多层次实验导入式物理课堂教学案例开发及其启示

摘 要：本文以“牛顿第二定律”实验课为例子，介绍广西南宁市普通高中物理课堂教学案例开发情况，并反思其对类似层次学校物理课堂教学案例开发的意义。

关键词：物理;教学设计;案例教学

一、牛顿第二定律教学设计

（一）用定性实验引入的方法导入新课。

1.简单复习牛顿第一定律的内容，明确物体在不受力时的运动情况，提出问题：物体受外力后发生运动状态的改变，这个变化过程是否可以做更仔细的研究呢？

2.做引入实验：让小车在滑轨上保持静止，调节垫板高度，轻轻推动小车让它可以做匀速运动。把细绳放在小车的左端，跨过定滑轮，右端挂一个钩码，小车做加速运动，也就产生了加速度。初步结论：拉力改变了小车的运动状态，力是使物体产生加速度的原因。

3.对比实验：在小车上加放四个钩码。小车的启动明显变慢，加速度会受到影响。初步结论：小车的加速度大小不仅与力有关，还与物体本身的质量有关。向学生提出思考的问题：加速度与力和物体的质量关系如何？这是我们本节要研究的问题，下面通过精细实验进行定量研究。

通过进行定性的实验，先让学生建立基本的定性概念，物体运动状态改变和物体的受力及其本身的质量有关，为后续的定量关系实验打下基础。以前在这个环节的教学中很多时候都是进行视频引入，看上去学生表现比较热闹，但是终究不是实物实验，对于帮助学生建立定性概念的效果较差，带来后续实验教学的过程比较突兀，在这个实验环节要注意不要使实验复杂化，不要引入定量概念，只需要说更大的力，更大的质量这样的定性概念，及其结果即可[1]。更仔细的定量实验在后续的新课教学中分层次引入，减缓学习的梯度。

（二）通过分组实验探究进行新课教学，保证学生有足够的发现和探索过程

1.试验前进行实验的理论分析，进一步巩固概念，并利用希沃系统模拟实验再次导入新课。

（1）学生自主活动：对运动的小车进行受力分析

利用希沃实验系统做出小车在滑板上运动的模型，注意此时滑板是水平状态。

物体受到重力、摩擦力、支持力和拉力的作用（提问学生）

提出实验中摩擦力如何处理的问题让学生思考。受力分析环节在实验课教学中，这个环节在以往的教学中经常被忽视，不做详细说明，也没有进行明确的板书，学生容易在做实验的最开始环节就对问题的情况产生模糊，盲目地进入到实验操作中去，特别是对是否进行平衡摩擦力的问题不明确，通过在黑板仔细地受力分析，明确了操作的要点（通过改变滑板倾角平衡摩擦力）[2]。再次利用希沃实验系统，进行电脑模拟实验，强调试验中进行摩擦力修正的必要性。改变滑板的倾斜角度，并利用系统模拟实验设计出下车进行匀速运动状态的实验效果。（同时学生组装仪器）

（2）师生讨论改变小车的受力的方法，并利用希沃实验系统进行模拟。

通过改变悬挂钩码的个数，提示学生：拉力和钩码的重力可以认为相等，但实际上有偏差，这个内容在后续课程中再学习。这个环节中涉及到一个比较复杂的系统误差问题，在之前的教学中没有进行主次处理，在这个环节用时过多，并且将问题复杂化，使得学生对实验的可靠性和真实性有了怀疑，使得试验效果大打折扣，在平行班教学中这个环节可以做完全不提及处理。

（3）师生讨论如何测定加速度的大小

利用打点计时器，测出时间和运动位移，在初速度为零的情况下可以用a=2S/t2测定。提示学生：小车作初速度为0的匀加速直线运动，实验中，保持小车的位移S不变，由S=1/2at2导出a=2S/t2，测出时间可以直接对比加速度的大小关系。这个环节其实是本节课的一个难点，学生对于将加速度和位移進行直接联系是有疑问的，所以可以的话，可以在黑板上进行板书演算讲解，而不是口头告诉学生结果。在其他的课程开发案例中，对这个环节也进行过模拟表格数据对比处理，从之前课例开发的反馈情况看，学生对通过模拟表格数据的效果其实不好，更多作用是建立模糊的定量概念，这与这个环节要进行的精细定量实验的目的相违和。

2.进行学生分组实验，并进行小组展示。

把班级分组6—8人一个小组进行小组实验

利用控制变量法，保持力f和质量m其中的一个不变，研究加速度a与另一个物理量间的关系。控制变量法从初中开始已经学习，学生已经有相当程度的掌握，此处可以一句话带过，其他案例中分配大量时间进行的分析意义不大，但是要对分别如何控制变量，控制哪一个都要进行明确。分组实验要对学生的操作步骤进行细化，分配组员的工作任务，不操作的组员要做测量，并要求轮换操作让每位组员都有动手机会。

（1）保持质量m相同，测定加速度a与力f的关系。

试验中通过改变钩码数量改变力f的大小，此时测定加速度与力的定量关系。

通过改变悬挂钩码的数量，开始先挂一个悬挂，到悬挂四个钩码，逐渐增加钩码数量。让一部分学生将力f的数值记录到课前准备设计好的表格中去，另一部分同学马上用直尺测量纸带上的点的距离，将推算的加速度的数值填写到表格中去。

（2）保持力f相同，加速度a与质量m的关系。

试验中通过改变放在小车上的钩码数量改变小车总重m的大小，在这个步骤之前要让学生用天平测量每一辆小车的质量。此时测定加速度与质量的定量关系，通过改变放置钩码的数量，开始先放一个悬挂，到放四个钩码，逐渐增加钩码数量。让一部分学生将质量m的数值记录到课前准备设计好的表格中去，另一部分同学马上用直尺测量纸带上的点的距离，将推算的加速度的数值填写到表格中去。

从历次课例开发分析的反馈来看，进行学生实验的关键点是时间的控制，学生由于学习能力水平的差异，对实验内容、原理、器材使用能力的差异，造成了试验中各个组之间的差异，一个小组内的差异，时间上太容易出现超时的情况，并且实验效果的差异也比较大。要克服这些差异，需要细心做好课前工作，分配小组成员时要按照能力高低进行搭配，个别动手能力比较弱的同学可以在课前或者课中进行现场培训，安排展示成果的同学也先行指定。经过比较仔细的课前准备，进行学生分组活动的实验时间得到了控制，不会打乱其他教学环节。

3.引导学生分析实验结果

（1）让各个小组上讲台展示实验结果，找到共同的规律。注意试验中巡堂把实验效果比较成功的小组的数据进行重点展示。

（2）分析数量关系：在m不变的情况下，加速度a和外力f基本成正比例关系;在拉力f不变的情况下，加速度a和质量m基本成反比例。

（3）分析方向关系：加速度a的方向和外力f的方向相同。

4.形成最终的结论

牛顿第二定律内容：（1）物体受到外力作用时会产生加速度;（2）加速度的大小与所受外力成正比，与物体的质量成反比;（3）加速度的方向与外力方向一致。

牛顿第二定律的意义：这个定律定量揭示了力与运动的关系，告诉学生可以理解为加速度a是结果，外力f是外因，质量m是内因，牛顿第二定律也称作加速度定律。

导出公式：a=f/m 或者f合=ma（板书）

说明使用的要点：

力、质量、加速度是指同一物体，在同一时间这些都要采用国际单位。

公式中的力应该理解成合外力，即f合。

（三）进行知识归纳和拓展应用

让学生通过一些生活中的实际例子，体会加速度a和外力f，质量m的关系（提问学生），做到学以致用，再次用生活化的实验加强学生对于这个问题的认识。

让每个小组自由选取适合的案例，自由展示并用他们自己选择的例子说明牛顿第二定律。可以选择的例子：

1.竞速汽车为什么要安装大马力的发动机，更轻的碳纤维车身。大马力发动机意味着力f大，碳纤维车身意味着质量m小，所以加速度大。

2.航天中，火箭必须获得非常大的加速度，才能飞出大气层。这么大的加速度，如何获得，火箭需要携带大量燃料，所以壳体也很大。体积和重量都很大但是燃烧完毕的空壳体并没用其他用处，按照牛顿第二定律质量m越大，加速度越小。为了解决质量对加速度的影响，科学家们想出了解决的办法，就是把火箭做成分级的，每一级都有燃料，燃烧完一级就丢弃一级，这样火箭就越飞越轻，速度也越来越快。

二、课堂教学案例开发的启示

（一）实验的细节问题，难度的选择性处理问题

1.牛顿第二定律实验作为一个要求定量研究的实验，用钩码拉动小车，实际情况是由于系统做的是加速运动，拉力小于重力，搞清楚这个系统误差的要求比较高，因为学生还没有系统学习牛顿第二定律的问题的解题方法，对连接体问题也没有学习，在这个地方不做淡化处理会增加学习学生学习的难度[3]。

2.关于平衡摩擦力，为什么要平衡摩擦力，平衡摩擦力的问题可以选择让学生探索，但是要控制好深度和时间，不要影响这节课的主体。

3.数据处理中关于加速度的求解过程，直接处理纸带求出加速度的方法过于烦琐，案例选择了设定初速度为零，加速度和位移直接成正比例的方法，这对于减低实验难度很有好处，所以这个可以作为选择。如果学生的学习水平程度比较低，可以考虑用平均速度代替加速度的测量，这样只需要直接测量总长度和时间即可对比加速度，这个方法在一般情况下不要全班同学都使用，可以在一些比较弱的小组中使用。

（二）实验的技能培养问题

1.这个实验对理论部分的要求包含了受力分析、运动分析、系统误差分析和数据处理，对于高一年级的同学来说，学习统筹规划一个物理课题对于提升学生的系统分析、统筹规划问题的能力帮助很大，这节课对于学生重在能系统完成实验内容，搞清楚次序，而不是要求学生能马上有精确的结论和能力拓展。

2.实验的操作技能部分

（1）第一平衡摩擦力的要求是让小车可以在轨道上匀速滑行，但是小车一开始是没有速度的，就算已经垫高一端平衡了摩擦力，小车也不会运动。在这个环节上，小车要以合适的力量推动，让他获得一个合适大小的初速度，这个操作的难度是有的，学生要把握这个力度是要摸索的，太快了就看不出平衡摩擦力的效果，太慢了小车的运动很迟缓，个别地方会停止，使得实验无法验证。

（2）第二个技能上的关键点是对纸带的处理，对于一位第一次接触打点机计时器的同学来说，通过打点记录时间流逝是一个很新颖的体验，对如何利用一张纸带就进行速度甚至加速度的测量要细心指导。这个实验之前已经做过类似的实验，所以对这个方法实际上已经做了铺垫，但是在操作上的几个细节要再明确。一是第一个点的选择，纸带在一开始的时候运动不稳定，打下的点不能使用，二是对于明显错误的点，属于偶尔误差要教会学生舍弃。教学实践中，能很好地完成实验并做出准确判断的同学比例是有限的，要在课堂教学中善于判断学生的完成度，并做好小组展示的准备。

（三）思维方法的培养问题。高中物理知识本身有一定的难度，学习过程和初中区别比较大，学生感觉比较枯燥，厌学的同学比例比较大，这和学生不能掌握正确的思维方式有关。教学过程不是简单的知识传授和方法点拨，而是尊重学生的主体地位，积极参与到教学探索活动中来。牛顿第二定律这一节课，最重要的一个点就是要学生自己发现加速度与外力和质量的定量关系，这个发现过程要进行充分酝酿和思维风暴，让学生有独立把他找出来的动力，并且要发挥团队合作精神。遵循探究式思维，发现问题，提出解决方案，对方案進行定性验证，量化研究方案，实验研究发现规律，总结理论成果和经验，反思研究中的问题。

（四）学习过程中的学生自我评价。这是一个在多次课程开发中都容易忽视的问题。学生的认知水平差异比较大，同一个研究过程和思维过程，对于不同的学生反馈是不一样的。强调对于课堂的自我评价有时候比课堂教学更重要，参考其他案例的课程开发，很少有关注到学生自我评价的环节[4]。学生的自我评价可以用学习目标量化表来完成，根据课堂教学的内容引导学生进行反思，了解自己的学习目标完成情况，按照从无帮助到初步了解、初步理解意义，能运用、能迁移使用这几个层次，衡量自己的学习反馈情况。

结束语

教师也可以根据学生的自我评价调整教学的难度和重难点，这个还可以在不同小组进行差异化教学实践。

参考文献

[1]何娟.美国物理课堂教学及其启示：以“牛顿第二定律”为例[J].西部素质教育，2017（3）：23，228-229.

[2]李欣.基于探究式教学的高中物理牛顿第二定律教学案例设计[D].江西科技师范大学，2021.

[3]郑志华.物理教学中学生系统思维能力的培养[J].理科考试研究，2013（18）：58-59.

[4]孔兴隆.“牛顿第一定律”学习进阶的教学设计[J].中学物理教学参考，2021（50）：20，36-39.

作者简介：黄语宣（1975— ），男，壮族，广西南宁人，广西壮族自治区南宁市第四十一中学，中学教师，本科。研究方向：物理课程教学研究。