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摘要：新课标要求学生通过实验探究加速度与力、质量的关系，强调让学生经历实验探究过程。牛顿第二定律是力学的核心规律，通过本节课的探究过程旨在培养学生的科学探究能力，加深对定律的理解。本文以“探究加速度与力、质量的关系”为例，对探究性实验教学中如何引导学生自主探究、合作交流做出思考。
关键词：教学设计 自主探究 高中物理
【中图分类号】G633.7
【课标要求】
（1）要求学生通过实验，探究加速度与力、质量的关系，强调让学生经历实验探究过程。
（2）通过实验探究和具体实例的分析，理解加速度与力、质量的关系。
（3）通过实验归纳，理解牛顿第二定律的内容，知道牛顿第二定律表达式的含义。
【学习者分析】
在学习这一内容之前，学生已经掌握了力、质量、加速度、惯性等概念；知道质量是惯性的量度、力是改变物体运动状态的原因，会分析物体的受力。会用气垫导轨与光电测时系统或打点计时器研究匀变速直线运动。
【学习任务分析】
经历一个过程，经历一次相当完整的科学探究过程；学习两种方法，控制变量法、图象法；培养三种能力，理解推理能力、实验设计和操作能力、数学方法解决物理问题能力。
牛顿第二定律是在实验基础上建立起来的重要规律，它是动力学的核心规律，也是学习其它动力学规律的基础。牛顿第二定律具体的、定量的回答了加速度和力、质量的关系，从而把物体的受力和物体的运动紧密联系起来。牛顿运动定律是力学的基石，是人类探索大自然的有效工具。"只有懂得了动力学的知识，才能根据物体所受的力确定物体的位置，速度变化的规律，才能够创造条件来控制物体的运动"（新教材语）
【教学目标】
1、知识与技能
（1）通过实验探究加速度和力、质量的关系，归纳总结牛顿第二定律。
（2）熟悉实验仪器的使用，提高实验设计和操作能力，数据处理分析能力。
（3）通过实验探究能发展学生观察品质、提高质疑能力、分析解决问题的能力、交流合作的能力。
2、过程与方法
（1）学生经历探究加速度、力、质量的关系的过程。
（2）通过提出问题，提出解决问题的方案到总结出规律，使学生初步体会到怎样做探究性实验；知道什么是控制变量法。
3、情感态度价值观
（1）通过实验探究，激发学生学习科学知识的欲望，要敢于面对问题和困难，并能体验到科学探究物理规律的乐趣。
（2）学生通过学习过程中成功的积极情感的体验，感受科学态度和科学精神
的教育。
【重点难点】
重点：引导学生探究加速度和力、质量间的关系的过程并总结牛顿第二定律。
难点：实验方案的设计和实验数据的处理是本节课教学的难点。
【设计思想】
学生的学习过程是一个“亚研究过程”， 物理教学过程应让学生不断尝试和体验对未知知识的探求。学习了前面两节（牛顿第一定律和物体运动状态的改变）之后，学生的心中普遍存在一个问题，既然力是改变物体运动状态的原因，那么力究竟如何改变物体的运动状态？力和物体的运动紧密联系，究竟有什么联系呢？物体的质量越大，惯性越大，物体的运动状态越难改变，这和物体的加速度又存在着联系。所以教学时应明确几点：物体运动状态改变的快慢与哪些因素有关？有关系的话，能否找到定量的关系？如何找出？需要用什么样的方法？通过这样的逻辑顺序，使学生真正从这次的探究中学会怎样做探究实验。
教师应时刻牢记学生是学习的主体，课堂教学的目的是学生学会知识，而不能还定位于教师传授。因而应让学生多渠道全方位的参与课堂教学。教师要尽量把讲课的内容让学生自己表述出来，这样学生易于接受和掌握。比如牛顿第二定律，很多学生往往简单的表述成F=ma。应该指出这种表达是不准确的。
本节课学生自主实验探究的活动较多，故采用学生分组实验模式进行课堂活动，以小组为单位进行教师引导下的科学探究，加强小组同学间的讨论与交流，师生间的相互反馈，培养学生合作学习的精神。课堂以问题和小组交流贯穿教学的始终，不断提出新问题，不断解决新问题，培养学生的逻辑思维能力。
【教学方法】
多媒体演示，教师指导，学生实验探究，讨论、交流学习成果。
【教学过程】
一、提出问题并引导学生猜想：
1.多媒体展示蹦极运动，同时提问
蹦极时人们的速度不断增大，根本原因是什么？
2.物体运动状态改变时产生加速度，那么产生的加速度跟哪些因素有关？它们之间的关系如何？
第一个问题根本原因是受到力的作用，應让学生仔细分析。
有外力的作用→物体运动状态改变→速度改变→有加速度产生
继续补充，力越大→运动状态改变越大→加速度越大
说明：这是本节课的第一个探究，关于影响加速度因素的探究。
第二个问题第一问学生的可能回答有：
（1）加速度可能和质量有关系，理由：用同样大小的力推质量不一样的物体，质量大的物体难以推动，质量小的容易推动.
（2）加速度可能和受力的大小有关系，理由：打乒乓球时用的力越大，乒乓球到对方台面用的时间越短，则加速度越大.（或者刚刚第一题的分析也能证明）
其他可能的答案有：加速度可能与物体的体积或密度有关，可能与物体的速度有关等等观点。出现之后应一一指出其观点的错误之处，让学生学会分析问题。
让学生从理论的角度加以分析有利于培养学生理论联系实际的能力，有利于培养学生的逻辑思维能力。 但是第二问如果不经过细致的思考，很难回答出来。
二、确定实验方法
顺势引入课题，我们已经知道了加速度和物体质量以及受力大小有关，那么接下来就深入探究它们三者之间的关系.
类比初中学过的探究电流电压和电阻三者关系时候所用的方法，引导学生回答应用控制变量法.
控制变量法：物理实验所用到的重要方法，保持一个或多个量不变，调整另一个或多个量改变，来探究这些量之间的关系。
请同学们先回忆初中我们如何研究电压、电流、电阻三者的关系，然后思考，用控制变量法来探究物体的加速度、质量和受力关系的基本步骤如何？
预测学生可能的回答如下：
需要分两步进行实验
（1）保持被研究物体的质量一定，改变其受力，从而得到受力和加速度之间的关系
（2）保持被研究物体的受力一定，改变其质量，从而得到质量和加速度之间的关系
最后综合两次的实验结果，进行归纳，就可以得到加速度和质量及受力三者之间的关系。
说明：控制变量法对于学生来说并不陌生，所以要求他们指出方法的基本思路不难，重要的是让学生在课堂中学会研究问题，通过对问题的深入思考，得到比较正确的思路，做到有理有据。
三、设计实验
教师引导学生设计实验方案。
让学生以小组为单位设计探究方案：
（1）怎么研究加速度和力的关系？实验方案可以怎么设计？
（2）怎么研究加速度和质量的关系？实验方案可以怎么设计？
（3）实验时需要测量什么物理量？怎样进行测量？需要那些实验器材？
在讲台上放置以下实验器材：小车、打点计时器、纸带、长木版、粗细线、小桶、砝码、钩码、刻度尺、天平、宽口文件夹、滑块等。
学生根据给定的器材设计实验方案，分小组讨論.讨论完毕， 选择较有代表性的方案在幻灯片处，全班交流并得出最后方案.
方案：
（1）以小车、长木版、粗细线、砝码、钩码、刻度尺、天平、宽口文件夹为实验器材，研究小车的运动，利用两小车位移之比就是加速度之比研究加速度与力和质量的关系。
（2）以小车、打点计时器、纸带、长木版、粗细线、小桶、砝码、钩码、刻度尺、天平为器材，研究小车运动。用天平测出小车的质量 ，测出小桶的质量 ，把小桶和小桶中砝码的总重力g当作小车受到的拉力F，从打点计时器打出的纸带上测出Δs， 由位移公式计算出小车的加速度a。
说明：上述两种方案都是可行的。但方案中小车受到的摩擦力较大，实验误差较大，因此就得想办法消除摩擦力的影响，那么如何消除摩擦力呢？平衡摩擦力的方法：将表面平整的材板的一端垫起，使小车所受重力沿斜面的分量 与摩擦阻力 相等，即 ，此时无论物体质量怎样变化，只要 成立，就一定存在 ，于是实现了化“变”为“不变”，这样小车所受的合外力就是细线对小车的拉力。当然实验中把小桶和小桶中砝码的总重力当作小车受到的拉力还必须满足一个条件，就是 （m为小车与钩码或滑块与钩码的总质量），为什么呢，把这个问题留给学生作为课后思考题。
四、实验探究
师生共同选择第二个方案进行实验，学生分组进行实验。在学生完成实验之前，用多媒体展示实验数据处理表格。
提示学生将实验所得结果填入表格。实验完毕，分析表格，初步得到结论a和F成正比，a和m成反比。
引导学生应用CAI课件，采用图象法处理实验数据（需要多组实验结果）。师生共同得到结论，a和F成正比，a和m成反比。
五、总结并得到结论
通过实验我们得到：物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比。 这就是牛顿第二定律。
六、教后记：
现在的中学课堂，更多的强调学生的自主学习，主动学习。这一点也是离不开教师的积极引导。而师生课堂里学生参与程度最高的该数实验教学。本教学设计也是注重学生的亲身体会，使学生充分参与进来，能有更深刻的体会，对知识的理解也更透彻。
关键词：教学设计 自主探究 高中物理
【中图分类号】G633.7
【课标要求】
（1）要求学生通过实验，探究加速度与力、质量的关系，强调让学生经历实验探究过程。
（2）通过实验探究和具体实例的分析，理解加速度与力、质量的关系。
（3）通过实验归纳，理解牛顿第二定律的内容，知道牛顿第二定律表达式的含义。
【学习者分析】
在学习这一内容之前，学生已经掌握了力、质量、加速度、惯性等概念；知道质量是惯性的量度、力是改变物体运动状态的原因，会分析物体的受力。会用气垫导轨与光电测时系统或打点计时器研究匀变速直线运动。
【学习任务分析】
经历一个过程，经历一次相当完整的科学探究过程；学习两种方法，控制变量法、图象法；培养三种能力，理解推理能力、实验设计和操作能力、数学方法解决物理问题能力。
牛顿第二定律是在实验基础上建立起来的重要规律，它是动力学的核心规律，也是学习其它动力学规律的基础。牛顿第二定律具体的、定量的回答了加速度和力、质量的关系，从而把物体的受力和物体的运动紧密联系起来。牛顿运动定律是力学的基石，是人类探索大自然的有效工具。"只有懂得了动力学的知识，才能根据物体所受的力确定物体的位置，速度变化的规律，才能够创造条件来控制物体的运动"（新教材语）
【教学目标】
1、知识与技能
（1）通过实验探究加速度和力、质量的关系，归纳总结牛顿第二定律。
（2）熟悉实验仪器的使用，提高实验设计和操作能力，数据处理分析能力。
（3）通过实验探究能发展学生观察品质、提高质疑能力、分析解决问题的能力、交流合作的能力。
2、过程与方法
（1）学生经历探究加速度、力、质量的关系的过程。
（2）通过提出问题，提出解决问题的方案到总结出规律，使学生初步体会到怎样做探究性实验；知道什么是控制变量法。
3、情感态度价值观
（1）通过实验探究，激发学生学习科学知识的欲望，要敢于面对问题和困难，并能体验到科学探究物理规律的乐趣。
（2）学生通过学习过程中成功的积极情感的体验，感受科学态度和科学精神
的教育。
【重点难点】
重点：引导学生探究加速度和力、质量间的关系的过程并总结牛顿第二定律。
难点：实验方案的设计和实验数据的处理是本节课教学的难点。
【设计思想】
学生的学习过程是一个“亚研究过程”， 物理教学过程应让学生不断尝试和体验对未知知识的探求。学习了前面两节（牛顿第一定律和物体运动状态的改变）之后，学生的心中普遍存在一个问题，既然力是改变物体运动状态的原因，那么力究竟如何改变物体的运动状态？力和物体的运动紧密联系，究竟有什么联系呢？物体的质量越大，惯性越大，物体的运动状态越难改变，这和物体的加速度又存在着联系。所以教学时应明确几点：物体运动状态改变的快慢与哪些因素有关？有关系的话，能否找到定量的关系？如何找出？需要用什么样的方法？通过这样的逻辑顺序，使学生真正从这次的探究中学会怎样做探究实验。
教师应时刻牢记学生是学习的主体，课堂教学的目的是学生学会知识，而不能还定位于教师传授。因而应让学生多渠道全方位的参与课堂教学。教师要尽量把讲课的内容让学生自己表述出来，这样学生易于接受和掌握。比如牛顿第二定律，很多学生往往简单的表述成F=ma。应该指出这种表达是不准确的。
本节课学生自主实验探究的活动较多，故采用学生分组实验模式进行课堂活动，以小组为单位进行教师引导下的科学探究，加强小组同学间的讨论与交流，师生间的相互反馈，培养学生合作学习的精神。课堂以问题和小组交流贯穿教学的始终，不断提出新问题，不断解决新问题，培养学生的逻辑思维能力。
【教学方法】
多媒体演示，教师指导，学生实验探究，讨论、交流学习成果。
【教学过程】
一、提出问题并引导学生猜想：
1.多媒体展示蹦极运动，同时提问
蹦极时人们的速度不断增大，根本原因是什么？
2.物体运动状态改变时产生加速度，那么产生的加速度跟哪些因素有关？它们之间的关系如何？
第一个问题根本原因是受到力的作用，應让学生仔细分析。
有外力的作用→物体运动状态改变→速度改变→有加速度产生
继续补充，力越大→运动状态改变越大→加速度越大
说明：这是本节课的第一个探究，关于影响加速度因素的探究。
第二个问题第一问学生的可能回答有：
（1）加速度可能和质量有关系，理由：用同样大小的力推质量不一样的物体，质量大的物体难以推动，质量小的容易推动.
（2）加速度可能和受力的大小有关系，理由：打乒乓球时用的力越大，乒乓球到对方台面用的时间越短，则加速度越大.（或者刚刚第一题的分析也能证明）
其他可能的答案有：加速度可能与物体的体积或密度有关，可能与物体的速度有关等等观点。出现之后应一一指出其观点的错误之处，让学生学会分析问题。
让学生从理论的角度加以分析有利于培养学生理论联系实际的能力，有利于培养学生的逻辑思维能力。 但是第二问如果不经过细致的思考，很难回答出来。
二、确定实验方法
顺势引入课题，我们已经知道了加速度和物体质量以及受力大小有关，那么接下来就深入探究它们三者之间的关系.
类比初中学过的探究电流电压和电阻三者关系时候所用的方法，引导学生回答应用控制变量法.
控制变量法：物理实验所用到的重要方法，保持一个或多个量不变，调整另一个或多个量改变，来探究这些量之间的关系。
请同学们先回忆初中我们如何研究电压、电流、电阻三者的关系，然后思考，用控制变量法来探究物体的加速度、质量和受力关系的基本步骤如何？
预测学生可能的回答如下：
需要分两步进行实验
（1）保持被研究物体的质量一定，改变其受力，从而得到受力和加速度之间的关系
（2）保持被研究物体的受力一定，改变其质量，从而得到质量和加速度之间的关系
最后综合两次的实验结果，进行归纳，就可以得到加速度和质量及受力三者之间的关系。
说明：控制变量法对于学生来说并不陌生，所以要求他们指出方法的基本思路不难，重要的是让学生在课堂中学会研究问题，通过对问题的深入思考，得到比较正确的思路，做到有理有据。
三、设计实验
教师引导学生设计实验方案。
让学生以小组为单位设计探究方案：
（1）怎么研究加速度和力的关系？实验方案可以怎么设计？
（2）怎么研究加速度和质量的关系？实验方案可以怎么设计？
（3）实验时需要测量什么物理量？怎样进行测量？需要那些实验器材？
在讲台上放置以下实验器材：小车、打点计时器、纸带、长木版、粗细线、小桶、砝码、钩码、刻度尺、天平、宽口文件夹、滑块等。
学生根据给定的器材设计实验方案，分小组讨論.讨论完毕， 选择较有代表性的方案在幻灯片处，全班交流并得出最后方案.
方案：
（1）以小车、长木版、粗细线、砝码、钩码、刻度尺、天平、宽口文件夹为实验器材，研究小车的运动，利用两小车位移之比就是加速度之比研究加速度与力和质量的关系。
（2）以小车、打点计时器、纸带、长木版、粗细线、小桶、砝码、钩码、刻度尺、天平为器材，研究小车运动。用天平测出小车的质量 ，测出小桶的质量 ，把小桶和小桶中砝码的总重力g当作小车受到的拉力F，从打点计时器打出的纸带上测出Δs， 由位移公式计算出小车的加速度a。
说明：上述两种方案都是可行的。但方案中小车受到的摩擦力较大，实验误差较大，因此就得想办法消除摩擦力的影响，那么如何消除摩擦力呢？平衡摩擦力的方法：将表面平整的材板的一端垫起，使小车所受重力沿斜面的分量 与摩擦阻力 相等，即 ，此时无论物体质量怎样变化，只要 成立，就一定存在 ，于是实现了化“变”为“不变”，这样小车所受的合外力就是细线对小车的拉力。当然实验中把小桶和小桶中砝码的总重力当作小车受到的拉力还必须满足一个条件，就是 （m为小车与钩码或滑块与钩码的总质量），为什么呢，把这个问题留给学生作为课后思考题。
四、实验探究
师生共同选择第二个方案进行实验，学生分组进行实验。在学生完成实验之前，用多媒体展示实验数据处理表格。
提示学生将实验所得结果填入表格。实验完毕，分析表格，初步得到结论a和F成正比，a和m成反比。
引导学生应用CAI课件，采用图象法处理实验数据（需要多组实验结果）。师生共同得到结论，a和F成正比，a和m成反比。
五、总结并得到结论
通过实验我们得到：物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比。 这就是牛顿第二定律。
六、教后记：
现在的中学课堂，更多的强调学生的自主学习，主动学习。这一点也是离不开教师的积极引导。而师生课堂里学生参与程度最高的该数实验教学。本教学设计也是注重学生的亲身体会，使学生充分参与进来，能有更深刻的体会，对知识的理解也更透彻。