基于核心素养的高中物理实验教学设计案例

一、“力的分解”演示实验教学设计

（一）“力的分解”内容分析

“力的分解”选自人教版高中物理必修1第三章第五节。在本节课之前，学生已经学过重力、弹力、摩擦力和力的合成等方面的知识，学生初步掌握了合力和分力的等效替代方法，并通过力的图示法认识到力的合成遵循平行四边形定则。本课的内容为位移、速度和加速度等矢量的分解以及牛顿第二定律的应用奠定了基础，进一步加强和巩固了“平行四边形定则”。因此，“力的分解”的教学内容是整个力学知识系统的核心之一，是新旧知识之间的纽带，具有基础性和预备性的功能。

在本节课的教学过程中，笔者先和学生进行一个趣味的小实验，激发学生的学习兴趣，启发学生科学思维，引入本节课的核心知识，培养学生的物理观念。在教学中设置的四个演示实验，层层推进，对于学生的要求逐渐提高，培养学生的实验探究素养。实验中力求使用贴近生活的实验器材完成实验设计的目标，将实验的现象用直观的方式展示出来，帮助学生建构力的分解物理模型，培养学生严谨认真的科学品质。

（二）学生学习“力的分解”前的学情分析

从学生主体性方面来看，高一学生的思维比较活跃，善于思考，对物理实验有着浓厚的兴趣。但他们的抽象思维刚刚起步，对于建立力的分解等实验模型还存在一定的困难。从知识构建的角度看，学生在此之前已经学习了重力、弹力、摩擦力及力的合成等内容，已初步掌握了合力与分力的等效替代方法。高一学生具备观察分析实验现象的能力，以及一定的科学探究能力。高一学生虽然对知识充满渴望，但是他们的思维具有一定的单一性和定式性，抽象思维尚处于起步阶段，因此在学习本节课内容的时候还是会有一定的畏难心理。

（三）实验教学设计过程

1.教学目标

（1）核心知识

①理解力的分解与力的合成是力的等效替代关系，满足力的平行四边形定则。

②会做力的分解图和计算分力大小。

③掌握按力的效果进行力的分解的方法。

（2）核心能力

①通过演示实验，培养学生的观察能力。

②通过学生探究实验，培养学生的动手操作能力以及实验探究能力。

③通过对力的计算，培养学生运用数学工具解决物理问题的能力。

（3）核心思维

①将力的分解现象显性直观化，培养学生建构力的分解物理模型的能力。

②在实验探究分析的过程中，培养学生科学设计的思维。

③通过力的合成和分解，培养学生“等效替代”的思想。

（4）核心态度

①用生活常见的物品作为实验器材进行探究，培养学生“STSE”理念。

②师生共同进行实验探究，鼓励学生参与探究课堂提高对物理课堂的热爱度。

2.教学重难点

（1）重点

掌握力的分解方法以及会进行分力的计算。

（2）难点

能根据力的作用效果进行力的分解，掌握力的分解方法。

3.教学过程

（1）演示实验引入，引起学生的好奇心，激发兴趣

师生活动：四两拨千斤。

师：现在我请两个男同学上来模拟拔河进入相持阶段，握紧绳子两端用力拉，我现在要用两个手指拉动两个男生，你们觉得有可能吗？

学生进行激烈讨论，有的学生觉得可能，有的觉得不可能。

教师用两根手指在绳子中间一拉。

学生发现两个男生被教师拉动了。

师：我为什么能做到“四两拨千斤”呢？

学生进行讨论。

设计意图：在课题引入时，教师首先创设了“四两拨千斤”的实验情景。“四两拨千斤”的演示实验结果与学生的日常认知产生了一定的冲突，可以很好地激发学生的学习兴趣，启发学生的科学思维，引导学生进行进一步的学习与探究，培养学生的科学态度与责任素养。生动实验情景的创设也很好地激发了学生的思维能力，培养学生的科学思维素养。同时，通过应用这个小的演示实验，引入了本节课的核心知识“力的分解”，为之后的实验探究奠定基础。

（2）新课教学

①回顾前节内容

师：在新课之前，请我们先回顾一下前节内容，什么是力的合成？力的合成遵循什么原则？

生1：力的合成是指用合力代替分力的作用效果。力的合成遵循等效替代原则，数学上遵守平行四边形定则。

②力的分解概念讲解

师：求一个已知力的分解叫作“力的分解”。

师：我们知道了力的分解的概念，那给你一个力如何来进行力的分解呢？

③演示实验一：探究水平面斜向上拉力的分解

师：接下来我们要探究如何对水平面斜向上的拉力进行分解，请大家观察下面这张图片（展示图片4-1，并引导学生回忆拉皮箱的过程）。

图4-1人拉杆箱

学生仔细观察思考。

师：请大家思考：水平面斜向上的拉力会有怎样的作用效果呢？

学生进行思考，给出自己的猜想：水平方向拉物体，竖直方向提物体。

师：大家的猜想很好，很多同学是根据自身的体会而进行了大胆的猜测，在科学探究过程中，我们发现了问题，进行合理猜想后便要进行最重要的一步，即实验验证。下面我们要用实验进行验证，看看同学们的猜想是否正确。

教师展示实验器材：台秤、弹簧测力计、木块、铁架台、钩码。

师：大家不妨小组之间相互讨论一下，假如给你这些实验器材，你会设计什么样的实验装置来进行实验探究呢？

学生进行积极讨论，在纸上画出实验装置图。

教师时刻观察学生的装置设计，并进行点评，结合学生给出的实验装置设计展示出本次探究要采用的实验装置。

学生仔细观察实验装置，并与自己设计的实验装置进行对比，找出不足之处。

师：现在我在滑轮一端系上一个钩码，请大家注意观察，当拉力施加作用后，弹簧秤和电子秤示数出现了什么样的变化。

学生仔细观察后发现，当拉力施加后，电子秤的示数变小，弹簧秤的示数变大。

师：很好，大家观察到电子秤示数变小，弹簧秤示数变大。这种现象又说明了什么呢？

生2：拉力的作用效果可以分解为竖直向上的拉力作用效果和水平方向向前拉力的作用效果。

师：所以，我们可以将拉力分解为哪两个方向？

生3：水平方向和竖直方向。

师：很好，通过刚刚演示实验的探究，大家已经判断出斜向上拉力在进行力的分解时可以分解为水平方向和竖直方向。下面请大家根据选择的方向，再用平行四边形定则画出这两个分力。

学生画力的分解图。

教师根据学生画的力的分解图进行详细地讲解。

设计意图：根据力的作用效果进行力的分解是需要学生掌握的一种方法。若教师采用直接讲解的方式，学生难免会觉得太过抽象、难以理解。笔者采用演示实验的方式，将抽象的力的分解概念化为台秤和弹簧秤示数的直观变化，帮助学生建立斜向上拉力分解的物理模型，培养学生科学思维素养中模型建构的能力。实验教学设计中，笔者应用了递进设置实验问题启发学生思维开关的教学策略，一系列层层递进的问题让学生的思维时刻跟随教师，时刻启发他们的研究思路。同时，在演示实验过程中，笔者注重显性展示科学猜想、验证的过程，培养学生的实验探究素养。

④演示实验二：研究斜面上物体重力的分解

师：我们刚刚探究了斜向上拉力的分解，现在我们一起来探究斜面上物体重力的分解方法。请大家观察图4-2，我们每个人都滑过滑梯，大家回想一下在滑滑梯的过程中，你们的重力在滑梯这个斜面上有什么样的作用效果。

图4-2儿童滑梯

学生回忆滑滑梯情景，进行大胆的猜想：

a.使物体沿斜面向下

b.垂直斜面向下压力

c.竖直向下的压力

师：很好，接下来我们还是用一个演示实验来验证大家的猜想哪些是正确的。

师：下面我要展示的实验装置，同学们也可以用自己身边的物品进行搭建，我的实验装置是应用一个三角支架、一个软板、小车和橡皮筋构成。我将三角支架和木板搭建成斜面，将橡皮筋连接木块一端固定在三角支架上。将木块放在软板上，等木块达到静止的状态。

师：请大家开动自己的脑筋想一下，如何用你身边的物体搭建一个和我的装置相似的实验装置来探究重力的作用效果。

根据教师给出的实验装置，学生使用自己的直尺、书本、橡皮筋、铅笔盒等搭建出实验装置。

教师观察学生搭建的实验装置，进行调整与点评。

师：我看到大家都搭建出了实验装置，下面就请大家和我一起来探究斜面上重力的分解。

师：现在我将小车放在我的软板上，同时请大家将自己的铅笔盒放在直尺上。请大家仔细观察软板和橡皮筋有什么样的变化。

生4：软板被压弯了，橡皮筋拉长了。

师：很好，这些现象说明了什么呢？

生5：斜面上的软板被压弯了，说明重力有垂直斜面下压的作用效果。橡皮筋被拉长，说明有使物体下滑的作用效果。

师：说明重力该如何分解？

生6：重力可以沿垂直于斜面和沿斜面方向分解。

师：很好，大家通过自己搭建的实验装置分析实验现象，一步步分析出斜面上重力的分解方向。下面请大家做出斜面上重力的分解图。

学生绘制力的分解图。

教师根据学生做的力的分解图进行详细的讲解。

设计意图：本环节探究斜面上重力的分解，笔者应用了创设生动情境启发学生思维的策略。设置滑滑梯的生活情景，在学生回忆滑滑梯感受的同时启发学生重力分解的方法。同样，笔者依旧采用了直观展现实验现象助建物理模型的教学策略，通过物理实验，帮助学生建构斜面重力分解的物理模型，培养学生的科学思维素养。此外，实验教学过程中应用了建构师生共同实验模式，培养学生实验探究素养的教学策略。教师和学生共同搭建实验装置，共同进行实验探究，锻炼学生实验探究的能力，培养学生实验探究素养。最后，在学生实验器材选择上，笔者主张学生用身边常见的物体直尺、铅笔盒等，渗透“STSE”教学理念，让学生体会物理与生活紧密相连，培养学生的科学态度与责任素养。

二、“重心”课后活动实验教学设计

（一）设计理念(www.xing528.com)

物理核心素养提出，学生应具备一定的创新能力和实践能力去探索物理知识与规律。物理课后实验是指教师选择贴近学生生活的有趣的实验课题供学生进行探究。趣味性、多样性的实验情景的设置，会激发学生的学习热情，增加学生对物理的喜爱与好奇程度，更大限度地挖掘学生多方面的潜能，培养学生的核心态度与责任素养。在学生前期活动准备期间，可以采用小组合作分工的方式，通过多种渠道进行资料的收集，目的是培养学生的团队精神、观察和收集信息的能力。同时，在学生完成实验探究的过程中，学生通过小组合作的方式，发现问题、进行思考，得出实验方案，并进行实验操作，培养学生实验探究素养和与人合作的意识，并促使其创造性地解决问题。同时，学生感受到实验的成功，增强自身信心，提高对物理学习的兴趣。

（二）活动对象

高一年级学生。

（三）活动地点

实验室。

（四）活动目的

1.核心知识

（1）知道重心的含义，会确定物体的重心。

（2）知道物体的稳定条件。

2.核心能力

（1）通过课后活动实验，培养学生的动手实验能力。

（2）引导学生在小组合作动手实验的操作过程中探究问题，学会解决问题，激发实践能力和创新能力。

3.核心思维

通过多种演示方式，在问题情境中，促进学生的学习热情，培养学生的实验设计思维与创新思维。

4.核心态度

（1）通过活动课前的准备，培养学生的团队合作精神，观察和收集信息的能力。

（2）在活动中打开学生的思维，锻炼学生的表达能力、指导能力，体验成功的喜悦，激发学习动力。

（3）通过物理联系生活，渗透“STSE”理念，培养科学品质。

（五）活动重点

（1）知道物体稳定的条件。

（2）能完成实验探究的过程并进行阐述。

（六）活动难点

（1）动手能完成实验。

（2）完成探究实验的多种方法，培养创造性。

（七）布置活动任务

学生在学习了重力的实验内容后，笔者设置一个趣味课后活动实验，请学生分小组在课后探究生活中物体的重心。笔者向学生布置了以下三个任务：

（1）收集生活中新奇的有关物体重心的现象。

（2）探究如何让一毛钱硬币停在竖直的白纸上。

（3）探究如何让将一段胡萝卜放置在杯口的边缘上。

学生可以先收集新奇的有关重心的例子，之后选择一个课题进行探究，要求学生自己寻找实验器材，小组之间分工合作，设计实验步骤，在下次的课堂上小组派代表阐述自己组的探究过程以及展示自己的实验作品。

（八）活动准备

收集生活中有关重心的现象。

学生分四组：

（1）原则：自愿且优差搭配组合。

（2）要求：每组选择一个组长，学生根据任务选择自己负责的部分，做到人人参与有事可做。

（3）时间：一周。

教师提示：可通过查阅书报、网络、视频资料、走访物理专业人员等途径来收集信息。

（九）小组汇报

师：大家经过一周的资料收集与实验研究，都收集了很多生活中关于重心的新奇现象想和其他同学分享。现在就请每个小组派代表将你们收集到的资料展示给我们大家。

1.收集到的关于重心的新奇现象视频或图片展示

小组一进行实物展示：不倒翁。

生7：不倒翁是我们大家小时候玩的玩具，不论怎么摇晃，不倒翁总是不倒的。

师：很好，我们这个小组向大家展示的是我们儿时的玩具——不倒翁。小的时候我们只觉得它有趣好玩，但在我们学习过重心之后我们要思考一下不倒翁的原理是什么，为什么它总是不倒呢？

生8：因为它重心非常低，物体重心越低越稳定。

师：的确如这位同学所说的这样，物体的重心越低也就越稳定。不倒翁就是因为上轻下重的原因使得它的重心比较低，整体较为稳定。当不倒翁处于竖直状态时，它处于平衡的状态，此时它的重心与它与桌面的接触点之间距离最小，即此时重心是最低的情况。偏离平衡位置后，重心总是升高的。因此，这种状态的平衡是一种稳定平衡的状态，这也就能解释为什么不论我们怎么摇晃不倒翁它都不会倒了。

小组二播放视频“走钢丝”。

生9：我们组收集的资料是杂技“走钢丝”的视频，表演者水平拿着木棍，在钢丝上行走。表演者需要有技巧保持自己的重心不变。

师：表演者走钢丝是一个危险系数极高的表演，大家思考一下，为什么表演者要拿着一个竹竿呢？

生10：帮助调整重心。

师：我们在走平衡木时也要张开双臂掌握重心，保持平衡。表演者拿着长长的竹竿，竹竿起着“延长手臂”的作用，帮助身体掌握平衡。

小组三和小组四展示新奇重心的图片。

生11：在生活中我们只要掌握好重心，就可以用硬币搭建起各种形状（如图4-3所示）。

图4-3硬币搭建展示重心现象

师：很好，大家收集到的图片、视频都非常好。大家通过资料的收集也开阔了我们的视野，我们看到了生活中存在很多新奇的有关重心的现象。

设计意图：此环节笔者设计为学生分小组收集资料，进行课堂展示，让学生了解生活中关于重心的有趣现象。学生在收集资料的过程中不仅能巩固课堂中所学习的关于重心的知识，还可以开阔学生的视野。同时，笔者还采用了物理联系生活渗透“STSE”理念的教学策略，学生在收集的过程中也理解物理与生活之间紧密联系的关系，培养学生的“科学态度与责任”素养。

2.小组阐述所选课题以及实验探究步骤

（1）小组一、小组四：探究如何让一毛钱硬币停在竖直的白纸上

实验器材：一毛钱硬币两个、白纸四张。

探究方法：自主合作，实验探究。

实验目标：

①这一环节锻炼了学生的表达能力、指导能力，做了一回指导教师，让大家均能体验成功的快乐。

②学生通过自主动手实验，在过程中体会一毛钱硬币如何稳定，总结物体稳定的条件，同时提升了实践能力和团体的合作能力。

展示交流：请选择此课题的两个小组上台来进行实验演示，并请他们指明操作步骤，以及实验中需要注意的地方。

实验步骤：

①将白纸折叠，一毛钱硬币放在折叠的竖直白纸上；

②两手慢慢拉直折叠的白纸，当白纸拉直时，硬币在竖直的白纸上。

师：通过刚才做的实验，同学们对“如何使物体更稳定”有什么想法？大家可以结合我们之前学习过的二力平衡知识来解释。

学生积极讨论（教师引导），踊跃发言。

生12：物体的重心就在支持面上，则重力跟支持力二力平衡，物体就能保持稳定。

设计意图：学生在课后采用分组实验探究的方式，探究如何将一枚硬币放在白纸上，这一环节主要激发学生的实验积极性，考验小组的团队合作，锻炼他们的语言表达能力。在设计过程中，笔者采用体会课后活动实验，激发学生科学思维的教学策略，选择了一个操作简单，但需要学生开动脑筋启发思维寻找解决办法的实验课题，此课题的选择有利于培养学生的创新性思维。

（2）小组二、小组三：探究如何将一段胡萝卜放置在杯口的边缘上

实验器材：每组胡萝卜一截、餐叉2个、玻璃杯1个。

探究方法：自主合作，实验探究。

学生分组动手操作，教师巡视观察。

实验目标：

①学生通过自主动手，团结合作，发挥创造力，激发思考，学会学以致用。成功后的愉悦促使学生体验到了物理知识的魅力，对学习物理更富有热情和信心。

②学生自主表演，锻炼了学生的胆识，积极踊跃参与，更形成了一股竞争的意味，增强了学生的好胜心。

展示交流：学生将自己的实验作品带到台上，向大家展示，并阐述实验探究步骤。

实验步骤：

①将两把叉子对称地插入胡萝卜段的两侧。

②将胡萝卜一端放到杯口的边缘上，不断调整胡萝卜的位置，直至胡萝卜可以稳定地停在杯口的边缘上。

③轻微晃动一下叉子，会发现胡萝卜组合体不会从杯口边缘掉下来。

设计意图：此实验与上一个实验的原理方法类似，提升了学生动手实践和创新能力。在动手实验过程中，激发学生的探究欲，对实验成功的渴望，加深了学生对物理实验的浓厚兴趣。实验过程中学生所应用到的胡萝卜、餐叉、玻璃杯等均是家庭用具，符合构建家庭实验室培养学生探究能力的策略，希望学生能在家庭生活中发现有很多物品可以用作物理实验，潜移默化地引导他们构建家庭实验室，培养学生的实验探究素养。此外，学生亲身体会实验探究过程，培养了创新思维能力。学生实验探究课题和实验仪器的选择均贴近学生生活，渗透“STSE”理念，培养学生的科学态度与责任素养。

（十）活动总结

师：这次探究重心的课后实验活动大家做得都非常好，看得出，我们同学都对课后活动实验较为感兴趣。现在希望大家谈一谈，在这次活动中你收获了什么？

生13：团结力量大，一个团队中的每个人都有很新奇的想法，这样，多个想法放在一起很快便得出了我们的研究方法和步骤。

生14：在实验过程中要认真细心，并且要敢于尝试也要正视失败，吸取经验最终才能完成实验。

（十一）教学反思

重心在高中物理学习中不是重点内容，但却是课后实验活动的绝佳课题。学生自由分组，利用课后时间选择研究课题进行研究，并在课堂上展示自己的实验作品，阐述实验过程。这不仅可以激发学生的学习兴趣，更能锻炼学生的实验操作能力。此教学设计中采用了学生亲身体验课后实验，培养学生科学思维的策略，其中侧重于培养学生的创新思维能力。此外，笔者还应用了创建家庭实验室培养学生实验探究能力的教学策略。利用家庭中可找到的实验器材启发学生构建自己的物理实验室，增加实验探究的机会，培养学生的实验探究素养。此次从课题到实验器材的选择，均和学生的生活紧密相关，体现了物理和生活紧密相关，渗透“STSE”理念。活动总结部分，笔者让学生反思活动过程，培养学生认真严谨的科学态度和团结协作的精神，培养学生的科学态度与责任素养。