多層次實驗導入式物理課堂教學案例開發及其啟示

摘 要：本文以“牛頓第二定律”實驗課為例子，介紹廣西南寧市普通高中物理課堂教學案例開發情況，并反思其對類似層次學校物理課堂教學案例開發的意義。

關鍵詞：物理;教學設計;案例教學

一、牛頓第二定律教學設計

（一）用定性實驗引入的方法導入新課。

1.簡單復習牛頓第一定律的內容，明確物體在不受力時的運動情況，提出問題：物體受外力后發生運動狀態的改變，這個變化過程是否可以做更仔細的研究呢？

2.做引入實驗：讓小車在滑軌上保持靜止，調節墊板高度，輕輕推動小車讓它可以做勻速運動。把細繩放在小車的左端，跨過定滑輪，右端掛一個鉤碼，小車做加速運動，也就產生了加速度。初步結論：拉力改變了小車的運動狀態，力是使物體產生加速度的原因。

3.對比實驗：在小車上加放四個鉤碼。小車的啟動明顯變慢，加速度會受到影響。初步結論：小車的加速度大小不僅與力有關，還與物體本身的質量有關。向學生提出思考的問題：加速度與力和物體的質量關系如何？這是我們本節要研究的問題，下面通過精細實驗進行定量研究。

通過進行定性的實驗，先讓學生建立基本的定性概念，物體運動狀態改變和物體的受力及其本身的質量有關，為后續的定量關系實驗打下基礎。以前在這個環節的教學中很多時候都是進行視頻引入，看上去學生表現比較熱鬧，但是終究不是實物實驗，對于幫助學生建立定性概念的效果較差，帶來后續實驗教學的過程比較突兀，在這個實驗環節要注意不要使實驗復雜化，不要引入定量概念，只需要說更大的力，更大的質量這樣的定性概念，及其結果即可[1]。更仔細的定量實驗在后續的新課教學中分層次引入，減緩學習的梯度。

（二）通過分組實驗探究進行新課教學，保證學生有足夠的發現和探索過程

1.試驗前進行實驗的理論分析，進一步鞏固概念，并利用希沃系統模擬實驗再次導入新課。

（1）學生自主活動：對運動的小車進行受力分析

利用希沃實驗系統做出小車在滑板上運動的模型，注意此時滑板是水平狀態。

物體受到重力、摩擦力、支持力和拉力的作用（提問學生）

提出實驗中摩擦力如何處理的問題讓學生思考。受力分析環節在實驗課教學中，這個環節在以往的教學中經常被忽視，不做詳細說明，也沒有進行明確的板書，學生容易在做實驗的最開始環節就對問題的情況產生模糊，盲目地進入到實驗操作中去，特別是對是否進行平衡摩擦力的問題不明確，通過在黑板仔細地受力分析，明確了操作的要點（通過改變滑板傾角平衡摩擦力）[2]。再次利用希沃實驗系統，進行電腦模擬實驗，強調試驗中進行摩擦力修正的必要性。改變滑板的傾斜角度，并利用系統模擬實驗設計出下車進行勻速運動狀態的實驗效果。（同時學生組裝儀器）

（2）師生討論改變小車的受力的方法，并利用希沃實驗系統進行模擬。

通過改變懸掛鉤碼的個數，提示學生：拉力和鉤碼的重力可以認為相等，但實際上有偏差，這個內容在后續課程中再學習。這個環節中涉及到一個比較復雜的系統誤差問題，在之前的教學中沒有進行主次處理，在這個環節用時過多，并且將問題復雜化，使得學生對實驗的可靠性和真實性有了懷疑，使得試驗效果大打折扣，在平行班教學中這個環節可以做完全不提及處理。

（3）師生討論如何測定加速度的大小

利用打點計時器，測出時間和運動位移，在初速度為零的情況下可以用a=2S/t2測定。提示學生：小車作初速度為0的勻加速直線運動，實驗中，保持小車的位移S不變，由S=1/2at2導出a=2S/t2，測出時間可以直接對比加速度的大小關系。這個環節其實是本節課的一個難點，學生對于將加速度和位移進行直接聯系是有疑問的，所以可以的話，可以在黑板上進行板書演算講解，而不是口頭告訴學生結果。在其他的課程開發案例中，對這個環節也進行過模擬表格數據對比處理，從之前課例開發的反饋情況看，學生對通過模擬表格數據的效果其實不好，更多作用是建立模糊的定量概念，這與這個環節要進行的精細定量實驗的目的相違和。

2.進行學生分組實驗，并進行小組展示。

把班級分組6—8人一個小組進行小組實驗

利用控制變量法，保持力f和質量m其中的一個不變，研究加速度a與另一個物理量間的關系。控制變量法從初中開始已經學習，學生已經有相當程度的掌握，此處可以一句話帶過，其他案例中分配大量時間進行的分析意義不大，但是要對分別如何控制變量，控制哪一個都要進行明確。分組實驗要對學生的操作步驟進行細化，分配組員的工作任務，不操作的組員要做測量，并要求輪換操作讓每位組員都有動手機會。

（1）保持質量m相同，測定加速度a與力f的關系。

試驗中通過改變鉤碼數量改變力f的大小，此時測定加速度與力的定量關系。

通過改變懸掛鉤碼的數量，開始先掛一個懸掛，到懸掛四個鉤碼，逐漸增加鉤碼數量。讓一部分學生將力f的數值記錄到課前準備設計好的表格中去，另一部分同學馬上用直尺測量紙帶上的點的距離，將推算的加速度的數值填寫到表格中去。

（2）保持力f相同，加速度a與質量m的關系。

試驗中通過改變放在小車上的鉤碼數量改變小車總重m的大小，在這個步驟之前要讓學生用天平測量每一輛小車的質量。此時測定加速度與質量的定量關系，通過改變放置鉤碼的數量，開始先放一個懸掛，到放四個鉤碼，逐漸增加鉤碼數量。讓一部分學生將質量m的數值記錄到課前準備設計好的表格中去，另一部分同學馬上用直尺測量紙帶上的點的距離，將推算的加速度的數值填寫到表格中去。

從歷次課例開發分析的反饋來看，進行學生實驗的關鍵點是時間的控制，學生由于學習能力水平的差異，對實驗內容、原理、器材使用能力的差異，造成了試驗中各個組之間的差異，一個小組內的差異，時間上太容易出現超時的情況，并且實驗效果的差異也比較大。要克服這些差異，需要細心做好課前工作，分配小組成員時要按照能力高低進行搭配，個別動手能力比較弱的同學可以在課前或者課中進行現場培訓，安排展示成果的同學也先行指定。經過比較仔細的課前準備，進行學生分組活動的實驗時間得到了控制，不會打亂其他教學環節。

3.引導學生分析實驗結果

（1）讓各個小組上講臺展示實驗結果，找到共同的規律。注意試驗中巡堂把實驗效果比較成功的小組的數據進行重點展示。

（2）分析數量關系：在m不變的情況下，加速度a和外力f基本成正比例關系;在拉力f不變的情況下，加速度a和質量m基本成反比例。

（3）分析方向關系：加速度a的方向和外力f的方向相同。

4.形成最終的結論

牛頓第二定律內容：（1）物體受到外力作用時會產生加速度;（2）加速度的大小與所受外力成正比，與物體的質量成反比;（3）加速度的方向與外力方向一致。

牛頓第二定律的意義：這個定律定量揭示了力與運動的關系，告訴學生可以理解為加速度a是結果，外力f是外因，質量m是內因，牛頓第二定律也稱作加速度定律。

導出公式：a=f/m 或者f合=ma（板書）

說明使用的要點：

力、質量、加速度是指同一物體，在同一時間這些都要采用國際單位。

公式中的力應該理解成合外力，即f合。

（三）進行知識歸納和拓展應用

讓學生通過一些生活中的實際例子，體會加速度a和外力f，質量m的關系（提問學生），做到學以致用，再次用生活化的實驗加強學生對于這個問題的認識。

讓每個小組自由選取適合的案例，自由展示并用他們自己選擇的例子說明牛頓第二定律。可以選擇的例子：

1.競速汽車為什么要安裝大馬力的發動機，更輕的碳纖維車身。大馬力發動機意味著力f大，碳纖維車身意味著質量m小，所以加速度大。

2.航天中，火箭必須獲得非常大的加速度，才能飛出大氣層。這么大的加速度，如何獲得，火箭需要攜帶大量燃料，所以殼體也很大。體積和重量都很大但是燃燒完畢的空殼體并沒用其他用處，按照牛頓第二定律質量m越大，加速度越小。為了解決質量對加速度的影響，科學家們想出了解決的辦法，就是把火箭做成分級的，每一級都有燃料，燃燒完一級就丟棄一級，這樣火箭就越飛越輕，速度也越來越快。

二、課堂教學案例開發的啟示

（一）實驗的細節問題，難度的選擇性處理問題

1.牛頓第二定律實驗作為一個要求定量研究的實驗，用鉤碼拉動小車，實際情況是由于系統做的是加速運動，拉力小于重力，搞清楚這個系統誤差的要求比較高，因為學生還沒有系統學習牛頓第二定律的問題的解題方法，對連接體問題也沒有學習，在這個地方不做淡化處理會增加學習學生學習的難度[3]。

2.關于平衡摩擦力，為什么要平衡摩擦力，平衡摩擦力的問題可以選擇讓學生探索，但是要控制好深度和時間，不要影響這節課的主體。

3.數據處理中關于加速度的求解過程，直接處理紙帶求出加速度的方法過于煩瑣，案例選擇了設定初速度為零，加速度和位移直接成正比例的方法，這對于減低實驗難度很有好處，所以這個可以作為選擇。如果學生的學習水平程度比較低，可以考慮用平均速度代替加速度的測量，這樣只需要直接測量總長度和時間即可對比加速度，這個方法在一般情況下不要全班同學都使用，可以在一些比較弱的小組中使用。

（二）實驗的技能培養問題

1.這個實驗對理論部分的要求包含了受力分析、運動分析、系統誤差分析和數據處理，對于高一年級的同學來說，學習統籌規劃一個物理課題對于提升學生的系統分析、統籌規劃問題的能力幫助很大，這節課對于學生重在能系統完成實驗內容，搞清楚次序，而不是要求學生能馬上有精確的結論和能力拓展。

2.實驗的操作技能部分

（1）第一平衡摩擦力的要求是讓小車可以在軌道上勻速滑行，但是小車一開始是沒有速度的，就算已經墊高一端平衡了摩擦力，小車也不會運動。在這個環節上，小車要以合適的力量推動，讓他獲得一個合適大小的初速度，這個操作的難度是有的，學生要把握這個力度是要摸索的，太快了就看不出平衡摩擦力的效果，太慢了小車的運動很遲緩，個別地方會停止，使得實驗無法驗證。

（2）第二個技能上的關鍵點是對紙帶的處理，對于一位第一次接觸打點機計時器的同學來說，通過打點記錄時間流逝是一個很新穎的體驗，對如何利用一張紙帶就進行速度甚至加速度的測量要細心指導。這個實驗之前已經做過類似的實驗，所以對這個方法實際上已經做了鋪墊，但是在操作上的幾個細節要再明確。一是第一個點的選擇，紙帶在一開始的時候運動不穩定，打下的點不能使用，二是對于明顯錯誤的點，屬于偶爾誤差要教會學生舍棄。教學實踐中，能很好地完成實驗并做出準確判斷的同學比例是有限的，要在課堂教學中善于判斷學生的完成度，并做好小組展示的準備。

（三）思維方法的培養問題。高中物理知識本身有一定的難度，學習過程和初中區別比較大，學生感覺比較枯燥，厭學的同學比例比較大，這和學生不能掌握正確的思維方式有關。教學過程不是簡單的知識傳授和方法點撥，而是尊重學生的主體地位，積極參與到教學探索活動中來。牛頓第二定律這一節課，最重要的一個點就是要學生自己發現加速度與外力和質量的定量關系，這個發現過程要進行充分醞釀和思維風暴，讓學生有獨立把他找出來的動力，并且要發揮團隊合作精神。遵循探究式思維，發現問題，提出解決方案，對方案進行定性驗證，量化研究方案，實驗研究發現規律，總結理論成果和經驗，反思研究中的問題。

（四）學習過程中的學生自我評價。這是一個在多次課程開發中都容易忽視的問題。學生的認知水平差異比較大，同一個研究過程和思維過程，對于不同的學生反饋是不一樣的。強調對于課堂的自我評價有時候比課堂教學更重要，參考其他案例的課程開發，很少有關注到學生自我評價的環節[4]。學生的自我評價可以用學習目標量化表來完成，根據課堂教學的內容引導學生進行反思，了解自己的學習目標完成情況，按照從無幫助到初步了解、初步理解意義，能運用、能遷移使用這幾個層次，衡量自己的學習反饋情況。

結束語

教師也可以根據學生的自我評價調整教學的難度和重難點，這個還可以在不同小組進行差異化教學實踐。

參考文獻

[1]何娟.美國物理課堂教學及其啟示：以“牛頓第二定律”為例[J].西部素質教育，2017（3）：23，228-229.

[2]李欣.基于探究式教學的高中物理牛頓第二定律教學案例設計[D].江西科技師范大學，2021.

[3]鄭志華.物理教學中學生系統思維能力的培養[J].理科考試研究，2013（18）：58-59.

[4]孔興隆.“牛頓第一定律”學習進階的教學設計[J].中學物理教學參考，2021（50）：20，36-39.

作者簡介：黃語宣（1975— ），男，壯族，廣西南寧人，廣西壯族自治區南寧市第四十一中學，中學教師，本科。研究方向：物理課程教學研究。