基于核心素養的教學設計

楊千方　梁旭

摘要：以核心素養為目標，通過任務分解、情境創設和問題設計，將“牛頓第二定律”的素養目標落實在具體的學習活動中，并就思維引導、教學活動方式提出了建議.

關鍵詞：核心素養；教學設計；牛頓第二定律；加速度

作者簡介：楊千方（1981-），男，安徽潛山人，本科，中學一級教師，研究方向：高中物理學科教學；

梁旭（1962-），男，浙江上虞人，本科，中學特級教師，浙江省高中物理教研員，研究方向：中學物理教學目標、方法和策略.

1任務分解

任務1：初步體會a與F、m關系.

任務2：牛頓第二定律的理解.

任務3：用牛頓第二定律解決簡單問題.

2教學活動

任務1：初步體會a與F、m關系.

問題情境：播放短視頻“F1賽車”如圖1所示，F1賽車車手要想贏得比賽，除了賽車手的技術高超外，賽車本身也是贏得比賽的關鍵.賽車設計師怎樣設計才能使賽車達到要求呢？問題如表1所示.

表1

問題問題指向的素養目標

1在探究加速度與力、質量的關系的實驗中，如果考慮到實驗有一定誤差，實驗能夠得到怎樣的結論？歸納得出物體的加速度跟它的質量及所受作用力之間的關系（科學探究）

2觀看F1賽車啟動視頻，你認為F1賽車的什么性能最重要？

3 要想使F1賽車啟動獲得較大的加速度，我們該如何設計汽車？為什么？能應用牛頓第二定律分析簡單的動力學問題（科學思維）

教學建議：

（1）思維引導建議：依據上節實驗數據得到的圖象如圖2、圖3所示，考慮到實驗數據具有一定的誤差.可以將圖象轉化為過原點的情形，得到當質量m一定時，物體的加速度a與物體所受作用力F成正比；當物體所受作用力F一定時，物體的加速度a與質量m成反比.

在總結結論之后，讓學生觀看視頻，體會設計賽車時要有大的加速度，一方面需要有強大動力的發動機，另一方面在保障安全的前提下減小質量.

（2）教學活動建議：問題1可以在學生獨立思考的基礎上，進行小組討論和回答；問題2和問題3可在學生獨立思考的基礎上讓學生回答，同學與教師補充完善.

任務2：牛頓第二定律的理解.

問題情境：如圖4所示的實驗裝置簡化為示意圖圖5，問題見表2所示.

表2

問題問題指向的素養目標

1 如圖5所示，小車受到幾個力的作用？此時F=kma中的F是什么含義？

2 如圖6所示，用一個力推物體，物體卻沒有產生加速度，為什么？要使物體產生加速度應該滿足什么條件？理解公式中的F是物體所受到的合力（物理觀念）

3 F=kma僅僅是數量關系式嗎？還有什么關系？如何表述？

4 如果小車所受的合外力發生變化，加速度的變化是瞬間發生的嗎？這說明F=kma是什么關系？

5F=kma這個式子中，是加速度決定了力，還是力決定了加速度？理解牛頓第二定律的因果性、矢量性、瞬時性（物理觀念）

6F=kma這個關系式能否更加簡潔一些呢？

7使用F=ma這個關系式時，對各物理量的單位有什么要求？

8除了1N的力約為1kg物體重力的十分之一外，我們現在對它還有怎樣的認識？知道牛頓第二定律的內容和數學表達式，知道采用國際單位制時k=1.知道力的國際單位是牛頓（N），理解1N的物理意義（物理觀念）

教學建議：

（1）思維引導建議： 牛頓第二定律是一個實驗定律，基于實驗總結得到的關系是一個數量關系，認識牛頓第二定律表達式中F的含義和表達式隱含的矢量性、瞬時性和因果性可以深化對運動和力關系的認識，是教學中應該加以重視的.通過系列問題引導，讓學生討論，可讓學生比較全面地認識牛頓第二定律的意義.

（2）教學活動建議：問題1至5可以讓學生獨立思考后回答，同學老師補充完善.問題6至8可以先讓學生獨立思考，然后引導學生閱讀教材后再回答.

任務3：用牛頓第二定律解決簡單問題.

問題情境：

（1）如圖7，中國航天員在太空（可相當于不受重力）中測量人體質量的短視頻.

（2）如圖8，某質量為1100kg的汽車在平直的路面上試車，當達到100km/h的速度時取消動力，經過70s停了下來.汽車受到的阻力是多少？重新起步加速時牽引力為2000N，產生的加速度是多少？假定試車過程中汽車受到的阻力不變.

（3）如圖9，牛頓第二定律實驗裝置中的砝碼盤及砝碼.問題見表3.

表3

問題問題指向的素養目標

1太空中常用的質量秤量工具都無法工作，怎樣才能測量航天員的質量？

2為什么測量質量時航天員需要運動一段距離？為什么航天員需要抱緊金屬桿？能應用牛頓第二定律分析、解決簡單的動力學問題（科學思維）

通過應用牛頓第二定律在太空測質量，讓學生深切感受到科學的魅力，激發學生學習物理的興趣（科學態度與責任）

3求解（3）中圖9問題時，選擇的研究對象是什么？

4受力分析的目的是什么？運動分析的目的是什么？

5如何解決力和加速度方向不同時的運算問題？掌握應用牛頓第二定律解決簡單動力學問題的基本思路和方法（科學思維）

6 輕質滑輪兩邊繩子上的拉力相等，實驗時繩子拉力等于砝碼盤及砝碼的重力嗎？

7實驗時有何要求？ 運用牛頓第二定律解釋實驗：能得出的實驗條件（科學思維）

教學建議：

（1）思維引導建議：完全失重狀態下天平、秤等無法工作的道理學生還不能理解，只能由教師直接給出.由F=ma，如果可以測量彈簧的彈力與物體運動的加速度，由F=ma，可以計算物體的質量.如果有學生指出真實測量時的作用力是彈簧的彈力，它是變力，根據牛頓運動定律的瞬時性，只要測出同一時刻的力與加速度，依然可以測得質量.只有運動才能測量加速度，抱緊的目的是讓人的加速度與金屬桿的加速度盡量相同.

應用牛頓第二定律解決問題涉及到受力分析、運動分析、規定正方向、結合運動學公式求解等，是綜合性很強的復雜任務，應該重視科學思維過程（思路）的形成和規范.

（2）教學活動建議：問題1、2是聯系實際的、背景比較復雜的問題，在學生獨立思考的基礎上進行小組討論，再進行交流.問題3至5可在學生回答的基礎上，由教師結合題目講解過程進行示范.問題6、7要求學生按照前面問題解決的思路和規范進行求解，教師選擇部分解答引導學生一起評析和完善.