基于踐行物理核心素養的《牛頓第三定律》教學設計案例

梁吉峰+毛艷玲

摘 要：以力傳感器的學生分組實驗探究為基礎，同時運用觀察、比較、綜合分析等多種理論探究方法，以《牛頓第三定律》為課堂整體設計方案，將相互作用力關系特點通過圖象進行定量化分析，旨在培養學生的科學思維和科學探究的物理核心素養和質疑、求真的科學精神.

關鍵詞：牛頓第三定律；質疑；物理科學方法；物理核心素養

1 創設情境 導入新課

演示與提問：

（1）問題1.首先對我們這節課將要進行的研究鼓掌加油.在拍手時，兩手之間有什么感覺？

（2）白板展示生活中各個方面相互作用的圖片.

（3）問題2.對于這些相互作用，從初中開始到現在，你大約知道哪些相關特點？

利用當時效應和身體體驗，既可以引起學生興趣，也激發了表達的熱情；而來源于生活中相互作用的引入，又進一步提高學生的關注度，使學生的注意力很快集中到本節課要探究的問題中來，又想探究、甚至于著急探究的欲望.

演示與設問：

（1）看來對相互作用力的時間問題上有困惑，現在就來關注.同學請看，這是一根細橡皮筋，向兩邊拉的時候，兩邊的力一起有、一起變大，突然斷了，一起消失.

（2）你們猜想一下，相互作用的兩個力可能是什么關系？

通過現象，讓學生從感官上體會相互作用力的變化過程中，大膽猜想出千變中一定有一個不變的因素——作用時間，這種辯證統一的哲學思想，培養了學生在科學研究中，邏輯思維的方法和大膽設疑、猜想的精神.

2 實驗探究 新課教學

2.1 大小關系、作用時間關系的探究

演示與提問1：左右手分別拉彈簧拉力器的兩端.此時兩手的拉力是不是相互作用力？

演示與提問2：用力傳感器拉剛才一樣的細橡皮筋，拉力開始有、變化、保持，直到斷了，此時的圖象說明什么呢？

讓學生真切地看到相互作用力在等時方面的特點：同時產生、同時保持、同時變化、同時消失.這種科學嚴謹的定量探究與前面由直觀現象的定性探究形成對比，極大地培養學生利用觀察法、比較法、科學抽象法等科學研究方法的意識，對于物理規律的理解大有好處.

演示與提問3：同學們會有個疑惑，你見過雞蛋碰石頭嗎？你見過雞蛋碰碗嗎？雞蛋碰碗，雞蛋碎，碗完好.

從橡皮筋間的相互作用到雞蛋碰碗，由遠及近、由抽象到具體、由陌生到熟悉，這個過程的比較，讓學生的興趣達到了極點.通過實驗導致悖論，培養學生勇于質疑、敢于思考的科學態度.

提出問題：通過什么辦法來證明這兩個力一樣大還是不一樣大呢？雞蛋易碎，但是一瞬間就結束了.我們想的辦法，最好是把一頭破一頭沒破的相互作用過程的每一個瞬間，即形狀慢慢改變的過程中，相互作用力關系情況，都通過圖象展示出來.怎樣設計呢？

演示與提問4：用傳感器的一個鉤子去戳另一個鉤子上的蘋果（蘋果牌傳感器），過程為沒破、破、扎進內部的過程.

質疑等大，然后證明等大，這就是否定之否定，也可以說是質疑后的肯定，這種辯證法體現了真正的科學精神：實事求是、一絲不茍、不盲從權威.讓學生再次領略了科學探究的魅力，便會對以后的探究產生極大的吸引力.

提出問題：這兩個力等大，為什么雞蛋破了，碗沒有破呢？

演示與提示：同時用傳感器的鉤子用力去戳雞蛋、碗（學生輔助操作），觀察圖象.雞蛋破時，碗還沒有破，但力的大小相差很大.

一系列問題的提出緊緊圍繞相互作用力大小關系的困惑，由淺入深、層層遞進、步步深入，不但使學生對知識的理解愈加深入，也讓他們了解了科學的探究過程.在得到了相互作用力確實等大的結論后，學生正處于極度興奮中時，方向急轉——等大為什么蛋破碗全？產生視覺沖擊，制造認知沖突，既為作用力的異效埋下伏筆，也培養了學生執著、求真、求實的科學精神，也是培養學生責任感的好機會.

演示與提問5：伸出手，壓在桌面上，手給桌子向下的壓力，作用在桌子上；同時桌面給手支持力，作用在手上.這兩個力的合力等于多少？

手壓桌面，可以使學生親身體驗物理情境，充分體會相互作用力.這樣可以幫助學生更加真切的感受到相關的物理現象，從而更加深刻的理解物理規律.

提出問題：對于手本身，受到重力和支持力，這兩個力的合力是多少？

在學生親自手壓桌面體會相互作用力后，話鋒一轉——兩個力的合力是多少？就是讓學生在受騙中鍛煉物理思維.比較相互作用力和平衡力的區別，首先是應用比較法，通過具體情境讓學生親自鑒別，這是隱性的滲透科學方法.顯性的講解與隱性的滲透相結合的方法是培養學生物理科學方法的主要途徑.

同學們分組探究：拉力、推力、滑動摩擦力、勻速拉、加速拉、水中拉等，然后匯報.

學生親自用力傳感器探究，是讓他們最大限度地充分體驗探究的過程，體會探究的形式 、探究的方法以及獲得正確結論所帶來的快感；初步感受科學家進行科學探究的過程，通過自己的實驗、觀察、分析、推理、討論、總結等一系列實踐活動和思維活動來自主建立科學概念和總結出科學規律.

總結與提問6：（1）等大、共線、共性、同時；反向、異物、異效.四同三異（同中求異，異中求同）

（2）牛頓第三定律

（3）對定律的內容中，哪個方面有點小疑惑？

2.2 共線關系的探究

引導與演示：（1）重力、彈力、摩擦力性質的相互作用力的共線顯而易見.

（2）將一個小磁針繞另一個轉動（攝像頭監拍、白板顯示）.

應用比較法進行共線關系的探究：首先理論探究重力、彈力、摩擦力這些熟悉的相互作用力的共線，然后實驗探究磁力間的相互作用的共線.讓學生再次體會，理論與實踐的統一、殊途同歸的物理之美.然后師生共同閱讀課本，給出牛頓第三定律的內容.老師強調牛頓第三定律是牛頓等前人在很長時間內對大量事實進行總結的結果.

2.3 “總是”的含義

引導與總結：不管兩個物體質量大小、材料種類、具體形狀以及形狀的變化.

不管是哪種力，不管哪種運動形式，不管是在哪種介質中，表達式：F12=-F21.

2.4 性質關系的探究

引導與提問7：（1）手壓桌面的壓力與桌面給手的支持力都是彈力性質.

（2）漂浮在水面的乒乓球受到哪幾個力的作用？它們的反作用力各是哪個力？

（3）力的反作用力是球給地球的力；浮力的反作用力是球對水的壓力.

又一次讓學生體會理論與實驗比較的物理科學探究方法.

2.5 效果關系的探究

引導與提問8：力有哪幾種作用效果？

演示與提問9：（1）兩只手左右拉正中間打結的橡皮條，效果是否相同？

（2）這里隱藏著什么不同？

引導與提問10：力的作用力與反作用力的效果有沒有形變大小不同的時候，如何設計實驗？

演示與設問.（1）將兩個充滿氣體、不同顏色的氣球對壓，瞬間釋放.

（2）兩個氣球運動狀態的改變是否相同？

（3）同學們是否注意到，被彈開的氣球又靠近了，是否是相互作用力的效果呢？請課下思考.

分步、分層、分類型探究.兩次拉橡皮條的目的不同：一拉橡皮條是引導學生思考形變的方位不同；二拉橡皮條是引導學生體會到形變的大小也不同.再讓學生回憶蛋碰碗的效果做對比；兩個相互擠壓氣球被彈開，是引導學生觀察到運動狀態的改變確實也不同.讓學生直觀、真實地感受到力的作用效果和相互作用力的不同效果.思考問題的設計，是為了學生進一步理解相互作用力.

3 基本應用：三種情境

情境1：倆人手拉手“拔河”.

情境2：燃氣向上推動火箭.

情境3：亞里士多德派的馬車拒絕拉貨車.

引導與提問11：馬拉車與車拉馬的力等大，為什么車被拉動了？與拔河比賽情況是否相同？

選擇馬拉車，一是可以回扣引課中的拔河，并且是貼近生活的現象，二是與牛頓第三定律結合緊密，三是為了解決許多人（包括不學物理的人）對此類現象理解的誤區.依然采用作用于不同物體上的相互作用力（馬拉車與車拉馬的力）與作用于一個物體（車）上的兩個力（馬拉車的力和摩擦力）進行比較分析，既可以使學生更清楚認識相互作用力，也明白研究問題時，確立研究對象的重要性.就可以讓他們深切的體會到“物理來源于生活，服務于生活”的道理，增強熱愛生活的熱情和學習物理的積極性.

4 教學設計說明：

基于牛頓第三定律是與生產、生活、科技、航天、軍事等領域聯系密切的重要的物理規律，這節課的設計采用了探究式課堂教學模式，即“探究——體驗——內化——外延”的物理探究教學模式，這樣不僅可以大大激發學生的求知欲和物理學習的主動性和積極性，而且還能夠有效的幫助學生樹立力的相互作用觀念，培養科學思維方式和科學探究能力，并且幫助學生在自主的親身體驗過程中感悟科學精神、樹立科學態度和責任，提升物理核心素養.

4.1 加大實驗探究的手段和力度，讓學生在親身體驗中獲得真知

實驗探究是這節課的重點和核心，總體探究模式是首先由教師與學生一起提出科學探究的目標和實驗設計方案，然后選擇相關實驗器材進行自主探究，在探究的過程中教師適時啟發和點撥指導，讓學生“像科學家一樣思考”.這樣學生在課堂上通過實驗、觀察、分析、推理、討論、總結等一系列實踐活動和思維活動來自主建立物理概念和總結物理規律.尤其是實驗中選擇的器材（雞蛋、碗、橡皮筋、蘋果、氣球等）大都是生活中常見物品，這些普通的物品在實驗探究中卻顯示出科學的、不平凡的現象和效果.這樣設計的目的力求不僅對學生的視覺產生沖擊，制造認知沖突，激發求知欲望，引起求知的興趣，而且也引導學生熱愛生活、學會觀察生活的品質.尤其是課堂上師生共同探究相互作用力大小關系時：教師首先從學生熟悉的雞蛋碰石頭變為雞蛋碰碗的演示來培養學生在科學探究中大膽質疑的精神，然后師生共同探討并設計的獨有的“蘋果牌傳感器”和學生親自動手操作的分組實驗的探究不僅僅提升了學生的科學思維能力和科學探究能力，還培養了學生嚴謹、求真、求實的科學態度和科學精神.

4.2 綜合運用多種物理科學方法幫助學生進行理論探究

在探究相互作用力的共性，引導學生總結歸納相互作用力的七方面的特點以及引導學生思考相互作用力和平衡力的相同點和不同點等教學環節時，教師在引導學生回顧舊知識的基礎上，采用了隱性滲透和顯性講解相結合的方式，綜合運用了比較和分類方法、分析與綜合方法等多種物理科學方法，旨在進一步培養學生科學的物理思維方式，通過科學方法幫助學生深刻理解相關物理規律.

通過《牛頓第三定律》整堂課的實驗探究和理論探究的過程，旨在幫助學生樹立相互作用觀這一核心物理觀念，使學生意識到自然界是普遍聯系并且相互作用的一個統一體，培養學生運用辯證思維來分析問題和解決問題的能力，提升哲學素養.

參考文獻：

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