科教興國背景下以問題為導向的物理實驗課教學策略與設計
——以牛頓的運動第二定律為例

●馮 璐 牛 昱 吳云飛 張海豐

新的課程標準下的學科核心素養給出了中學學生在學習和掌握物理知識的過程中，按部就班地逐漸形成滿足并適應學生自身發展和社會發展的優秀品格和核心能力素養。從物理學科領域的學習中掌握和了解的有關物質、運動、相互作用、能量等的基本認識和基礎知識，在頭腦中將所有這些物理概念、規律、定理等進行提煉和升華。王家山對基于問題導向式的物理教學實踐進行了細致的探索研究，給出了相應的有效策略和措施；季萍等以“閉合電路歐姆定律”為例，詳細研究了問題導向下的中學物理教學的教學設計，給出了實施策略和實效性探索意見；張加慧以中學教學實例分析了高中實驗教學，同時進行了以問題為導向的高一物理實驗教學研究；周清同樣對基于問題導向的高中物理實驗創新設計進行了研究，給出了較為詳細的實驗方案；劉興以“自由落體運動”教學為例進行了以問題為導向的物理教學的研究。本文將基于科教興國背景下，針對中學物理教學中的教學方法進行討論，以牛頓第二定律為例，研究問題導向下的中學物理教學的成效性，將以問題為導向、任務為驅動、實驗探究為抓手，提升學生物理學科核心素養，采用“情景化”“自主化”“活動化”學習策略，探究如何在物理學習中提高學生核心素養。

一、基于物理核心素養的學科教學目標

（一）物理概念

一是明確加速度、速度、力的物理概念；二是知道速度是描述物體運動狀態的物理量，加速度則是體現物體速度變化快慢的物理量，同時其也是描述物體運動狀態改變快慢的物理量；三是力是改變物體運動狀態的原因，質量大的物體運動狀態不容易改變；四是通過實驗數據分析得出加速度與力、質量之間的關系，并總結出三者之間的定量關系。

（二）科學思維

一是探究加速度與質量、力的關系，對牛頓第二定律的公式進行推導，培養學生科學思維；二是運用牛頓第二定律解決實際問題，提高學生運用物理知識解決實際問題的能力。

（三）.科學探究

一是根據教材已有的實驗和教師的設計實驗，推導牛頓第二定律，在實驗中形成發現問題，提出假設，解決問題的能力；二是通過計算機或數學方法擬合數據，得到加速度與質量的a-m圖像、加速度與質量分之一的a-1/m的圖像、加速度與力a-F的圖像，并通過圖像得到函數關系式。

（四）科學態度與責任

一是通過實驗和推導來探究物理規律，強化探究意識，提高動手實踐能力；二是使學生知道物理來源于生活又高于生活，對生活實際中的物理知識充滿好奇心和求知欲。

二、任務分解

本節課教學分為6個任務：

任務1：質量、加速度、力的測量；

任務2：探究加速度與力、質量的關系；

任務3：得出a-m、a-1/m、a-F圖像；

任務4：得出牛頓第二定律表達式；

任務5：通過牛頓第二定律表達式得出力的單位以及應用；

任務6：牛頓第二定律的應用及反思。

三、教學活動

（一）質量、加速度、力的測量

問題情境：測量的物理量有三個：物體的質量、物體所受的作用力和物體運動的加速度。器材有天平、刻度尺、秒表、打點計時器。

學生實驗：根據實驗要求和器材，完成連接，研究什么物體，如何測量物體受到的力，如何測量該物體的加速度，設計實驗思路并確定實驗探究方案。

素養目標：正確運用實驗儀器然后進行連接，掌握實驗儀器的基本操作，得出實驗結果。

教學建議：

1.質量的測量：用天平測量質量，多次增加小車中砝碼的數量以此來改變小車的質量。

2.加速度的測量：（1）小車做初速度為0的勻加速直線運動，用刻度尺測量小車移動的位移x，并用秒表測量發生這段位移所用的時間t，得出加速度a=2x/t；（2）將打點計時器的紙帶連在小車上，放開小車，讓小車帶動紙帶運動，在紙帶上選取一點為起始點0，后面每5個點取一個計數點，分別用數字1，2，3…….標出這些計數點;測出各計數點到起始點0的距離x，記錄下來；計算兩相鄰計數點之間的位移△x，同時記錄對應的時間△t，以此來求出加速度。

3.力的測量：僅受一個力作用的物體幾乎不存在。一個單獨的力的作用效果與跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的。實驗中作用力F是物體所受的合力。

（二）探究加速度與力、質量的關系

問題情境：進行演示實驗，記錄數據，觀察分析加速度與質量的關系。

問題：加速度與力、加速度與質量是否都存在定量關系，如果存在關系又是什么樣的關系呢，實驗中又會運用到什么研究方法呢。

實驗：探究加速度與力、質量的關系時，用到阻力補償的物理方法。為了補償打點計時器對小車的阻力以及其他阻力，可以采用把木板的一端墊高的方法，改變木板的傾斜度，小車在不受牽引時，紙帶能在小車的帶動下沿木板勻速運動。將槽碼、小車、打點計時器、紙帶分別安裝好。為了使小車所受的拉力成倍的改變可以通過改變槽碼的個數，與此來處理紙帶上打出的點，得出加速度。在保持小車受的拉力不變時，想要改變小車的質量可以通過增減小車中的重物來改變。處理紙帶上打出的點來測量加速度。把加速度與力的關系設計表格，把測得的同一個小車在不同拉力F作用下的加速度a填在一個表中。把加速度與質量的關系設計表格，把測得的不同質量的小車在相同拉力作用下的加速度a填在另一個表中。

素養目標：根據得出的實驗數據，猜想加速度與力、質量的關系，學生之間進行分工，完成合作完成實驗，觀察實驗現象的同時記錄實驗數據。

結論：進行數據分析，得出加速度與力、質量的定量關系。

（三）得出a-m、a-1/m、a-F圖像

問題情境：根據實驗處理結果，進行分析，觀察加速度與力、質量的關系。

問題：加速度與質量成正比還是與質量分子一成正比，加速度與力的關系是正比還是反比，描述出的圖像是否為直線。

實驗：建立直角坐標系并以a為縱坐標，F為橫坐標，然會根據各組實驗數據在坐標紙上描點。結果如圖所示很難直觀看出圖線是否為雙曲線，如果a-m圖像是雙曲線，a與m成反比，也就是a與1/m成正比，作a-1/m圖像進行檢驗。如果檢驗的結果是過原點的曲線，就可以判斷加速度a與m是成反比的。

素養目標：克服困難完成數據分析與實驗繪制，根據已有的科學方案，結合所學知識，獲得數據并進行分析。能夠結合數學觀念，提出物理探究問題，并進行實驗探究，合理擬合加速度與質量、力的關系。能觀察數據特點，進行合理的分析，訓練科學思維能力，以及合理運用物理方法中的控制變量法。對實驗結果進行分析、交流和討論。

結論：通過實驗表明，小車的加速度a與它所受的作用力F成正比，與它的質量m成反比。通過大量的觀察和實驗都可以得出與上面實驗同樣的結論。

（四）得出牛頓第二定律及其表達式

問題情境：根據加速度與力、質量的關系得出牛頓第二定律及其表達式，并且明確了加速度的方向。

素養目標：根據實驗得出結果，進行分析、交流和討論。

結論：牛頓第二定律：物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比，跟它的質量成反比，加速度方向跟作用力方向相同。

表達式：F=kma

牛頓第二定律既闡述了力、質量、加速度三者之間的定量關系，又體現出加速度的方向與力的方向是一致的。

（五）通過牛頓第二定律表達式明確力的單位的來源。

問題情境：通過牛頓第二定律的表達式可以推出力的單位。

素養目標：在初中時已經學過，國際制單位中，力的單位是牛頓，但并沒有說明力單位的來源。通過牛頓第二定律的學習，便可以清晰知道牛頓單位的來源。

結論：k=1時，在某力的作用下質量為1kg的物體獲得了1m/s的加速度，力F=ma=1kg·m/s；如果我們把這個力叫作“一個單位”的力的話，力F的單位就是千克米每二次方秒，后人把它稱為牛頓，用符號N表示。

（六）牛頓第二定律的應用及反思

問題1：在水平路面上，進行開發測試的汽車質量為1000kg，當速度達到90km/h時便取消了動力，取消動力后汽車在50s時停了下來。因此汽車受到的阻力是多少？重新起步加速時牽引力為2000N,產生的加速度又是多少？汽車在測試過程中阻力并不發生變化。

問題2：這節課收獲了什么，又訓練了哪些技能，哪些內容還存疑，是否對存疑問題進行拓展研究。

素養目標：自主學習知識，然后解決實際問題并對問題進行交流分析。

教學建議：學生自主進行知識梳理：本節課進行了牛頓第二定律的推導，得到了牛頓第二定律的公式，并且進行實際問題的應用。

四、課后反思

通過連接實驗儀器，正確運用實驗儀器以及了解實驗儀器的基本操作，得出實驗結果，鍛煉學生的動手能力，提高學生對物理實驗的興趣。并且根據實驗數據積極猜想研究數據之間的關系，學生進行分工實驗，完成合作，觀察實驗現象的同時記錄實驗數據。讓學生在物理實驗中知道分工合作的重要性，提高學生的專注力，要時刻關注著實驗現象并記錄。學生克服困難并完成數據分析與實驗繪制，根據原有的方案，結合所學知識，獲得數據然后進行分析。

在物理問題中合理運用數學觀念，提出要探究的問題，然后對所提出的問題進行實驗探究，合理分析研究問題之間的關系。認真觀察實驗數據的特點，合理分析數據，鍛煉學生的科學思維并且恰到好處地運用物理方法，例如控制變量法。得出實驗結果后，對結果進行分析、交流以及討論。對于力的單位這個知識點，連接了初高中物理知識，使學生學會融會貫通。初高中物理并不是分離的，而是相互聯系的，初中所學物理知識是高中物理知識的基礎。在運用過程中，加深了對牛頓第二定律的理解，在解決實際問題中學生自主學習，出現問題時可以進行交流討論，得出結論。在過程中鍛煉了學生發現問題、解決問題以及交流合作的能力。

在“和諧高效、問題指向，任務驅動”的理念下進行本節課的學習，并在“問題引領”的形式下，發動學生思維，鍛煉學生動手實踐能力，分析解決實際問題的能力，實現了對學生物理學科核心素養的培育。