基于學科核心素養(yǎng)的《探究加速度與力、質量的關系》教學設計

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1、基于學科核心素養(yǎng)的?探究加速度與力、質量的關系?教學設計 摘要：物理學科核心素養(yǎng)【1】是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身開展和社會開展需要的關鍵能力和必備品格，是學生科學素養(yǎng)的重要構成內容。文章基于高中物理核心素養(yǎng)，對?探究加速度與力、質量的關系?一節(jié)進行了教學目標的設定和教學環(huán)節(jié)的設計，力圖通過學生自主探究加速度與力和質量的關系，設計實驗方案、操作實驗過程、采集實驗數(shù)據、處理數(shù)據得出實驗結果，提升學生科學探究的能力，從而促進學生物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和開展。 關鍵詞：核心素養(yǎng);科學探究;實驗探究;控制變量法 中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A文章編號：1003-

2、6148〔2021〕12-0069-5 ?普通高中物理課程標準〔2021年版〕?指出，物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念〞“科學思維〞“科學探究〞“科學態(tài)度與責任〞四個方面，這四個方面是相互聯(lián)系、共同開展的。學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中表達，是該學科在落實立德樹人根本任務中所作出的獨特奉獻，是個體在信息化、全球化、學習型社會，面對復雜的不確定情境時，綜合運用本學科所學的知識、觀念、方法解決實際問題所表現(xiàn)出來的價值觀念、必備品格與關鍵能力。課堂是培養(yǎng)學生素養(yǎng)的主渠道，因此教師應該基于物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)來完成教學設計，開展課堂教學，從而完善學生的知識結構，加強學生的動手實踐能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意

3、識和科學探究能力【2】。下面以?探究加速度與力、質量的關系?一節(jié)為例，談談以物理核心素養(yǎng)為導向的課堂教學設計。 1教材分析 牛頓運動定律是整個力學局部的根底。本節(jié)是“教科版〞?物理?〔必修1〕第三章?牛頓運動定律?的第2節(jié)，本節(jié)編排在?牛頓第一定律?〔定性認識“運動與力〞的關系〕之后，?牛頓第二定律?之前，不僅具有承上啟下的作用，也表達了學生對知識從易到難、從定性到定量的認知規(guī)律。本節(jié)是一節(jié)實驗探究課，通過探究加速度與力、質量的關系，得到這三個物理量之間的定量關系，為第三節(jié)提出牛頓第二定律F=Ma作鋪墊。本節(jié)中需要學生學會應用控制變量法來進行實驗探究和用圖像法處理數(shù)據，因此本節(jié)無論從知識層

4、面還是從培養(yǎng)學生的科學探究能力層面都很重要。 2學情分析 學生在初中階段已經學習了牛頓第一定律，生活中對于加速度與力和質量的定性關系也具有一定的體驗，因此，本課的引入很容易。而且學生在第一章?運動的描述?中做過打點計時器測量平均速度和測定勻變速直線運動的加速度兩個實驗，對于打點計時器的使用有一定的實驗能力，會根據紙帶記錄的物體運動分析數(shù)據并求加速度。在初中學生就會使用天平測質量，因此本次實驗操作和數(shù)據的根本處理都有充分的準備。但這節(jié)課學生可能遇到的困難有：本節(jié)重難點在于實驗方案的設計、控制變量法的應用、圖像法處理數(shù)據，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)設計中，重在老

5、師的問題式引導，通過學生的思考和討論一步一步設計出嚴謹、可行的實驗方案，并通過小組合作交流的方式充分調動學生的積極性，培養(yǎng)學生的協(xié)作能力。 3基于物理核心素養(yǎng)設定的教學目標 通過實驗探究加深對影響物體加速度因素的認識，從而使學生正確理解加速度與力和質量的關系。 〔1〕通過探究加速度與力和質量的關系，培養(yǎng)學生運用控制變量法的邏輯思維能力; 〔2〕通過實驗方案的設計和優(yōu)化，開展學生模型構建的思維能力; 〔3〕通過探討實驗過程中可能遇到的問題，開展學生科學探究的思維能力。 〔1〕引導學生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，提出猜測和假設; 〔2〕指導學生進行科學探究：設計實驗方案，完成實驗

6、，獲取數(shù)據，分析處理數(shù)據，得到實驗結果。 〔1〕通過對實驗方案的優(yōu)化及對實驗結果的評估、反思，培養(yǎng)學生實事求是的科學探究態(tài)度; 〔2〕通過動腦設計實驗，動手操作實驗，培養(yǎng)實踐能力，使學生獲得成就感和自豪感，激發(fā)學生的學習興趣; 〔3〕通過實驗過程中的小組合作與交流，培養(yǎng)學生的團隊意識和合作精神。 4教學重難點 控制變量法的使用，實驗方案的設計，用圖像法處理實驗數(shù)據等。 5實驗器材 小車、一端帶滑輪的軌道、打點計時器、紙帶、學生電源、砝碼、鉤碼、細線、刻度尺、天平、坐標紙等。 6教學過程 1.引入〔4min〕 演示實驗： ①已經平衡了摩擦力的傾斜軌道上靜置兩輛質量相同的

7、小車，讓一位男生和一位女生同時吹動小車，比較小車的啟動快慢; ②挑戰(zhàn)升級，在其中一輛小車上放置一砝碼，增加其質量，讓前一個獲勝的同學同時吹動兩輛不同質量的小車，比較小車的啟動快慢。 師：為什么演示①中兩輛小車啟動快慢不同？ 生：因為小車受力不同。 師：哪一輛小車受力大？ 生：啟動快的受力大。 師：為什么演示②中兩輛小車啟動快慢不同？ 生：因為小車受力相同，但質量不同。 師：哪一輛小車質量大？ 生：啟動慢的質量大。 師：從剛剛的演示實驗可以看到，小車的啟動快慢〔加速度〕與受力和小車質量有關。生活中也有大量的事例，比方，大人和小孩踢足球大人踢得更遠，同一個大人踢足球和實心球的距

8、離也不同。大量的生活現(xiàn)象都說明：質量一定，力越大加速度越大;外力一定時，質量越大的物體加速度越小。 師：展示衛(wèi)星發(fā)射的視頻。在生產生活中，只知道加速度與力和質量的定性關系是遠遠不夠的，只有知道它們三者的定量關系才更具有實際意義。比方，火箭運送衛(wèi)星需要精確計算其運行參數(shù)，需要給火箭多大的推力才能產生特定的加速度，最終使其順利到達預定軌道。 板書：探究加速度與力和質量的關系。 師：請同學們通過前面的案例進行大膽猜測，加速度與力和質量之間可能有怎樣的定量關系呢？ 生：質量一定時，力越大加速度越大，加速度與力成正比;力一定時，質量越大加速度越小，加速度與質量成反比。 師：如果按照大家的猜測，

9、如何在數(shù)學上更加直觀地反映加速度與力和質量的關系。 生：可以畫加速度與力和質量的圖像。 板書： 大膽猜測：加速度與力成正比，與質量成反比。 【設計意圖】通過學生參與演示實驗，提高了學生對實驗探究的興趣。通過列舉生活實例，讓學生有直觀感受，并獲得定性的關系，再提出生產生活中需要知道加速度與力和質量的定量關系才能解決實際問題，說明了今天探究的重要性。無論是通過演示實驗還是大量生活實例的列舉來引入課題，都是為了培養(yǎng)學生能夠基于生活現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出問題、提出猜測和假設，這是科學探究的重要方法，也是在高中需要培養(yǎng)的科學素養(yǎng)。 方案的設計〔10min〕 板書：設計實驗方案 師：P

10、PT展示三個問題：①力和質量兩個變量都對加速度有影響，實驗中如何進行探究？②在實驗中如何讓物體加速并測量其加速度？③如何測量物體運動過程中受到的合力？ 生：實驗中用控制變量法的思想來進行實驗探究;在小車前端用細線系上重物，在重物重力帶動下讓小車加速，并在小車尾部連接紙帶通過打點計時器記錄小車的運動來計算小車的加速度;把最大靜摩擦力測量出來視為運動過程中的摩擦力，用重物重力減去摩擦力就是合力大小。 師：每次改變小車質量是否需要重新測量摩擦力？實驗操作性如何？ 生：需要重新測量，實驗操作比較復雜。 師：紙帶與打點計時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

11、的準確值，是否可以通過其他力來平衡摩擦力？同學們還記得課前兩位同學參與的演示實驗嗎？剛剛介紹過的這個軌道具有怎樣的特點？在這種軌道中運動的小車受力〔合力〕情況如何？ 生：細線拉力就是合力了。 師：在實驗中具體如何操作？怎么判斷是否平衡好了摩擦力？ 生：小車不受拉力時做勻速運動，能夠打出均勻的點跡。 師：如果物體的質量改變了，是否需要重新平衡摩擦力？ 生：進行討論…… 師：可以結合學生討論的結果，板書畫出受力分析圖進行分析。 師：小車做加速運動，用細線連接的重物應該和小車一樣也做加速運動，那么細線上的拉力還等于重物的重力嗎？注意重物做的是加速運動，并不處于平衡狀態(tài)，因此拉力和重力是

12、有差異的。在實驗操作過程中滿足重物質量遠遠小于小車質量的前提下，可以近似認為拉力等于重力〔具體原因不作闡述〕。 【設計意圖】實驗設計是本節(jié)課的重難點，因此在設計中這個局部需要給予足夠的時間。本環(huán)節(jié)主要通過老師提問學生思考答復的方式進行[3-4]，只有在學生的認知水平上進行拓展、思考，才可以加深學生對實驗方案的認識，引導學生學會分析問題、解決問題，提高學生實驗探究的能力。在本環(huán)節(jié)中，通過探究加速度與力和質量的關系，鍛煉學生控制變量的邏輯思維能力;在對實驗方案的設計和優(yōu)化的過程中，學生通過構建連接體模型，進行受力分析，進而分析平衡摩擦力的妙處，在這個過程中形成模型構建的思維能力;分析探討實驗過程

13、中可能遇到的問題，開展學生科學的探究思維能力和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。 3.實驗數(shù)據的采集〔15min〕 板書：實驗數(shù)據采集 師：播放微視頻。課前錄制一個微視頻幫助同學們快速熟悉實驗操作〔微視頻需要強調反復平衡摩擦力、打點計時器的使用、細線平行軌道等細節(jié)〕。學生實驗操作過程中進行巡視，對薄弱小組進行指導。 學生以分小組、分類探究、然后再進行交流的方式完成實驗內容。將學生分成四人小組，一半小組探究質量一定加速度與力的關系，一半小組探究力一定加速度與質量的關系。每個小組的學生分工合作，可以由A同學完成實驗數(shù)據的采集，B同學進行數(shù)據的記錄，C、D兩位同學通過紙帶計算加速度。每組采集的數(shù)據先記錄于表1

14、或者表2中，再全組討論完成后續(xù)的數(shù)據處理。 【設計意圖】由于實驗中有許多操作細節(jié)和本卷須知，如果由老師在課堂講解，不僅費時而且可視性也不好，因此在上課前可以通過微課的錄制，幫助學生快速掌握實驗操作要領，不僅節(jié)約時間，可視性也好，學生易懂且方便操作。本環(huán)節(jié)主要通過小組分工合作交流的方式進行，不僅提高了學生的動手能力，更是提高了學生的團隊意識和合作精神，學生在探究過程中也能獲得成就感和自豪感。 4.實驗數(shù)據處理〔8min〕 板書：實驗數(shù)據處理 師：從獲得的數(shù)據可以大致看出，質量一定，力越大，加速度越大;力一定，質量越大，加速度越小。但是否說明加速度與力成正比，與質量成反比呢？實驗結果是否與

15、我們的猜測一致？怎樣才能直觀地反映加速度與力和質量的定量關系呢？ 生：需要作a-F圖像和a-M圖像。 師：請同學們在坐標紙上選擇適宜的標度進行描點作圖。 生：用圖像法進行數(shù)據處理。 師：投影儀展示學生的數(shù)據處理結果〔圖1、圖2曲線局部〕，指導學生分享處理數(shù)據的思路。 生：〔學生分享數(shù)據處理方式〕我們描好點后先觀察了數(shù)據分布特點，發(fā)現(xiàn)加速度與力的數(shù)據點在誤差允許范圍內根本上呈一條直線，所以用一條直線來進行擬合，而加速度與質量的數(shù)據點不在一條直線上，只能用平滑的曲線來擬合數(shù)據點的分布規(guī)律。 師：點評學生的數(shù)據處理思路。加速度與質量的關系圖示曲線就一定是成反比的關系嗎？ 生：不一定！

16、 師：數(shù)學上滿足曲線關系的有太多可能性，只有直線才能確定關系，能不能通過數(shù)學處理把加速度與質量的關系轉化成直線圖像呢？如果加速度與質量是成反比的，我們需要怎樣變換坐標的物理量才可以畫出直線圖像？ 生：〔討論〕轉換坐標，畫出a-1/M圖像〔圖2直線局部〕。 【設計意圖】在本環(huán)節(jié)我們采用的是較傳統(tǒng)的描點作圖法進行數(shù)據處理，需要學生學會觀察數(shù)據分布特點，分析并給出合理的圖像來擬合兩物理量的關系。雖然可能比較花時間，但是我們認為這種數(shù)據處理的方式比起用電腦Excel等軟件進行數(shù)據處理更有優(yōu)勢。分析數(shù)據是高中階段學生必備的一種能力，尤其化曲為直的思想可以提高學生的綜合分析能力。 5.實驗數(shù)據分析及

17、反思〔3min〕 板書：實驗數(shù)據分析及反思 師：剛剛的實驗數(shù)據處理中還是有一些誤差的，請同學們分析、思考誤差的來源，并討論有什么方法可以對實驗方案進行改進？ 生：〔思考、討論〕誤差來源：摩擦力的平衡不準確、沒有滿足重物質量遠遠小于小車質量、細線不平行軌道等等;方案改進：比方可以在氣墊導軌上進行實驗，并通過運動光電門測量小車運動速度來判斷是否平衡摩擦力，實驗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。 【設計意圖】從學生通過描點作圖獲得的a-F、a-1/M圖像中可以看到，雖然得到了與猜測符合的結論，說明之前的猜測是正確的，但是實驗中出現(xiàn)的誤差更值得研究，因此

18、本環(huán)節(jié)意圖在于引導學生尊重實驗事實，進行誤差分析。 7教學反思 在教學的實驗方案設計、數(shù)據處理及實驗反思環(huán)節(jié)中主要采用了老師提問、學生思考討論的教學模式進行，在實驗操作局部主要采用了學生小組分工合作的探究式教學模式，不僅調動了學生學習的積極性，還培養(yǎng)了學生的分工合作能力。在整個探究過程中經歷了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出猜測和假設、實驗方案設計、實驗數(shù)據采集、實驗數(shù)據處理分析、實驗反思等，提升了學生的科學探究能力。不過本課設計中時間相比照較緊張，需要老師和學生充分準備。比方，需要老師課前做好微課，學生對紙帶的處理要非常熟練。在反思環(huán)節(jié)，學生能夠想到的一些改進方案需要老師在?運動的描述?一章有所介紹。 在高中物理教學實踐中，老師要結合教學內容和學生實際，以物理核心素養(yǎng)為指導，靈活開展探究式教學，全面提升學生的科學素養(yǎng)。 參考文獻： 【1】林欽，陳峰，宋靜.關于核心素養(yǎng)導向的中學物理教學的思考[J].課程教材教法，2021，35〔12〕：90-95. 【2】鄒萬全，陳梅.關于物理核心素養(yǎng)形成的有效途徑思考[J].物理教學探討，2021，38〔4〕：30-36. 【3】鄭青岳.如何設置物理課堂教學中的問題[J].物理教師，2000，21〔8〕：38-40. 【4】徐立海.談物理課堂教學中問題設計的原理[J].物理教師，2021，34〔8〕：26-27.