一、案例背景

实验是物理学科课程的构建基础，就学科本身而言不仅学习难度较高且部分知识内容相对抽象。鉴于此，教师要高度重视实验教学，结合基本学情以及学生的认知水平，在物理实验的支持下掌握物理知识、理解物理规律。与此同时，实验教学不仅能激发学习兴趣，还能有效培养学生的思维能力、实践操作能力。在课程标准指导下的高中物理实验教学，应着眼于对学生实践能力与创新思维的培养，从而助力物理学科核心素养的提升。《牛顿第二定律》作为高中物理的一个重要知识点，笔者决定以多层次实验导入模式进行课程教学。

二、案例描述

（一）定性实验，新课导入

首先笔者带领学生对牛顿第一定律的相关知识点加以回顾，确定物体于不受力的条件下的运动情况，然后提出一个思考问题，即在外力影响下物体的运动状态发生变化，我们是否可以进一步研究这个变化过程呢？多数学生持有肯定意见但也有少数学生认为不能，借此笔者利用虚拟实验平台进行以下实验操作：滑轨上面的小车使其处在静止状态，然后把垫板原始高度适当调高，鼠标点击小车（推动）让其进行匀速运动。在其左端放一条线绳并将定滑轮跨过，选择一个钩码挂于其右侧相应位置，在这一条件小车会进行加速运动，会有加速度产生。学生通过观察上述实验的全过程，尝试总结出这样一个初步结论，其间李同学认为：“我认为，是拉力将小车运动状态改变了，物体产生加速度的主要原因在于力。”在此基础上开展对比实验，选择四个钩码放在小车上面，此时学生能直观看到其启动变慢，针对小车加速度造成影响。在以上实验操作过程中学生能够发现，加速度并非仅与力有关，也会因为物体的自身质量而受到影响。结合学生以上所得初步结论，笔者揭示本节课重点探讨的问题：加速度与力和物体的质量关系如何？接下来利用精细实验和学生共同进行定量研究。

（二）分组实验，探索发现

为了保障实验效果，正式开始前笔者再次利用微课和学生共同梳理实验理论。首先利用虚拟实验平台对运动小车展开受力分析，一方面说明实验过程中修正摩擦力的必要性，另一方面尝试分工合作组装实验仪器；其次和学生共同剖析将小车受力改变的方法，且在实验平台上展开模拟；最后讨论怎样对加速度大小进行测定，因为本环节属于一大难点，很多学生的疑惑在于加速度与位移之间能够直接联系，因此笔者没有借助微课讲解而是直接在白板上加以演算。虽然也可以采取模拟表格数据的方式进行对比处理，但该形式往往构建的实模糊的定量概念，难以满足开展定量实验的需求。前期准备结束后，学生以小组为单位操作实验且需轮流在讲台上展示实验成果。本次使用的是控制变量法，即保障力不变或者质量不变，研究另一物理量与加速度的关系。由于学生已经在初中阶段学会这种方法，笔者仅是简单带过，且要求其明确“怎样控制变量”以及“具体控制哪一个”，由组长负责组内分工，如果没有涉及操作的学生需要做测量，等待下一次轮换操作的机会，以确保全体组员均有机会动手实践。分组实验结束后，每个小组需要在台上汇报本组的实验结果，由此说明发展的共同规律。笔者在小组汇报环节让实验效果相对理想的小组着重展示实验数据。某小组针对数量关系的分析结果是在ｍ不改变的条件下，加速度ａ与外力ｆ之间成正比；而如果拉力ｆ不改变的话，加速度ａ与质量ｍ之间成反比；某小组针方向关系的分析结果是加速度ａ与外力ｆ的方向一致。笔者将各小组的实验结果分析展示在白板上，借此总结“牛顿第二定律”的内容，并在PPT上展示其意义和导出公式，即或者f（合）=ma。与此同时，笔者再让学生讨论分析使用时需要注意哪些事项。李同学指出：“其中的加速度、质量和力都指的是同一物体”，张同学补充：“在同一时间均要使用国际单位，而且‘力’指的是合外力。”

（三）总结归纳，延伸拓展

因为已经在课前进行任务布置，每个小组利用不同渠道选取案例，排出一名代表展示例子且能够对牛顿第二定律加以正确的解释说明。某小组提供的案例为赛车会配备发动机都是大马力的，至于车身则选择质量相对较轻的碳纤维，大马力指的是力大而碳纤维意味则质量小，结合“牛二”加速度大。还有一组学生选择的案例是火箭应该获得极大的加速度，只有这样才能够飞出大气层。很多同学对此感到好奇而提问：“如何才可以获得这样大的加速度呢？”还有学生提出了更详细的问题：“虽然火箭无论是体积还是重量均十分大，可是燃烧之后的空壳体没有别的用处，依据定律质量ｍ越大，应该是加速度越小啊！”，面对同学们的问题，这名学生解释：“科学家与研究人员考虑到解决质量对加速度产生的影响，将火箭设计为分级的，这样每级均装有燃料且一级燃烧后便会丢弃，由此一开火箭越飞越轻，自然速度会随之增快。”在学生分享案例说明定理中，结束了本堂课的所学内容。

三、案例评析

本次教师利用定性实验，让学生认识到物体的运动状态发生变化，与其自身质量和所受力之间存在联系，这样也能为定量关系实验提供必要的基础。以往教师教师在此环节习惯使用相应的视频资料，学生虽然表现得十分感兴趣，可是终究和实验不同，很难达到预期的定性概念的构建效果，更重要的是之后的实验教学也显得相对突兀。笔者在这一实验环节并未让实验变得复杂，也没有引入或者明确定量概念，仅仅描述成更大的力与质量，至于定量实验会在新课教学环节有层序地引入，通过这样的形式可以减缓一定的学习难度。在进行学生分组实验时，教师应事先做好能力水平搭配，针对动手实践能力薄弱的学生建议进行简单的现场培训，另外先行安排负责实验成果展示的学生。本案例中的分组实验时间被有效控制，并没有影响到其他课堂教学环节。诚然，本次教学也存在一些不足之处，因为教学时间相对紧凑，所以没有进行学生自我评价，而这也是在平时物理实验教学中，值得注意的问题。受限于学生的客观认知水平，不同学生在同一思考研究环节所得到的反馈存在差异。但学生自我评价的重要性不亚于课堂教学。在今后的课堂教学中，笔者会通过目标量化表辅助学生进行自我评价，结合具体教学内容组织学生展开反思，一方面掌握达成学习目标的真实情况，另一方面遵循“没有帮助——基础了解——理解掌握——迁移应用”的流程进行学习反馈的衡量。