《牛顿第二运动定律》实验研究
——课题研究式教学模式初探
广州第二中学研究组成员：陈健 黄翩篇 谭宜洁
摘要：牛顿第二定律实验是高中物理的重点实验，在本次实验教学中，我们不仅仅要让学生知道实验结论及定律的内容和意义，更重要的是要让学生获得学习的方法和能力。为此，我们打破传统的教学方式，尝试采用课题研究式教学模式，通过学生自主查阅资料、完成预习报告、实验操作以及实验汇报，整个过程突出学生获取知识的亲身体验、探索和总结，以及与小组成员的合作分享，教师只作简要答疑，必要时才重点讲解。以此培养学生自主学习、独立思考的能力和小组合作的精神。
关键词：课题研究式教学模式 自主学习，独立思考，小组合作
牛顿第二定律是动力学的核心规律，这个规律是在实验的基础上建立起来的，牛顿第二定律实验是高中物理的重点实验，做好这个实验有利于学生理解牛顿第二运动定律，提高学生的科学素养。在《普通高中物理课程标准》共同必修模块“物理1”中涉及本节的内容有：“通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力的关系，理解牛顿第二定律。”本条目要求学生通过实验，探究加速度、质量、力三者的关系，强调让学生在实验探究过程中体验真理、实践真理。因此，我们这个实验的目的不仅仅让学生知道实验结论及定律的内容和意义，更重要的是要让学生知道结论是如何得出的：在得出结论时用了什么样的科学方法和手段；在实验过程中如何控制实验条件和物理变量，如何处理数据得到实验结论。让学生在亲身参与实验的过程中体会科学探究的艰辛和欢乐，领会科学研究的方法。
传统教学中，由于课时和实验器材的限制，实验通常是定性或验证，即便是探究，也是教师精心设计好了问题，一步一步引导学生按照老师的思路走，剥夺了学生自主学习和实践体验的机会，这样不利于学生科学素养的提高，也不利于培养学生的学习能力、动手能力和研究能力。现在的高中学生，他们具有强烈的自我探索的欲望，经过初中学习已初步具备实验操作和处理实验数据的能力，但由于长期处于被动学习模式，丧失了独立自主的学习能力。因此，我们采用课题研究式教学方式：即提出研究课题，结合学生的自学、教师的答疑、学生参与实验、教师重点讲解相结合的教学方法。时间控制在四到五个课时，给学生充足的时间自己玩、自己探究，淡化教师指导，让学生充分发挥出主观能动性，培养学生独立自主的学习能力和小组合作共享的精神。
一、课题研究式教学模式的开展过程
（一） 实验前学生每人完成一篇实验预习报告
做实验之前我们给每个学生发下一张《牛顿第二运动定律研究学习活动安排》（见附录，以下简称《安排》），要求学生利用课余时间，根据《安排》上面的指引预习粤教版必修1物理课本第81页~91页，即第四章的第二、三、四节，自己查阅收集资料，每人完成一篇实验预习报告，内容包括：实验目的、实验仪器、实验原理分析、实验操作步骤。在学生完成预习报告期间，除了发下的《安排》，教师不做给任何指导，完全靠学生通过自学完成。从学生交上来的预习报告来看，绝大多数学生能够通过自学明确实验目的，实验方法，设计出大致的实验操作步骤和数据记录表。学生设计的实验方案不尽相同， 大多数学生采用教材要求的传统实验方案：打点计时器加砂桶，也有小部分学生采用新颖的气垫导轨加光电门。对于不同的实验方案，教师都持鼓励的态度。
（二） 实验过程学生小组合作，教师因势利导
实验过程要求学生每4人为一个小组，以小组为单位对两个课题进行研究性学习：课题一，物理质量一定时，加速度与合外力间的关系；课题二、合外力一定时，加速度与物体质量间的关系。实验的过程要用数码相机、录像机等器材记下实验的关键现象。为了让学生有充分的时间自己玩、自己探究，我们提供了2个课时给学生自己动手操作。
第一个课时，让学生自己摸索、自己玩，教师不主动指导，只是答疑和巡视，心中记下学生出现的共同问题。课堂开始，由于学生不了解气垫导轨，教师会简单介绍气垫导轨的原理和使用，便让学生自己玩开了。我们给每一组学提供了足够甚至有多的实验器材，便于学生实施不同的实验方案。学生根据自己的预习报告，按照自己设计的方案操作，并把实验数据记录在预习报告里事先设计好的表格中。大部分学生选择采用传统的实验器材，也有少部分学生摸索起从未玩过的气垫导轨和光电门。缺少了教师的事先讲解和现场干预，学生发挥的空间更大，组员之间的交流合作更多。有些小组成员之间出现了不同意见，争执不下要找老师“评理”；有些小组发现了问题，便共同讨论；有些小组分工明确，一些组员负责操作，一些组员负责记录数据，一些组员负责拍照和录像。教师通过巡视发现，学生的操作过程暴露出了不少问题，最突出的就是不懂得平衡摩擦，面对这个问题，有的学生干脆就忽略摩擦，有的学生则运用以前学过的知识，用弹簧测力计沿水平方向拉着小车，使小车保持静止，同时拉动小车下方的木板，根据二力平衡，弹簧测力计的读数就是小车受到的滑动摩擦力大小。这部分学生能够开动脑筋、学以致用，值得表扬！但是学生通过实验发现弹簧测力计的读数几乎不变，保持为零，无法测出滑动摩擦力的大小，学生再一次陷入了困境。这是，老师并没有急于给出答案，而是让学生再想一想，或是课后回去查阅资料，看看能否获得启发。第一个课时就这样在学生懵懵懂懂的玩耍中过去了，整节课学生的热情很高涨，感觉很新鲜，玩得很开心，场面看似闹哄哄，杂乱无章，但这为学生后面理解牛顿第二定律提供了必不可少的体验和经历，这是老师单纯的讲授所无法替代的。
第二个课时，教师重点指出学生上节课遇到的问题，引导学生对实验方案进行修改，以便得到更准确的数据。教师首先总结上节课各组同学的实验方案，主要有三种，如下图所示：
图1 学生设计的实验方案
第一种方案，打点计时器加砂桶，通过释放砂桶让小车在水平木板上加速运动，通过打点计时器计算加速度，通过天平测量小车质量，通过测量砂和砂桶质量得到小车的合外力；第二种方案，用气垫导轨加光电门，此时可以忽略滑块所受的阻力，通过光电门和数字计时器算出滑块的加速度，通过天平测量小车质量，通过测量砂和砂桶质量得到小车的合外力；第三种方案，在第一种方案的基础上略有变动，去掉了砂和砂桶，通过倾斜木板让小车加速运动，用弹簧测力计沿斜面拉住小车，使小车静止，此时弹簧测力计读数即小车所受的合外力,改变斜面倾角即可改变小车受到的合外力。接着教师指出上节课同学们遇到的共同问题：如何处理摩擦。并给予提示：在实验方案一中，既然我们无法用弹簧测力计测出滑动摩擦力的大小，那么我们换个思路，能不能把滑动摩擦力给抵消掉呢？如何可以，用哪个力来抵消呢？个别反应快的学生会想到将木板倾斜，用小车的重力沿斜面方向的分力来抵消摩擦力。这时可以鼓励这些学生大胆说出自己的想法，并给予肯定和表扬。而采用其它方案的学生会受到启发，自己想出其它办法来处理摩擦，例如有的学生会对方案三这样修改，如图2所示：将木板带有定滑轮的一段斜向上，用绳子绕过定滑轮给小车系上砂和砂桶，让小车在斜面上匀速下滑，此时保持斜面倾角不变，从小车上取下砂和砂桶，小车在斜面上将加速下滑，此时小车收到的合外力大小就等于砂和砂桶的重力大小。在处理摩擦力的方法上，老师不限制唯一方法，只要学生设计合理，都给予肯定和鼓励。许多学生经过老师这一提示，发现自己上节课的数据都不够准确，甚至是错误的，结果这节课重头再来，经历了上一节课的失败和思考，学生更加明白这节课自己要做些什么，做得比上一课更加认真、仔细，与其说上一节课让学生体验了实验的好玩，那么这节课则让学生体会到科学探索的艰辛和曲折，亲身体验到科学家要得到一个科学结论是多么来之不易！结果有一部分学生下课还没做完，主动要求老师在课外其它时间开放实验给他们继续做。
图2 学生设计的方案三处理平衡摩擦力的方法
（三）实验汇报，成果分享
实验操作结束后，要求每组学生上交一份实验报告，实验报告的内容在一开始发下的《安排》中有指引，包括：实验目的、实验仪器、实验原理分析、实验操作过程（用照片或者录像记录）、实验数据记录及处理、实验结论、实验误差分析、感想。并要求每一组的同学结合自己制作的实验报告PPT上讲台向全班同学做实验汇报，分享自己组的实验成果，时间一共控制在两个课时。实验汇报时可以选组里一到两个组员做代表上台，但老师会向组里不做报告的其它同学提问，目的是让组里的每位同学都参与到后期的数据处理过程，避免后期工作只集中在个别同学身上，其它同学则一无所知。由于实验目的和实验原理大家都是一样的，因此实验汇报课的重点在于汇报你采用的实验方案，实验操作过程、实验数据记录及数据处理、实验结论、实验误差分析、感想。这对于上台汇报的同学而言，除了代表小组荣誉，也是一次表现自我和锻炼口才的机会。教师则负责组织课堂和点评每一组的实验成果。由于学生第一次经历如此完整的探索活动，实验汇报时难免多多少少出现一些不完善甚至错误的地方，但无论学生做得好还是差，组后教师都应给予鼓励和肯定。老师在给出具体意见时，方式有多种：可以在这组学生做完汇报之后教师小结中指出；也可以在学生汇报的过程中指出。对于学生实验中出现的问题，教师可以将这个问题向全班同学提出，让其他同学来解决，听听其他同学在实验中是如何解决这个问题的。如果几组同学设计的都是同一个实验方案，则重点汇报与他组不同的地方。
从学生汇报的总体情况来看，学生的实验报告完成得还是比较认真的，但暴露出的问题也比较多，最突出的就是数据记录和数据处理能力比较薄弱。许多学生在记录数据时只记录了F合、m、a，不懂得记录原始数据，如图3所示；不会用图像分析处理数据，得出定量的结论，尤其不会将a-m图像转化为a-
图像，如图4所示，只有很少的学生能够通过正确的图像得到定量的结论，如图5所示。从学生的误差分析来看，许多学生通过亲身经历都明白了如何平衡摩擦，但对于为什么要让砂和砂桶质量远远小于小车质量，在老师没有解释的情况下，只有极少数学生能够自己查阅资料，并在课堂上通过自己的理解说出来，对于这些学生老师给予了极大的肯定和表扬，其它同学也投去佩服的目光。无论实验做得好还是差，在最后的感想中，许多学生都肯定了这种活动方式比老师单纯的讲授来得更加印象深刻，让他们有所收获，体会到科学家探索知识的艰辛和成功的喜悦，此外，小组合作的方式让他们在收获知识的同时还收获了一份同学间的默契与友情。
图3 学生记录的数据普遍缺乏原始数据
图4 学生画的a-m图
图5 学生画的a-F图和a-图
这次别开生面的实验汇报课，给学生提供了一个展示自我、分享交流成果的舞台，基本实现了新课程提倡的三维目标，达到了预期的目的。
二、课题研究式教学模式的总结与反思
总结这次牛顿第二运动定律研究学习活动，它与一般的实验探究课有所不同：我们给予学生更大的自由度，更多自己探索的时间和空间，让学生经历了一次比较完整的科学研究活动。在教学中突出学生的主体地位，将学生的学习过程模式由“吸收——储存——再现”转变为“探索——转化——创造”，从而培养学生自主学习、独立思考的能力和合作精神、创新精神。这是一次大胆的尝试，虽然在这个地方花了比较多的时间，但从学生的反映来看这次尝试是值得的，以下是部分学生的感想：
通过这次实验，我们学会了自主探究，收获了很多；同时也学会了团队合作，组员之间更加默契。
——高一（7）班 卢霖俊 邹钰滢 赵斯桐 严芯华
我觉得本次试验应该多想一想在有误差的时候不能求方便 一味的忽略不计是不行的。
——高一（10）班 张昊
第一次用这个气垫导轨，感觉很新鲜，自己动手，印象很深刻，很有feel！
——高一（10）班 黎绮玲 陈健欣
我们选用的是气垫导轨，本来应该是省力很多的。但是，实验的过程并不是那么容易。这次一切都需要由我们自己来设计操作，因此我们一开始就没有很清晰的想清楚整个实验的流程，所以那时候一节课所测得的数据都只可作废。终于，在解决了各种问题后，我们终于测得了有效数据。在这过程中，也有过泄气，抱怨的时候，但是我们最终还是坚持了下来，证明自己的努力是没有白费的。
——高一（10）班 徐沅彤
在实验过程中，我们学到了许多解决问题的智慧与方法。比如在合外力实验中如何减小摩擦的这一问题，让我们思考了很久。将木板微微倾斜，让摩擦力与重力的分力抵消，这确实是一个不错的解决方法。
——高一(10)班 杨泳欣 钟子妍 郭心鹏 黄安琪
从学生的感想来看，课题研究式教学模式有助于激发学生的学习热情，使学生在一段时间围绕着所需完成的任务不断思考、探索、实验、改进，形成一股持续的钻研精神；增强学生之间的讨论、交流与协作探究，培养团队合作精神；转变学生“被动”的学习传统模式，发展了学生自主学习能力，体现学生在学习中的“主体”地位；增强实践意识。
要学生改变学习模式，教师首先要转变“角色”。在课题研究式教学模式中，教师应扮演好五个角色。1、激发热情的赞赏者：包括创设物理情景激发学生思考，在教学过程中对学生多些肯定和鼓励，激发学生参与的热情，不要挫伤学生的积极性，对表现好的学生应给予表扬和适当奖励。2、科学指引的导航者：包括对学生所提方案进行预测和引导；对学生在实验原理和探究过程中出现的不足给与引导和指正；对学生的实验结果进行点评、总结。3、进度掌控的主导者：课程时间需把控得当，在不影响整体教学进度的前提下，安排好课题研究式教学进度，留给学生足够的准备时间和充分的探索空间。4、研究平台的创设者：包括确定课题，提供足够的实验器材，营造自主学习、合作讨论的良好氛围，鼓励不同的方案、倾听不同的声音。5、教学评价的实施者：通过教师自我反思、学生评价等方式获得教学活动的反馈信息，便于以后改进提高。总体而言，课题研究式教学模式对教师提出了更高的要求，考察了教师的功底、教学智慧和应变能力。
在这次研究学习活动中，我们发现了一个现象：重点班的学生比普通班的学生表现好很多，主要体现在没有教师指导的情况下，重点班学生能够更加积极地自主学习，完成质量更高的预习报告；在第一课时的实验操作中，表现出比普通班超前的知识量，不用教师提示就懂得如何平衡摩擦力。这启发我们：培养学优生应重视培养学生独立自主的学习能力，这就要求教师改变填鸭式的教学模式，创设以学生为主体的学习环境，引导学生自主学习和独立思考。
反思这次活动有待改善的地方：1、活动最后只是老师对学生的研究结果进行主观打分，缺少了学生自评和同学互评，缺少了一份客观的量化评价表。评价量表有助于引导学生从哪些方面对本次实验进行正确评价，帮助学生加深对这个实验的理解。自评和互评则给学生提供了一个自我反思和互相学习的机会。2、对于学生中优秀的实验报告，不同的老师有不同的奖励方式，但都没有在班里或年级进行张贴展示，弱化了这次活动的后续影响力。3、教师对重点班和普通班的指导程度应有所区分：重点班的学生自主学习、独立思考能力较强，在学习上比普通班超前，教师只要稍加引导就行了；而普通班学生习惯了被动接受知识，独立学习的能力较弱，相比重点班学生而言在实验中遇到的困难更多，容易产生畏难情绪和挫败感，教师应多鼓励、并适当多些引导，帮助学生渡过难关。
附 录
《牛顿第二运动定律》研究学习活动安排
研究课题：牛顿第二运动定律
活动时间：第16周
活动安排：
1、 以4人为一小组，每个小组对两个课题进行研究性学习。
2、 全体同学根据自己研究的内容预习和复习课本81页至91页（第四章第2——4节），收集资料，每位同学写一篇实验预习报告。报告内容包括：实验目的、实验仪器、实验原理分析、实验操作步骤、实验数据记录表。
3、 独立完成本组实验的操作。并用数码相机、录像机等记录实验关键的现象等。实验后各小组自由开展讨论研究活动。正确地对实验数据进行分析，注重知识的拓展延伸，积极思考相关疑点难点问题，得出正确的结论。
4、 完成实验报告。每小组共同完成一份实验报告，报告内容包括：实验目的、实验仪器、实验原理分析、实验操作过程（用照片或者录像记录）、实验数据记录及处理、实验结论、实验误差分析、感想。
5、 研究结果展示与评比。17周星期一中午前把研究结果：实验报告（电脑打印）、研究图像、录像、光盘等交到各班科代表处。通过老师和同学们的评分，评出研究性学习的优秀小组和个人。被评为一等奖小组期末总评成绩加5分，二等奖小组期末总评成绩加3分，三等奖小组期末总评成绩加1分，并作年级表扬。报告在校内展示。
牛顿运动定律研究课题：
课题一：物体质量一定时，加速度与合外力间的关系
实验器材：打点计时器、平板小车（或气垫导轨）、滑块、钩码、砂桶和砂、学生天平、刻度尺等
（可选传感器做，具体到实验室自己探索）
课题二：合外力一定时，加速度与物体质量间的关系
实验器材：打点计时器、平板小车（（或气垫导轨）、滑块、钩码、砂桶和砂、学生天平、刻度尺等
（可选传感器做，具体到实验室自己探索）