素養情境化·情境問題化·問題探究化·探究思維化
——以牛頓第三運動定律教學為例

陳水勇

（福建省龍海第二中學，福建 龍海 363100）

物理規律揭示的是物質結構和物質運動所遵循的規律，是觀察與實驗、思維與想象相結合的產物，是物理思想方法和物理學科素養形成的重要載體之一。因此物理規律的教學過程應當是學生在教師的引導下與物理世界相互作用，去發現問題、探究規律、討論規律和運用規律的過程。［1］但是不少一線教師在進行物理規律的教學中，受應試教育的影響，吝于在探索規律的過程中花時間，往往在學生認知不足的情況下，就把規律“搬出來”“灌”給學生，然后迫不及待地開始講解例題。這種填鴨式的規律教學以及囫圇吞棗式的習題講解，造成絕大多數的學生只是機械記憶了規律的內容或公式，對規律的內涵一知半解，學生的思維能力、分析解決問題能力根本沒有得到鍛煉和提高，更談不上學生的學科核心素養的培養。在核心素養視閾下的物理規律教學，教師應基于物理學科核心素養的要求設置相應情境，利用情境設置問題或問題串，圍繞問題引導學生進行科學探究，從而使學生在探究中發展思維、建構知識。現以“牛頓第三運動定律”教學為例，采取“素養情境化、情境問題化、問題探究化、探究思維化”的策略，探討促進學生物理學科核心素養培養的路徑。

一、聚焦素養，創設物理情境

《普通高中物理課程標準（2017 年版）》指出：“創設情境進行教學，對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵的作用。”［2］教師首先要基于本節課教學目標，圍繞物理學科核心素養（物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任）要求把“目標素養化”，然后圍繞素養要求靈活設置相應情境來展開教學。（如表1所示）

表1 利用情境促進學科核心素養

二、創設實驗情境，引導學生發現問題

在新課引入環節，教師向學生展示魔術——“隔空稱重”，如圖1 電子秤原來示數為0，放上一粉筆盒如圖2，顯示示數為155.5 克，用手將粉筆盒向上拿起隔空放在電子秤上方如圖3，電子秤示數顯示為0 克，教師向學生聲稱自己有特異功能，可以發功讓粉筆盒隔空放在電子秤上方，而電子秤會有示數，然后教師假裝發功，暗地里偷偷把該粉筆盒轉了一個方向再次隔空放在電子秤上方（如圖4），學生驚奇地發現，此時電子秤顯示示數為8.8 克。基于神秘情境，教師提出以下問題。

圖1

圖2

圖3

圖4

問題1：如圖2 所示粉筆盒靜止在電子秤上面，粉筆盒受到哪幾個力？它們是什么關系？大小關系如何？

生：受到重力G和電子秤對粉筆盒的支持力N，它們是一對平衡力，大小相等。

問題2：如圖2 所示，電子秤顯示示數不為0，說明電子秤受到了什么力？這個力與電子秤對粉筆盒的支持力N又有說明關系？

生：電子秤顯示示數不為0，說明電子秤受到了粉筆盒對它產生了一個向下的壓力N′。

問題3：電子秤對粉筆盒的支持力N和粉筆盒對電子秤壓力N′，這兩個力當中，哪一個是作用力？哪一個是反作用力？

問題4：為什么此時粉筆盒隔空放在電子秤上方，電子秤會顯示有示數？

這個實驗結果有悖于學生的生活經驗，引發了他們的認知沖突，激起了他們的探究欲望，進而順利引入新課。

設計意圖：奧蘇貝爾說，“影響學習的唯一因素，就是學習者已經知道了什么，探明這一點并應據此進行教學。”［2］學生之前已經初步學過平衡力以及“物體間力的作用是相互的”的知識。研究表明，學生學習牛頓第三定律的難點常集中在混淆平衡力與相互作用力上。［3］因此，通過設計此實驗情境，將平衡力作為教學起點，利用新舊知識進行對比引入，從而利用學生的最近發展區，順理成章地引出本節課的研究課題相互作用力，明確相互作用的兩個力都可以互稱為作用力與反作用力的概念。

三、利用實驗情境，促進學生探究建構

有研究者認為：物理規律的探究需要創設問題情境［4］。物理是一門以實驗為基礎的自然學科，因此為進一步探究相互作用力的特點，我們通過設置層進式實驗情境與問題，分三個階段進行科學探究，讓學生在情境中思考問題，在思考問題中掌握知識，體驗知識形成的過程。

（一）相互作用力的普遍性

學生分組動手實驗：利用老師提供的器材（兩個相同的氣球、一個磁球和一個鐵球、一遙控汽車和一平放在兩根圓木棍上面的木板）設計實驗證明力的作用是相互的？你還能舉例說明哪些物體間里的作用是相互的？

設計意圖：學生通過動手實驗，體驗感知，發現兩氣球間的彈力、汽車與木板的摩擦力、磁球與鐵球間的吸引力、鐵塊與水的浮力都是相互的。通過師生互動、生生互動說明物體間力的作用總是相互的。

（二）相互作用力的方向、作用點、性質關系

在上面實驗基礎上完成表2 的內容。

表2 相互作用力的方向、作用點、性質關系

設計意圖：讓學生通過實驗得出：相互作用力作用在兩個彼此不同的物體、方向相反、性質相同。至于相互作用力的方向是否在同一直線上，教師可以用如圖5 兩個磁針進行演示，可以發現不管兩個磁針怎么轉動，總是呈現在同一直線。

圖5

（三）相互作用力的大小關系

組織學生討論猜想兩個相互作用力的大小關系，并設計實驗方案進行定量探究。

方案一：利用如圖6 所示兩根相同的彈簧測力計進行實驗探究，通過A 靜止，B 拉A；B 靜止，A 拉B；以及A、B 同時拉伸，穩定后讀數進行實驗。強調實驗前的注意事項：彈簧測力計使用前要校零、不能超過量程、讀數時要正視刻度并估讀。

圖6

方案二：利用如圖7 一彈簧測力計、電子秤、裝有適量水的燒杯及一物塊進行實驗探究，測出如圖7 甲圖彈簧測力計示數F1和電子秤示數F2，如圖7 乙圖彈簧測力計示數F1和電子秤示數F2，判斷F1-F1是否等于F2-F2。

圖7

方案三：利用如圖8 力傳感器進行實驗探究。

圖8

設計意圖：方案一、二都只能是物體處于靜止狀態的粗略定量研究，方案三可以研究物體加速、減速且具備即時呈現兩個相互作用力的精確大小和方向的優勢，從而可以讓學生直觀地得出兩個相互作用力在任意時刻均大小相等、方向相反。

根據上面一系列實驗探究，就可得出牛頓第三定律的內容：兩個物體之間的作用力與反作用力大小相等、方向相反，作用在同一條直線上。［5］

引導學生通過設計方案、實驗探究、分析實驗結果、總結實驗結論等一系列活動，讓學生去親身體驗規律的產生過程，在探究規律的過程中，發展科學思維，實現知識的建構。

四、利用實驗情境，促進學生深度思維

《中國高考評價體系》說明提到高考評價體系中的“四層”考查內容和“四翼”考查要求，是通過情境與情境活動兩類載體來實現的，即通過選取適宜的素材，再現學科理論產生的情景或是呈現現實中的問題情境，讓學生在真實的背景下發揮核心價值的引領作用，運用必備知識和關鍵能力去解決實際問題，全面綜合展現學科素養水平。［6］鑒于學生容易混淆平衡力與相互作用力兩者的關系，為了進一步理解掌握牛頓第三運動定律，利用“情境+問題”的方式來促進學生深度思維，突破教學難點。

教師引導學生就圖2 情境中的平衡力（粉筆盒重力G和電子秤對粉筆盒的支持力N）以及相互作用力（電子秤對粉筆盒的支持力N和粉筆盒對電子秤的壓力N′）之間的異同點進行比較如表2。

表2 平衡力與相互作用力異同點

設計意圖：通過對平衡力與相互作用力兩者關系的分析比較，得出共同點是：等大、反向、共線。不同點是：平衡力作用在同一物體、可以合成抵消、不一定是同種性質、不一定同時變化；相互作用力是作用在不同物體、不可以合成抵消、同種性質、同時變化。

師：如圖9 所示，馬拉車加速前進時，馬拉車的力與車拉馬的力是否相同？

生：因為車在加速前進，所以馬拉車的力大于車拉馬的力。

師：馬拉車的力與車拉馬的力是不是一對相互作用力？

生：是。

師：既然是一對相互作用力，根據前面所講的知識，它們大小不是應該相等嗎？

生：我也覺得應該相等，可是車在加速前進？

這時教師不要急于給出解釋，而應充分發揮以教師為主導、學生為主體的教學理念，充分組織全班同學進行交流討論，進行生生互動、師生互動來突破本節課的教學難點。

師：馬拉車的力作用在車上，車拉馬的力作用在馬上，作用在不同物體上的力，剛才在表2 已得出是不能合成抵消的。實際上馬車是否加速應該取決于馬車的受力情況，馬車水平方向受到哪些力？

生：受到馬拉車的力和地面對車的阻力。

師：只要馬拉車的力大于地面對車的阻力，馬車就可以加速前進。如果如圖9 所示馬拉車勻速（減速）前進時，馬拉車的力與車拉馬的力是否相同？

圖9

生：相同，只要兩個力是相互作用力，大小總是相同。

設計意圖：多年教學經驗及調查了解發現，學生對“相互作用力作用在不同物體不能合成抵消”這一知識點不太能理解，在實際解題當中，很容易混淆平衡力和相互作用力。通過馬拉車加速（勻速、減速）的例子的講解，可以促進學生深度思維，進一步區別平衡力和相互作用力，突破教學難點，有利于學生對牛頓第三引導定律的深度理解掌握。

師：為什么我們可以利用如圖1 所示把粉筆盒靜置在電子秤上，就可以稱出粉筆盒的重？

引導學生得出：由于粉筆盒受到重力G和支持力N，二力平衡，G=N，而電子秤對粉筆盒的支持力N與粉筆盒對電子秤的壓力N′是一對相互作用力，根據牛頓第三定律，N=N′，等量代換，N′=G，電子秤顯示的示數等于N′，所以就可以求出物體的重。

師：如圖4，為什么粉筆盒隔空放在電子秤上方，電子秤會顯示有示數？

（前后呼應，“隔空稱重”魔術揭秘。教師透露分別在電子秤上面和粉筆盒下面暗藏著一個紐扣式強磁體如圖10 所示，利用它們同名磁極相互排斥，才使得電子秤顯示有示數）

圖10

師：你還能舉出生活中有哪些是利用牛頓第三定律的例子嗎？

（引導學生得出游泳、跳臺跳水、火箭升空等，讓學生體會物理來源于生產、生活，學好物理可以解決很多實際問題）

設計意圖：掌握規律的目的在于能夠學以致用，運用規律解決實際問題。運用規律的過程，是將抽象的物理規律具體化的過程，既可以鞏固、深化和活化對規律的理解掌握，又可以進一步發展學生科學思維、提高學生分析和解決問題的能力，促進物理學科核心素養的形成。

總之，教師在進行物理規律的教學時，應基于物理學科核心素養確定教學目標，在教學設計和教學實施過程中重視情境的創設，采取通過“情境+問題”的方式，將知識點轉變為探索性的問題點、能力點，讓學生始終置于探索者的位置，親歷一系列探索過程，使學習過程成為“發現”或“再發現”的過程，去揭示并感受物理規律發生的原因、物理規律形成的經過，進而在探索規律的過程中發展物理學科素養。