际意义。比如，火箭运送卫星需要精确计算其运行参数，需要给火箭多大的推力才能产生特定的加速度，最终使其顺利到达预定轨道。

板书：探究加速度与力和质量的关系。

师：请同学们通过前面的案例进行大胆猜测，加速度与力和质量之间可能有怎样的定量关系呢？

生：质量一定时，力越大加速度越大，加速度与力成正比;力一定时，质量越大加速度越小，加速度与质量成反比。

师：如果按照大家的猜想，如何在数学上更加直观地反映加速度与力和质量的关系。

生：可以画加速度与力和质量的图像。

板书：

大胆猜想：加速度与力成正比，与质量成反比。

【设计意图】 通过学生参与演示实验，提高了学生对实验探究的兴趣。通过列举生活实例，让学生有直观感受，并获得定性的关系，再提出生产生活中需要知道加速度与力和质量的定量关系才能解决实际问题，表明了今天探究的重要性。无论是通过演示实验还是大量生活实例的列举来引入课题，都是为了培养学生能够基于生活现象发现问题、分析问题、提出问题、提出猜想和假设，这是科学探究的重要方法，也是在高中需要培养的科学素养。

2.实验方案的设计（10 min）

板书：设计实验方案

师：PPT展示三个问题：①力和质量两个变量都对加速度有影响，实验中如何进行探究？②在实验中如何让物体加速并测量其加速度？③如何测量物体运动过程中受到的合力？

生：实验中用控制变量法的思想来进行实验探究;在小车前端用细线系上重物，在重物重力带动下让小车加速，并在小车尾部连接纸带通过打点计时器记录小车的运动来计算小车的加速度;把最大静摩擦力测量出来视为运动过程中的摩擦力，用重物重力减去摩擦力就是合力大小。

师：每次改变小车质量是否需要重新测量摩擦力？实验操作性如何？

生：需要重新测量，实验操作比较复杂。

师：纸带与打点计时器之间的摩擦是否存在误差？

生：是有误差。

师：既然我们不能得到摩擦力的准确值，是否可以通过其他力来平衡摩擦力？同学们还记得课前两位同学参与的演示实验吗？刚刚介绍过的这个轨道具有怎样的特点？在这种轨道中运动的小车受力（合力）情况如何？

生：细线拉力就是合力了。

师：在实验中具体如何操作？怎么判断是否平衡好了摩擦力？

生：小车不受拉力时做匀速运动，能够打出均匀的点迹。

师：如果物体的质量改变了，是否需要重新平衡摩擦力？

生：进行讨论……

师：可以结合学生讨论的结果，板书画出受力分析图进行分析。

师：小车做加速运动，用细线连接的重物应该和小车一样也做加速运动，那么细线上的拉力还等于重物的重力吗？注意重物做的是加速运动，并不处于平衡状态，因此拉力和重力是有差异的。在实验操作过程中满足重物质量远远小于小车质量的前提下，可以近似认为拉力等于重力（具体原因不作阐述）。

【设计意图】 实验设计是本节课的重难点，因此在设计中这个部分需要给予足够的时间。本环节主要通过老师提问学生思考回答的方式进行[3-4]，只有在学生的认知水平上进行拓展、思考，才可以加深学生对实验方案的认识，引导学生学会分析问题、解决问题，提高学生实验探究的能力。在本环节中，通过探究加速度与力和质量的关系，锻炼学生控制变量的逻辑思维能力;在对实验方案的设计和优化的过程中，学生通过构建连接体模型，进行受力分析，进而分析平衡摩擦力的妙处，在这个过程中形成模型构建的思维能力;分析探讨实验过程中可能遇到的问题，发展学生科学的探究思维能力和严谨的科学态度。

3.实验数据的采集（15 min）

板书：实验数据采集

师：播放微视频。课前录制一个微视频帮助同学们快速熟悉实验操作（微视频需要強调反复平衡摩擦力、打点计时器的使用、细线平行轨道等细节）。学生实验操作过程中进行巡视，对薄弱小组进行指导。

学生以分小组、分类探究、然后再进行交流的方式完成实验内容。将学生分成四人小组，一半小组探究质量一定加速度与力的关系，一半小组探究力一定加速度与质量的关系。每个小组的学生分工合作，可以由A同学完成实验数据的采集，B同学进行数据的记录，C、D两位同学通过纸带计算加速度。每组采集的数据先记录于表1或者表2中，再全组讨论完成后续的数据处理。

【设计意图】由于实验中有许多操作细节和注意事项，如果由老师在课堂讲解，不仅费时而且可视性也不好，因此在上课前可以通过微课的录制，帮助学生快速掌握实验操作要领，不仅节约时间，可视性也好，学生易懂且方便操作。本环节主要通过小组分工合作交流的方式进行，不仅提高了学生的动手能力，更是提高了学生的团队意识和合作精神，学生在探究过程中也能获得成就感和自豪感。

4.实验数据处理（8 min）

板书：实验数据处理

师：从获得的数据可以大致看出，质量一定，力越大，加速度越大;力一定，质量越大，加速度越小。但是否说明加速度与力成正比，与质量成反比呢？实验结果是否与我们的猜想一致？怎样才能直观地反映加速度与力和质量的定量关系呢？

生：需要作a-F图像和a-M图像。

师：请同学们在坐标纸上选择合适的标度进行描点作图。

生：用图像法进行数据处理。

师：投影仪展示学生的数据处理结果（图1、图2曲线部分），指导学生分享处理数据的思路。

生：（学生分享数据处理方式）我们描好点后先观察了数据分布特点，发现加速度与力的数据点在误差允许范围内基本上呈一条直线，所以用一条直线来进行拟合，而加速度与质量的数据点不在一条直线上，只能用平滑的曲线来拟合数据点的分布规律。

师：点评学生的数据处理思路。加速度与质量的关系图示曲线就一定是成反比的关系吗？

生：不一定！

师：数学上满足曲线关系的有太多可能性，只有直线才能确定关系，能不能通过数学处理把加速度与质量的关系转化成直线图像呢？如果加速度与质量是成反比的，我们需要怎样变换坐标的物理量才可以画出直线图像？

生：（讨论）转换坐标，画出a-1/M图像（图2直线部分）。

【设计意图】 在本环节我们采用的是较传统的描点作图法进行数据处理，需要学生学会观察数据分布特点，分析并给出合理的图像来拟合两物理量的关系。虽然可能比较花时间，但是我们认为这种数据处理的方式比起用电脑Excel等软件进行数据处理更有优势。分析数据是高中阶段学生必备的一种能力，尤其化曲为直的思想可以提高学生的综合分析能力。

5.实验数据分析及反思（3 min）

板书：实验数据分析及反思

师：刚刚的实验数据处理中还是有一些误差的，请同学们分析、思考误差的来源，并讨论有什么方法可以对实验方案进行改进？

生：（思考、讨论）误差来源：摩擦力的平衡不准确、没有满足重物质量远远小于小车质量、细线不平行轨道等等;方案改进：比如可以在气垫导轨上进行实验，并通过运动光电门测量小车运动速度来判断是否平衡摩擦力，实验中拉力与重力并不相等，可以在小车前端安装力传感器来直接测量拉力大小，等等。

【设计意图】 从学生通过描点作图获得的a-F、a-1/M图像中可以看到，虽然得到了与猜想符合的结论，表明之前的猜想是正确的，但是实验中出现的误差更值得研究，因此本环节意图在于引導学生尊重实验事实，进行误差分析。

7    教学反思

在教学的实验方案设计、数据处理及实验反思环节中主要采用了老师提问、学生思考讨论的教学模式进行，在实验操作部分主要采用了学生小组分工合作的探究式教学模式，不仅调动了学生学习的积极性，还培养了学生的分工合作能力。在整个探究过程中经历了发现问题、分析问题、提出猜想和假设、实验方案设计、实验数据采集、实验数据处理分析、实验反思等，提升了学生的科学探究能力。不过本课设计中时间相对比较紧张，需要老师和学生充分准备。比如，需要老师课前做好微课，学生对纸带的处理要非常熟练。在反思环节，学生能够想到的一些改进方案需要老师在《运动的描述》一章有所介绍。

在高中物理教学实践中，老师要结合教学内容和学生实际，以物理核心素养为指导，灵活开展探究式教学，全面提升学生的科学素养。

参考文献：

[1]林钦，陈峰，宋静.关于核心素养导向的中学物理教学的思考[J].课程·教材·教法，2015，35（12）：90-95.

[2]邹万全，陈梅.关于物理核心素养形成的有效途径思考[J].物理教学探讨，2020，38（4）：30-36.

[3]郑青岳.如何设置物理课堂教学中的问题[J].物理教师，2000，21（8）：38-40.

[4]徐立海.谈物理课堂教学中问题设计的原理[J].物理教师，2013，34（8）：26-27.

（栏目编辑    李富强）