核心素養導向下的高中物理教學設計

【教學背景】

以超重和失重為例，通過實驗設計和數據分析，幫助學生建立質量、引力和支持力之間的關系，同時鍛煉其科學思維和團隊協作能力。在核心素養的指導下，強調學生的實踐能力、創新能力以及將理論知識應用于實際問題的能力。本次教學旨在激發學生對物理學科的興趣，培養他們的實驗設計和數據分析能力，使其能夠更好地理解和掌握物理學的基本原理，并將這些知識運用于實際生活和學習中。

【教學目標】

學生將深入理解超重和失重的物理概念，具體包括對物體在不同引力場中質量的變化原因的理解，以及如何應用牛頓第二定律解釋這些現象。通過教學，學生將鞏固對質量、引力和支持力的關系的基礎，能夠靈活運用相關知識解決實際問題。

學生將通過實驗設計、數據收集和分析，培養實踐操作能力、科學思維和問題解決能力。實驗操作包括使用彈簧測力計等工具，學生運用數據分析軟件處理實驗數據，繪制關系圖，從而加深對實驗結果的理解，并得出科學的結論。

培養學生對科學的濃厚興趣和熱愛，通過實驗設計和操作體驗科學的探索過程，激發學生對物理學科的獨特興趣。此外，通過小組合作和討論，培養學生的團隊協作和溝通能力，讓他們在共同努力中體驗學科合作的樂趣。

【教學內容】

理論知識：

①超重和失重的概念。②質量、重力和支持力之間的關系。③牛頓第二定律的應用。

實驗內容：

①利用彈簧測力計測定物體的質量。②在不同引力場中測定物體的質量，分析超重和失重的原因。③通過實驗驗證牛頓第二定律。

【教學過程】

一、導入

為了激發學生學科興趣，教師可通過展示太空探測器在不同引力場中運動的視頻或圖片，引起學生對超重和失重的好奇心。

將班級學生分成4個大組，每個大組派出1個代表，輪番在事先準備好的體重計上向下蹲，提問：在下蹲的過程中你們有什么發現？

學生回答：體重計的示數先變小，后變大，再變小，當人靜止后，保持某一數值不變。

進一步提問：為什么體重計測量的“體重”一直發生變化，難道真的是我們的重量在變化嗎？造成這種現象的原因又是什么呢？——引入新課“超重和失重”。隨后，教師提出問題：在地球和其他星球上，物體的質量是否相同？引導學生思考這個問題的答案，并引入今天的學習主題。

二、理論知識講解與討論

（一）超重和失重的概念

超重和失重是在不同引力場中物體質量表現出來的兩種現象。首先，我們來介紹超重的概念。當物體在較大質量的天體表面，如地球上運動時，由于受到的引力增大，物體的真實質量似乎比其在地球表面的質量要大。這種現象被稱為超重。

以一個簡單的例子說明，假設一個質量為m的物體在地球表面的重力加速度為g，那么它在地球上受到的引力F可由公式F=mg計算。如果將同一物體移到另一天體，該天體的引力加速度為g′，那么在這個天體上，物體的超重力F′可用公式F′=mg′計算?？梢钥闯?，超重與物體所處的引力場有關。

接下來，我們轉向失重的概念。失重發生在物體離開引力場或受到的引力減小的情況下。例如，太空中的宇航員就會經歷失重狀態。在失重狀態下，物體的質量看似減小，因為受到的引力較小，所以物體相對于引力場的效應降低。

（二）牛頓第二定律的應用

牛頓第二定律是描述物體運動狀態變化的定律，可以用數學公式表示為F=ma，其中F為物體所受的凈外力，m為物體的質量，a為物體的加速度。在超重和失重的情境下，我們可以應用這一定律解釋物體在不同引力場中的行為。（PPT呈現牛頓第二定律的內容）

考慮一個物體在垂直方向上的運動，受到重力mg和支持力N的作用。在超重情況下，支持力小于重力，即Nmg，物體凈受力方向向上，導致物體產生向上的加速度。

通過應用牛頓第二定律的數學表達式，我們可以用具體的數值計算來說明超重和失重的原理。

三、實驗設計與操作

實驗的設計和操作是鞏固理論知識、培養實踐能力的重要環節。通過本實驗，學生將有機會親身體驗超重和失重的現象，同時鍛煉實驗設計、數據收集和分析的能力。

（一）實驗目的和步驟介紹

首先，教師明確實驗目的：驗證在不同引力場中物體的質量是否發生變化，進而應用牛頓第二定律解釋超重和失重現象。隨后，簡要介紹實驗步驟，確保學生對整個實驗過程有清晰的認識。

（二）小組合作設計實驗

學生分成小組，每組成員共同設計實驗方案。在實驗設計中，學生需要考慮以下幾個關鍵點：

1.如何測定物體的質量？可以使用彈簧測力計等工具。

2.在不同引力場中，如何測定物體的質量？需要設計在地球表面和另一個天體上（模擬失重狀態）的兩組實驗。

3.如何確保實驗的準確性和可重復性？注意實驗環境、儀器校準等方面的細節。

（三）實驗操作與數據收集

學生按照小組設計的方案進行實驗操作。首先，在地球表面測定物體的質量，記錄相關數據。接著，通過模擬失重狀態，測定物體在不同引力場中的質量，同樣記錄實驗數據。這一過程需要小組成員協作，確保實驗操作的流暢性和數據的準確性。

（四）數據分析和討論

學生在小組內討論實驗結果，分析超重和失重的原因，并試圖用數學公式解釋實驗數據。這一環節旨在培養學生對實驗結果的深入理解和科學推理的能力。教師可以通過提問引導學生思考，促進他們能透徹理解物理學概念。

通過這一實驗設計與操作的過程，學生將親身體驗理論知識在實際中的應用，培養實驗設計和數據分析的能力。同時，小組合作讓學生在團隊中分享思考和解決問題的經驗，提高團隊協作和溝通水平。在實驗操作中，教師要及時給予指導和反饋，確保學生能夠全面理解超重和失重的概念，并能運用牛頓第二定律解釋這些現象。

四、總結與歸納

（一）超重和失重的總結

超重和失重是物體在不同引力場中表現出的兩種現象。在地球表面，物體由于受到引力的作用，真實質量看似變得更大，這被稱為超重。相反，在失重狀態下，物體離開引力場或受到的引力減小，導致物體質量看似減小，即失重狀態。這兩種現象是牛頓力學中質量、引力和支持力相互作用的結果。

（二）實驗數據分析與歸納

通過實驗數據的分析，我們可以觀察到在不同引力場中物體的質量變化。在地球表面，物體受到較大的引力，支持力小于重力，導致物體產生向下的加速度，即超重狀態。相反，在失重狀態下，支持力大于重力，導致物體產生向上的加速度。這與牛頓第二定律的應用一致。

我們可以用公式F=ma來描述物體在不同引力場中的運動。在超重狀態下，F為物體的凈受力，m為物體的質量，a為加速度。而在失重狀態下，F的方向相反，即F=-ma，表示物體產生向上的加速度。

（三）思考與拓展

1.如何在太空探測器設計中應用這些概念？

2.超重和失重對人類在外太空的活動有哪些影響？

五、拓展延伸與作業

（一）撰寫科普文章

要求學生以超重和失重為主題，撰寫一篇科普文章。文章應包括對超重和失重的概念解釋、實驗過程的描述、實驗結果的分析和對科學背景的深入思考。這項作業能培養學生科學文獻撰寫的能力，提高其對所學知識的整合水平。

（二）設計物體質量變化模型

要求學生設計一個模型，模擬在不同引力場中物體的質量變化，可以使用各種材料，包括圖紙、彈簧、小球等。學生需要解釋模型的設計原理，并演示模型在不同引力場中的運動狀態。

【教學評價】

見文末表1。

【總結】

本教學設計以核心素養導向下的高中物理為基礎，以超重和失重為例展開，通過理論知識講解、實驗設計與操作、總結與歸納、拓展延伸與作業等環節，全面培養學生的實踐、思維和團隊協作能力。學生通過實驗深入理解超重和失重現象，同時應用牛頓第二定律解釋實驗結果。拓展延伸任務設計富有特色，如太空探測器設計、失重狀態下的影響等，旨在引導學生將所學知識應用于實際情境，并通過科普文章、物體質量變化模型設計等任務培養其創新思維。評價體系兼顧知識水平、實驗能力、團隊協作、創新思維等多個方面，旨在全面了解學生的學科水平及核心素養發展情況。通過教學，學生不僅能深刻理解物理學科，更能培養其實踐操作、團隊協作和創新思維等綜合素養，為未來學科學習和職業發展打下堅實的基礎。

作者簡介：馬小峰（1976—），男，漢族，甘肅蘭州人，本科，中學一級，研究方向：高中物理。