科教兴国背景下以问题为导向的物理实验课教学策略与设计——以牛顿的运动第二定律为例
时间：2022-11-05 19:20:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
●冯 璐 牛 昱 吴云飞 张海丰
新的课程标准下的学科核心素养给出了中学学生在学习和掌握物理知识的过程中，按部就班地逐渐形成满足并适应学生自身发展和社会发展的优秀品格和核心能力素养。从物理学科领域的学习中掌握和了解的有关物质、运动、相互作用、能量等的基本认识和基础知识，在头脑中将所有这些物理概念、规律、定理等进行提炼和升华。王家山对基于问题导向式的物理教学实践进行了细致的探索研究，给出了相应的有效策略和措施；
季萍等以“闭合电路欧姆定律”为例，详细研究了问题导向下的中学物理教学的教学设计，给出了实施策略和实效性探索意见；
张加慧以中学教学实例分析了高中实验教学，同时进行了以问题为导向的高一物理实验教学研究；
周清同样对基于问题导向的高中物理实验创新设计进行了研究，给出了较为详细的实验方案；
刘兴以“自由落体运动”教学为例进行了以问题为导向的物理教学的研究。本文将基于科教兴国背景下，针对中学物理教学中的教学方法进行讨论，以牛顿第二定律为例，研究问题导向下的中学物理教学的成效性，将以问题为导向、任务为驱动、实验探究为抓手，提升学生物理学科核心素养，采用“情景化”“自主化”“活动化”学习策略，探究如何在物理学习中提高学生核心素养。
（一）物理概念
一是明确加速度、速度、力的物理概念；
二是知道速度是描述物体运动状态的物理量，加速度则是体现物体速度变化快慢的物理量，同时其也是描述物体运动状态改变快慢的物理量；
三是力是改变物体运动状态的原因，质量大的物体运动状态不容易改变；
四是通过实验数据分析得出加速度与力、质量之间的关系，并总结出三者之间的定量关系。
（二）科学思维
一是探究加速度与质量、力的关系，对牛顿第二定律的公式进行推导，培养学生科学思维；
二是运用牛顿第二定律解决实际问题，提高学生运用物理知识解决实际问题的能力。
（三）.科学探究
一是根据教材已有的实验和教师的设计实验，推导牛顿第二定律，在实验中形成发现问题，提出假设，解决问题的能力；
二是通过计算机或数学方法拟合数据，得到加速度与质量的a-m图像、加速度与质量分之一的a-1/m的图像、加速度与力a-F的图像，并通过图像得到函数关系式。
（四）科学态度与责任
一是通过实验和推导来探究物理规律，强化探究意识，提高动手实践能力；
二是使学生知道物理来源于生活又高于生活，对生活实际中的物理知识充满好奇心和求知欲。
本节课教学分为6个任务：
任务1：质量、加速度、力的测量；
任务2：探究加速度与力、质量的关系；
任务3：得出a-m、a-1/m、a-F图像；
任务4：得出牛顿第二定律表达式；
任务5：通过牛顿第二定律表达式得出力的单位以及应用；
任务6：牛顿第二定律的应用及反思。
（一）质量、加速度、力的测量
问题情境：测量的物理量有三个：物体的质量、物体所受的作用力和物体运动的加速度。器材有天平、刻度尺、秒表、打点计时器。
学生实验：根据实验要求和器材，完成连接，研究什么物体，如何测量物体受到的力，如何测量该物体的加速度，设计实验思路并确定实验探究方案。
素养目标：正确运用实验仪器然后进行连接，掌握实验仪器的基本操作，得出实验结果。
教学建议：
1.质量的测量：用天平测量质量，多次增加小车中砝码的数量以此来改变小车的质量。
2.加速度的测量：（1）小车做初速度为0的匀加速直线运动，用刻度尺测量小车移动的位移x，并用秒表测量发生这段位移所用的时间t，得出加速度a=2x/t；
（2）将打点计时器的纸带连在小车上，放开小车，让小车带动纸带运动，在纸带上选取一点为起始点0，后面每5个点取一个计数点，分别用数字1，2，3…….标出这些计数点;测出各计数点到起始点0的距离x，记录下来；
计算两相邻计数点之间的位移△x，同时记录对应的时间△t，以此来求出加速度。
3.力的测量：仅受一个力作用的物体几乎不存在。一个单独的力的作用效果与跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的。实验中作用力F是物体所受的合力。
（二）探究加速度与力、质量的关系
问题情境：进行演示实验，记录数据，观察分析加速度与质量的关系。
问题：加速度与力、加速度与质量是否都存在定量关系，如果存在关系又是什么样的关系呢，实验中又会运用到什么研究方法呢。
实验：探究加速度与力、质量的关系时，用到阻力补偿的物理方法。为了补偿打点计时器对小车的阻力以及其他阻力，可以采用把木板的一端垫高的方法，改变木板的倾斜度，小车在不受牵引时，纸带能在小车的带动下沿木板匀速运动。将槽码、小车、打点计时器、纸带分别安装好。为了使小车所受的拉力成倍的改变可以通过改变槽码的个数，与此来处理纸带上打出的点，得出加速度。在保持小车受的拉力不变时，想要改变小车的质量可以通过增减小车中的重物来改变。处理纸带上打出的点来测量加速度。把加速度与力的关系设计表格，把测得的同一个小车在不同拉力F作用下的加速度a填在一个表中。把加速度与质量的关系设计表格，把测得的不同质量的小车在相同拉力作用下的加速度a填在另一个表中。
素养目标：根据得出的实验数据，猜想加速度与力、质量的关系，学生之间进行分工，完成合作完成实验，观察实验现象的同时记录实验数据。
结论：进行数据分析，得出加速度与力、质量的定量关系。
（三）得出a-m、a-1/m、a-F图像
问题情境：根据实验处理结果，进行分析，观察加速度与力、质量的关系。
问题：加速度与质量成正比还是与质量分子一成正比，加速度与力的关系是正比还是反比，描述出的图像是否为直线。
实验：建立直角坐标系并以a为纵坐标，F为横坐标，然会根据各组实验数据在坐标纸上描点。结果如图所示很难直观看出图线是否为双曲线，如果a-m图像是双曲线，a与m成反比，也就是a与1/m成正比，作a-1/m图像进行检验。如果检验的结果是过原点的曲线，就可以判断加速度a与m是成反比的。
素养目标：克服困难完成数据分析与实验绘制，根据已有的科学方案，结合所学知识，获得数据并进行分析。能够结合数学观念，提出物理探究问题，并进行实验探究，合理拟合加速度与质量、力的关系。能观察数据特点，进行合理的分析，训练科学思维能力，以及合理运用物理方法中的控制变量法。对实验结果进行分析、交流和讨论。
结论：通过实验表明，小车的加速度a与它所受的作用力F成正比，与它的质量m成反比。通过大量的观察和实验都可以得出与上面实验同样的结论。
（四）得出牛顿第二定律及其表达式
问题情境：根据加速度与力、质量的关系得出牛顿第二定律及其表达式，并且明确了加速度的方向。
素养目标：根据实验得出结果，进行分析、交流和讨论。
结论：牛顿第二定律：物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比，跟它的质量成反比，加速度方向跟作用力方向相同。
表达式：F=kma
牛顿第二定律既阐述了力、质量、加速度三者之间的定量关系，又体现出加速度的方向与力的方向是一致的。
（五）通过牛顿第二定律表达式明确力的单位的来源。
问题情境：通过牛顿第二定律的表达式可以推出力的单位。
素养目标：在初中时已经学过，国际制单位中，力的单位是牛顿，但并没有说明力单位的来源。通过牛顿第二定律的学习，便可以清晰知道牛顿单位的来源。
结论：k=1时，在某力的作用下质量为1kg的物体获得了1m/s的加速度，力F=ma=1kg·m/s；
如果我们把这个力叫作“一个单位”的力的话，力F的单位就是千克米每二次方秒，后人把它称为牛顿，用符号N表示。
（六）牛顿第二定律的应用及反思
问题1：在水平路面上，进行开发测试的汽车质量为1000kg，当速度达到90km/h时便取消了动力，取消动力后汽车在50s时停了下来。因此汽车受到的阻力是多少？重新起步加速时牵引力为2000N,产生的加速度又是多少？汽车在测试过程中阻力并不发生变化。
问题2：这节课收获了什么，又训练了哪些技能，哪些内容还存疑，是否对存疑问题进行拓展研究。
素养目标：自主学习知识，然后解决实际问题并对问题进行交流分析。
教学建议：学生自主进行知识梳理：本节课进行了牛顿第二定律的推导，得到了牛顿第二定律的公式，并且进行实际问题的应用。
通过连接实验仪器，正确运用实验仪器以及了解实验仪器的基本操作，得出实验结果，锻炼学生的动手能力，提高学生对物理实验的兴趣。并且根据实验数据积极猜想研究数据之间的关系，学生进行分工实验，完成合作，观察实验现象的同时记录实验数据。让学生在物理实验中知道分工合作的重要性，提高学生的专注力，要时刻关注着实验现象并记录。学生克服困难并完成数据分析与实验绘制，根据原有的方案，结合所学知识，获得数据然后进行分析。
在物理问题中合理运用数学观念，提出要探究的问题，然后对所提出的问题进行实验探究，合理分析研究问题之间的关系。认真观察实验数据的特点，合理分析数据，锻炼学生的科学思维并且恰到好处地运用物理方法，例如控制变量法。得出实验结果后，对结果进行分析、交流以及讨论。对于力的单位这个知识点，连接了初高中物理知识，使学生学会融会贯通。初高中物理并不是分离的，而是相互联系的，初中所学物理知识是高中物理知识的基础。在运用过程中，加深了对牛顿第二定律的理解，在解决实际问题中学生自主学习，出现问题时可以进行交流讨论，得出结论。在过程中锻炼了学生发现问题、解决问题以及交流合作的能力。
在“和谐高效、问题指向，任务驱动”的理念下进行本节课的学习，并在“问题引领”的形式下，发动学生思维，锻炼学生动手实践能力，分析解决实际问题的能力，实现了对学生物理学科核心素养的培育。
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