基于核心素养的学生分组实验教学设计与思考 ①——以“实验：探究加速度与力、质量的关系”为例

周家盛

(江苏省武进高级中学，江苏 常州 213134)

学生分组实验是实践体验性最强的物理学习方式，一方面，它可以有效引导学生体验实验探究的过程，培养和发展学生的科学探究能力和解决实际问题的能力，使课堂更具物理特色、探究氛围更加浓厚；另一方面，学生分组实验的教学对教师的要求较高，教师不仅要设计好实验报告的框架，教给学生必要的实验知识，引导学生进行科学探究，而且要对学生在实验过程中可能产生的问题进行预判，把握好讲授、演示和学生实验时间的分配，更要将物理学科核心素养的培养贯穿于整堂实验课之中。笔者以“实验：探究加速度与力、质量的关系”为例，展示学生分组实验教学设计，交流教学心得。

1 教学案例分析

1.1 教材分析

教材分析是教师进行教学设计的基础，是教学目标实现、教育目的达成的前提和关键。教师要在教材分析的基础上，结合学生的实际情况，基于核心素养的培养要求，进行教学设计，首先要从核心素养的视角研究教材内容。

本节课是高一学生在学习完运动学、静力学后，进入动力学学习的第二节课，承接上一节“牛顿第一定律”，学生已经初步认识到物体运动状态的改变与力、质量的定性关系，在此基础上提出问题，引导学生通过实验探究加速度与力、质量的定量关系。从定性分析到定量研究的转变是高一学生学习物理的难点之一，因此，需要教师优化本节课的教学设计，逐步设置“思维台阶”，引导学生进行科学探究，提升他们的核心素养。

2019年人教版高中物理教材将本节课的内容分为实验思路、物理量的测量、进行实验和数据分析四个部分，中间穿插两个参考案例(阻力补偿法、位移比值法)和控制变量法的介绍。相较于2010年版教材，新教材在教学内容的编排上类似实验报告，更加注重实验探究的过程。

教师在进行备课时，可以沿着教科书的编写思路，站在学生的立场上斟酌思考，精心设计每个实验环节的引导方式和设问，预估学生在回答和操作中的问题，针对可能出现的情况构思好应对措施，为学生分组实验做好充足的准备。

1.2 学生分组实验教学设计

课题引入：播放中央电视台大型科学实验节目《加油！向未来》视频：8个小学生在30秒内用力拉动上百吨的磁悬浮列车，使之向前移动了4米左右(图1)，如4个小学生拉同一列车，情况会怎样？

图1

环节1：提出问题，初步建立物理观念

问题1：磁悬浮列车从静止到运动，做的是什么运动？

问题2：为什么磁悬浮列车会从静止开始运动？

问题3：磁悬浮列车没有受到轨道滑动摩擦力的作用，为什么小学生拉磁悬浮列车时会如此吃力？

设计思路：通过视频让学生进行猜想、思考，提出3个问题，直指加速度、力和质量，探讨这三者与运动状态改变的关系，让学生初步建立运动与相互作用这一物理观念，自然引出本节课的主题。

环节2：理清思路，建构物理模型

为了研究相同时间内8个小学生和4个小学生拉磁悬浮列车向前运动的距离关系，我们可以用图2所示的实验器材，让学生思考：怎样进行探究？

图2

师：如何测质量m、力F和加速度a？

师：小车受到的拉力等于槽码盘和槽码所受重力吗？为了减少拉力不等于重力这一因素的影响，槽码盘和槽码的质量要远小于小车质量。为了测量加速度，可用位移和时间来求加速度，这里用到了秒表，现在请同学们尝试用秒表测一测小车运动的时间。

学生通过预实验发现：小车运动得比较快，用秒表测量出来的时间误差比较大，不适合进行严谨的实验。思考讨论后提出方案：利用实验装置的上、下轨道进行对比实验，让两小车同时开始运动，运动相同的时间，那么小车的位移之比就等于加速度之比，即x1∶x2=a1∶a2。

设计思路：以各物理量的测量切入实验思路，每个同学都能对这个问题给出自己的回答，调动学生的积极性，进行思维“热身”，为后续有深度的思维活动做好铺垫。用学生预实验取代教师的讲授，让学生自己发现问题，再次思考、改进实验设计。通过动手实验，有利于学生建构实验装置模型、理解实验原理。

环节3：亲手实验，体验科学探究

师：在视频中小学生说：“这个磁悬浮，它没有轮子，没有摩擦力，和别的火车不一样”，那么在我们的实验中小车受不受摩擦力？小车受到的摩擦力会不会影响实验中测出的加速度？如何对实验装置进行改进，来“消除”摩擦力对实验的影响呢？

学生分组讨论，大部分学生能想到涂润滑油、使用气垫导轨等方式，少数学生细心观察到实验装置一侧的调节螺丝，提出可以调节轨道一端的高度，使小车被轻推一下后做匀速直线运动，这样，我们就把摩擦力“平衡”掉了。

学生进行分组实验，将实验数据实事求是地填入表格中，教师留意学生实验操作的规范性并进行指导。

设计思路：采用回顾情境、观察器材、学生讨论的方式引出“平衡摩擦力”这一重难点，整理上述环节师生共同探讨出来的实验步骤和过程设计，指导学生明确任务，分工合作，严谨、科学地进行实验探究。

环节4：总结反思，引导质疑创新

在学生进行分组实验后，教师选出几组同学展示实验数据，阐述探究的初步结论，与开始的猜想作比较。有些小组的实验误差比较大，让学生进行分组讨论与思考。教师将实验过程中拍摄的照片投屏，直观地显示注意事项：在平衡摩擦力时不要挂重物、绳子要经过滑轮挂重物、绳子要与轨道平行等，同时强调尊重事实的重要性，不能篡改原始数据来满足实验结论，而是通过多次实验，再次进行探究，分析实验设计和操作中存在的问题，进行质疑和优化。

教师还利用数字化实验系统进行演示，创新实验器材选用和实验设计，利用图像法和“化曲为直”的处理方法来分析实验数据，最终得出实验结论：加速度与力成正比，与质量成反比。

最后，回到课题引入环节视频所提出的问题，教师引导学生运用实验探究的结论进行解释。教师播放后续视频，印证了学生的解释，用实验验证了科学探究的结论。

设计思路：将实验过程中学生出现的问题和实验记录用手机拍摄下来，运用现代教学手段进行投屏展示，强调实验操作的规范性和严谨性。由学生分组实验到教师的演示实验，从传统到数字化实验手段，从粗略到精细，让学生亲身经历了科学探究过程，使学生养成认真严谨、实事求是的科学态度。

2 学生分组实验教学思考

笔者在经历了以上学生分组实验课的教学框架、情境问题和实验环节设计以及实际授课后，对在学生分组实验教学中培养学生的核心素养有以下几点心得。

2.1 选择实际情境设置问题，环环相扣助推科学探究

真实的情境有利于培养学生的观察、思维和应用能力，有利于学生养成良好的习惯、形成正确的价值观和世界观。在学生分组实验教学中教师创设真实情境，设置问题，避免了枯燥乏味的分析研究，通过实际问题一步步将学生引导到预设的科学探究流程中来。整个实验教学围绕实际情境，展开“提出问题——设计方案——进行实验——得出结论——解决问题”的科学探究过程，有利于培养学生理论联系实际的能力，养成勤学善思的习惯，增强自身的社会责任感。

2.2 变教师提醒为学生尝试，凸显学生本位

“老师强调一百遍，不如学生做一遍”，学生亲身经历实验问题的解决，比教师强调多遍注意事项的效果要好得多。根据“学习金字塔”理论，学生通过实践这种主动学习方式的知识留存率比听讲这种被动学习方式高70%。把课堂还给学生，培养学生独立思考与动手操作的能力，凸显学生本位，高效完成教学任务。

2.3 合理利用现代教学手段进行创新设计，提高实验效果

现代教学手段在物理课堂教学中应用广泛，数字化实验系统、Phyphox等在物理实验教学中的表现十分出色。合理利用现代教学手段，创新实验设计，将经典的物理实验数字化、微小的实验现象可视化，一方面有助于学生对实验流程的理解和实验现象的观察，达到更好的实验效果；另一方面可激发学生对现代科技的兴趣，逐渐形成投身科学研究、报效社会的内在动力。

3 结语

基于核心素养的培养要求，学生分组实验教学要围绕物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任进行精心设计，深入挖掘教材，选择生活情境，巧妙设计教学流程，让学生真学、真做、真探究，适当运用现代教育技术，提升实验效果，增加课堂趣味，将核心素养的培养落实在学生分组实验教学和探究过程之中。