以牛頓第三定律為例探究高中物理課程培養學生核心素養的策略

葉 新

(江蘇省常熟市梅李高級中學 215511)

牛頓第三定律作為高中物理核心教學內容之一，不僅是促成學生相互作用觀形成的重要基礎，更與培養學生科學的思維及探究等能力的重要載體.可見，學習牛頓第三定律對學生物理學科核心素養的培養有著不可或缺的積極作用.如今，隨著我國教育事業的不斷發展，越來越多的教學方法也被廣泛運用到了各學科教學，經大量的教學實踐表明，這些教學方法均有其獨到之處.對此，教師亦當積極運用這些教學方法，一方面響應我國基礎教育改革的號召，另一方面則是要致力于學生物理核心素養的發展，為學生今后的學習及生活打下牢固基礎.

1 巧設物理課堂教學問題，引導探究方向

鑒于課堂教學時間并非無窮無盡，故教師若不注重教學中的指引而仍由學生信馬由韁式的進行探索，勢必難以達成探究目的，且也無法培養學生的探究能力.對此，若教師能設計出兼顧開放性與指導性的問題，則勢必能讓學生的主體性及教師的指導性均得以充分、有效的發揮.更重要的是，高中物理各章節本就涉及眾多探究活動，而探索活動的開展效果又將決定課堂教學效益能否實現.對此，若每一個探究環節均能基于若干問題的指引，以此使得探究任務及目的均能得以具體化，則能為學生明確探究過程需注意的事項，由此將避免陷入盲目性探究.

如針對“作用力與反作用力關系”的具體探究，教師便可提出如下三個問題來指引學生，如“你們在探究過程中開展過哪些實驗？”、“在實驗中觀察到了怎樣的現象？”、“實驗解決了哪些問題？倘若器材充分，你們還想進行哪些實驗呢？”基于上述問題的提出，將為學生的探究過程指明方向，繼而在避免了探索的盲目性同時也確保了理想的教學成效.

如圖1所示，創設之情境為三夾板上鋪放幾根玻璃管以及一輛自重較大的玩具小車，將玩具小車啟動后，玩具小車會向前運動.且將三角板向后運動時，其移動的距離要大于玩具小車.

圖1

問題一：該過程包含了怎樣的物理現象，這些現象又分別是何原因所導致？

學生經過討論認為小車是受到了三夾板的向前摩擦力，故會出現向前運動的現象；而當三夾板向后運動時，小車也會同時產生向后的摩擦力，故放置在三夾板之下的玻璃管，最主要的作用亦是為了增加小車與三夾板之間的摩擦力.

同樣針對上述實驗過程，部分學生還可能會提出這樣的問題.如是何原因導致小車的運動速度不一樣？基于學生思路，教師亦可順勢提到“在小車與三夾板處于運動狀態后，三夾板的運動速度要明顯快于小車，而導致速度差異的原因是兩者收到的摩擦力不相等嗎？”

對于上述提到的現象，不少學生表現得較為吃驚.原因便在于此前接觸過牛頓第二定律的相關內容，但在實踐中的運用尚需經歷較長的過程方能完全理解.故針對物體間力大小相等這一概念引起的質疑亦將激起他們的探索興趣.至此，教師亦可順勢提出引導性的問題，如“物體在相互作用時，其力大小是否相等？”

反思：在《普通高中物理課程標準》中，就科學探究的四個基本環節予以了明確，分別是問題、論證、解釋及交流.由此可見，探究的起點當是提出問題，且相較于問題解答，能提出問題顯得更為重要.原因便在于，學生能提出問題，說明其在學習中發揮了自主權，且在求知欲的驅使下，學生也更能融入到科學探究中.當然，該如何喚醒學生的問題意識，不僅需要教師就學生當前的知識水平及能力來創設適宜的教學情景，同時亦需找準學生興趣所在，避免打擊學生的學習積極性.

2 結合實際生活創設物理實驗，優化課堂教學內容

物理本是一門源于生活的學科，諸多的物理知識也均是自生活實踐及應用中提煉而來，故在生活的各個角落也均能窺見物理知識的身影.對此，針對學生物理核心素養的培養，不僅要讓學生認清物理科學的本質，具體教學過程還需基于物理課堂與實驗的介質，將教學與學生的日常生活緊密聯系到一起，以此方有助于提高學生學習積極性與有效性，并為學生之后的學習及生活打下牢固基礎.

如針對“牛頓第三定律”中“力的作用”教學，教師便可提出如下生活化實例，如人們常說的“以卵擊石”，意思便是利用雞蛋攻擊石頭，雞蛋破裂但石頭仍完好無損.深入探究此現象是否能將此過程理解為雞蛋與石頭的作用力對比，石頭的作用力大于雞蛋？

對高中物理學科教學而言，實驗還是發展學生動手實踐、分析、觀察等一眾核心素養及能力的重要載體.因此，教師亦需注重實驗與教學的有機結合.換言之，即教師需有意識地利用實驗教學來增進學生對高中物理知識的理解與掌握，以此在端正學生的學習態度同時建立物理學習信心.如針對“運動描述”的基礎知識教學，教師便可借由打點計數器工具來引導學生開展相關實驗，而實驗過程不僅可檢驗學生的知識掌握程度，且能深化學生對相關概念的認知并加深他們的學習記憶，這對學生科學意識及思維的建立均有莫大助益.

3 創新物理教學方法，鍛煉學生科學研究能力

物理學科本對實際操作尤為看重，而實驗又是物理教學不可或缺的重要基礎.對此，若教師可借助物理實驗的開展來促使學生了解并掌握物理學科的知識及諸多概念，勢必能進一步強化學生的物理探究能力并促進學生科學探究能力的有效發展.至于實驗教學的具體過程，首先，教師需打破傳統僅有教師示范，而學生僅能被動觀察的局面，將實驗教學的主動權交于學生.而為讓學生少走彎路，教師可在學生實驗前首先講述實驗所包含的物理理論知識及實驗過程應當重點關注的事項，而后提出與之相關的問題，一來為學生留下想象空間，二來則為學生進行實驗假設提供方向.基于教師的指引，學生將明確自身實驗的方向；其次則是要引導學生對此前的猜想加以驗證；最后再指導學生自主整理并歸納實驗結論.通過學生自主的實驗及反思，將能讓學生認清自身的不足并促進學生科學探究能力的提升.

4 師生合作探究，提高學科探究能力

探究作為人類了解自然科學最主要的方法，亦是培養學生問題意識最有效的途徑.當然，基于任何結論均需輔以有力的證據方能得到廣泛認可，故在提出問題后，便需設計相關實驗來加以佐證.如針對牛頓對物體間相互作用的研究，其所設計的實驗便是圍繞了物體碰撞的問題.而笛卡爾作為較早研究碰撞問題的科學家，他的諸多做法及思想也深深影響了牛頓，也正是基于笛卡爾的研究，方為牛頓提供了諸多極具價值的研究思路.當然，兩者研究亦有明顯的差異，牛頓的研究主要圍繞物體間的相互作用力，而非為動量及動量守恒.對此，教師在教學牛頓第三定律時，亦當為學生介紹演示實驗的設計思路.

演示實驗1：如圖2所示，在氣墊軌道的前端放置兩個裝有彈簧碰撞圈的滑塊，后每隔一段距離放置兩個光電門，通過撥動滑塊，使其在軌道上相向運動，以此發生碰撞.

圖2

問題1：兩滑塊在碰撞過程中受到的力分別來自于哪個方向？

教師引導：假設滑塊于氣墊上的運動不存在摩擦力，則兩滑塊碰撞時受到的力則等同于起各自受到的合力，而根據牛頓第二定律F=ma，故若要求出兩滑塊在滑動過程中分別收到的撞擊力大小，僅需分別測出兩滑塊質量m以及碰撞瞬間的加速度a即可.其中，針對加速度a的求解，根據運動學設光條寬度為d，則可基于公式v=d/t得出碰撞后各自的速度.

實驗原理，在借助加速度計算公式得出兩滑塊在滑動過程中各自的加速度后，再運用公式F=ma便可計算出兩滑塊在碰撞后各自將受到的撞擊力大小，而后再比較撞擊力便能得出最終結論.

表1

由于兩滑塊在相互碰撞后還將往反方向運動，故此間有關加速度的數學表達式也應為a=(d/t2+d/t1)/T，后因兩滑塊遮光條寬度d、碰撞時間T以及質量m相等，故次表達式最終可轉化為md/T[(t1+t2)/t2t1].

總之，力是物體之間的相互作用，我們把物體間相互作用的這一對力叫做作用力與反作用力，它們之間的關系遵循牛頓第三定律.牛頓第三定律在我們的日常生活和工程技術中的應用非常廣泛.學完本節知識后，我們一定要理論聯系實際，讓物理走進生活，會運用我們學過的這些物理知識科學地解釋發生在我們身邊的這些物理現象.