王永偉

摘 要：在新高考改革背景下，本文以“牛頓第三定律”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，討論在物理教學(xué)中如何提升實(shí)驗(yàn)探究能力和 科學(xué)思維能力，培養(yǎng)物理思維。

關(guān)鍵詞：教學(xué)設(shè)計(jì)；牛頓第三定律；物理實(shí)驗(yàn)探究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）12-0067-4

1 教學(xué)設(shè)計(jì)意圖

以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過分析、推理建立作用力與反作用力概念，進(jìn)而根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析、比較相互作用力的特點(diǎn)，歸納得出牛頓第三定律。最后，通過牛頓第三定律的簡單應(yīng)用鞏固所學(xué)的知識(shí)，感悟物理學(xué)在社會(huì)發(fā)展中的重要作用。

2 教學(xué)流程

2.1 案例一 引入

2.1.1 課堂預(yù)設(shè)

觀看“天宮二號(hào)”升空的錄像片段，由它的升空原理引入新課，學(xué)生觀看視頻材料并進(jìn)入積極主動(dòng)的思考狀態(tài)。

設(shè)問1：每個(gè)課桌上都有一個(gè)竹蜻蜓，搓動(dòng)竹蜻蜓豎桿并釋放，它就能升空。為什么呢？

活動(dòng)I 設(shè)問1，（學(xué)生）實(shí)驗(yàn)1（竹蜻蜓升空）

從學(xué)生親身感受作用力和反作用力現(xiàn)象開始，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過尋找“反作用力”得到“作用力與反作用力總是成對(duì)出現(xiàn)”的結(jié)論，然后明確作用力與反作用力之間大小、方向以及作用點(diǎn)的關(guān)系，繼而通過自主活動(dòng)學(xué)會(huì)分析作用力和反作用力。目的是讓學(xué)生在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中感受力的作用是相互的，進(jìn)而理解作用力與反作用力的概念。

2.1.2 課堂實(shí)錄

（一）引入（觀看“天宮二號(hào)”升空的錄像）

師：視頻中天宮二號(hào)為何能升空？這就是我們今天的研究課題。課桌上的竹蜻蜓，為什么搓動(dòng)其豎桿并釋放，它就可以在空中飛行？

生：我認(rèn)為因?yàn)樗艿搅艘粋€(gè)向上的力。

師：好。下面我們通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證一下這個(gè)同學(xué)的結(jié)論是否正確。請(qǐng)看學(xué)案第一題：竹蜻蜓為何可以在空中飛行？

（二）通過實(shí)驗(yàn)建立概念

學(xué)生實(shí)驗(yàn)1：搓動(dòng)竹蜻蜓后，使其豎桿在兩手手心內(nèi)旋轉(zhuǎn)，手背感覺到有風(fēng)。

師：請(qǐng)同學(xué)們感受手背是否有風(fēng)掠過？

生：有！竹蜻蜓葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)空氣有一個(gè)向下的作用力，同時(shí)空氣對(duì)竹蜻蜓葉片也有一個(gè)向上的作用力，使得竹蜻蜓能在空中飛行。

師：說明物體間力的作用是相互的。當(dāng)一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體施加力的作用時(shí)，這個(gè)物體同樣會(huì)受到另一個(gè)物體對(duì)它的力的作用，我們把這個(gè)過程中出現(xiàn)的兩個(gè)力分別叫做作用力和反作用力。

2.2 案例二 實(shí)驗(yàn)探究

2.2.1 課堂預(yù)設(shè)

活動(dòng)II 設(shè)問2，演示實(shí)驗(yàn)2、3、4與6和學(xué)生實(shí)驗(yàn)5

設(shè)問2：作用力與反作用力有什么特點(diǎn)？

（演示）實(shí)驗(yàn)2：置若干玻璃棒于桌面上，然后把木板放在玻璃棒上，再把電動(dòng)小車放在木板上，打開開關(guān)，玩具車向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，木板向后運(yùn)動(dòng)。

（演示）實(shí)驗(yàn)3：兩小車放在桌面上，再在兩小車上各放上一條條形磁鐵，當(dāng)同名磁極相對(duì)時(shí)，兩小車遠(yuǎn)離；當(dāng)異名磁極相對(duì)時(shí)，兩小車相互靠近。

（演示）實(shí)驗(yàn)4：將物體用彈簧秤吊著放入盛水的燒杯中，看彈簧秤示數(shù)變化；另觀察燒杯下臺(tái)秤示數(shù)變化。

（學(xué)生）實(shí)驗(yàn)5：用彈簧秤實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生探究作用力與反作用力的大小所遵循的規(guī)律。

（演示）實(shí)驗(yàn)6：用DIS力傳感器探究作用力與反作用力的大小所遵循的規(guī)律。

設(shè)置這四個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生邊觀察實(shí)驗(yàn)，邊分析總結(jié)作用力與反作用力的特點(diǎn)，從而得到牛頓第三定律。DIS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證牛頓第三定律，可以使同學(xué)們對(duì)作用力與反作用力的瞬時(shí)性與同步變化有直觀、深刻的印象。讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探索，尋找規(guī)律；分析歸納，總結(jié)規(guī)律。通過對(duì)物體相互作用的實(shí)驗(yàn)和親身感受過程，得出牛頓第三定律，并理解牛頓第三定律，理解作用力與反作用力之間的大小、方向的關(guān)系。

2.2.2 課堂實(shí)錄

師：作用力與反作用力有什么特點(diǎn)？請(qǐng)看學(xué)案第二題：指出下列情況中各力的反作用力，并指出各力分別作用在什么物體上。

①人跳高時(shí)，腳對(duì)地的蹬力。（為簡化研究問題，認(rèn)為研究對(duì)象沒有穿鞋）

生甲：腳對(duì)地的作用力作用在地上，地對(duì)腳的力作用在腳上。

師：腳對(duì)地的力和地對(duì)腳的力，這兩個(gè)力的產(chǎn)生是同時(shí)的還是有先有后的，它們的性質(zhì)又是怎么樣的？先思考一下，我們?cè)倏吹诙☆}。

②人走路時(shí)，腳對(duì)地的摩擦力。

生乙：人走路時(shí)，腳對(duì)地的摩擦力作用在地上，反作用力在腳上。我認(rèn)為它們是同時(shí)產(chǎn)生的。性質(zhì)都是摩擦力。

師：第一小題中的兩個(gè)力的性質(zhì)是否相同？

生：我認(rèn)為它們是同時(shí)產(chǎn)生的。性質(zhì)也相同，都是彈力。

師：剛才我們通過例題，認(rèn)為作用力和反作用力是同時(shí)產(chǎn)生的，性質(zhì)也是相同的。下面我們?cè)偻ㄟ^一些實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證一下我們所得出的結(jié)論是否正確。

2.2.3 通過實(shí)驗(yàn)探究規(guī)律

實(shí)驗(yàn)2 在桌面上并排放上幾列玻璃棒，在玻璃棒上鋪一塊紙板，板上放一輛電動(dòng)小車。

師：小車向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？說明了什么問題？

生：車在向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，木板向后運(yùn)動(dòng)。車之所以向前運(yùn)動(dòng)是木板給它一個(gè)向前的力，同時(shí)車給板一個(gè)向后的力，這兩個(gè)力的性質(zhì)一樣，都是摩擦力。

師：除了這些力以外，其他力是否也滿足這些條件呢？下面我們?cè)賮砜匆粋€(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)3：在桌面上放兩輛磁性小車，左右手分別拿著一輛小車。

師：將帶有磁鐵的小車放在光滑桌面上，靠近，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象，如何解釋？

生：當(dāng)磁鐵的同名磁極靠近時(shí)，放手后兩輛小車被推開；當(dāng)異名磁極接近時(shí)，放手后兩輛小車被吸攏。作用力與反作用力性質(zhì)相同，是一對(duì)磁場力。endprint

師：液體是否也滿足這些條件呢？我們接著來看下一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)4：將物體用彈簧秤吊著放入盛水的燒杯中，注意彈簧秤示數(shù)變化，并觀察燒杯下臺(tái)秤示數(shù)變化。

師：放入水中后，彈簧秤和臺(tái)秤示數(shù)變化了嗎？為什么會(huì)變化？

生：水對(duì)物體有一個(gè)向上的力，同時(shí)物體對(duì)水也有一個(gè)向下的力。

師：由此我們得出了作用力和反作用力的特點(diǎn)：兩物體之間的相互作用力同時(shí)產(chǎn)生，同時(shí)消亡，且兩作用力的性質(zhì)相同，作用方向相反，作用在兩個(gè)不同的物體上，作用在同一條直線上。但是，無法得到兩力的大小關(guān)系。接著我們還要研究作用力與反作用力的大小與方向的關(guān)系，請(qǐng)大家通過實(shí)驗(yàn)來探究。

實(shí)驗(yàn)5：學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究物體間的相互作用力（彈簧測力計(jì)）

師：請(qǐng)同學(xué)們先將兩個(gè)彈簧測力計(jì)調(diào)零，接著把兩個(gè)測力計(jì)的吊鉤勾在一起，模仿拔河比賽，并分兩種情況進(jìn)行。兩個(gè)彈簧測力計(jì)勾在一起拉，處于靜止不動(dòng)時(shí)；兩個(gè)彈簧測力計(jì)勾在一起拉，并向某一方向運(yùn)動(dòng)。

師：我們可以得到什么結(jié)論？

生：靜止時(shí)，兩個(gè)物體之間的相互作用力大小相等，方向相反，但是運(yùn)動(dòng)過程中示數(shù)不太穩(wěn)定。

師：彈簧測力計(jì)的示數(shù)在運(yùn)動(dòng)過程中不便于觀察，接下來我們用更精確的測量工具來探究作用力與反作用力的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)6：用DIS力傳感器研究物體間的相互作用力。

師：我們看到兩個(gè)力的圖像是完全對(duì)稱的，由此可以得出什么結(jié)論？

生：兩個(gè)物體之間的相互作用力大小相等，方向相反。

這部分內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)力求體現(xiàn)新高考改革的精神，注重提高學(xué)生的基本科學(xué)素養(yǎng)和探究能力。在教學(xué)過程中倡導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、探究性、合作性，讓學(xué)生主動(dòng)參與，體驗(yàn)和感悟科學(xué)探究的過程和方法，激發(fā)他們持久的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，并在探究過程中培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力，逐步實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生逐步養(yǎng)成敢于質(zhì)疑、善于交流、樂于合作、勇于實(shí)踐的科學(xué)態(tài)度。利用多媒體、演示實(shí)驗(yàn)、舉實(shí)際例子、學(xué)生動(dòng)手做、動(dòng)筆練等多種教學(xué)手段，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。上課過程中注重知識(shí)的層次性和漸進(jìn)性，抓住重點(diǎn)，突破難點(diǎn)。

2.4 案例三 辨析與應(yīng)用

2.4.1 課堂預(yù)設(shè)

活動(dòng)III （學(xué)生）實(shí)驗(yàn)7，設(shè)問3

（學(xué)生）實(shí)驗(yàn)7：進(jìn)行小型拔河比賽。請(qǐng)大個(gè)子同學(xué)和一位小個(gè)子同學(xué)手拉手進(jìn)行拔河比賽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大個(gè)子同學(xué)勝了。

設(shè)問3：既然兩個(gè)力大小相等，那么拔河比賽時(shí)，為何還存在勝負(fù)之分？既然兩個(gè)力大小相等，方向相反，那么是不是加起來合力為零？

繼續(xù)試驗(yàn)7：再請(qǐng)大個(gè)子同學(xué)站在滑板上和一個(gè)小個(gè)子同學(xué)重新進(jìn)行手拉手拔河比賽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小個(gè)子同學(xué)輕松獲勝。

在該部分的教學(xué)中通過事實(shí)歸納得出結(jié)論，加深了對(duì)相互作用的認(rèn)識(shí)，也有助于它們與平衡力加以區(qū)別。運(yùn)用比較分類方法區(qū)分出一對(duì)作用力和反作用力與一對(duì)平衡力，讓學(xué)生更全面地了解兩者的性質(zhì)，并培養(yǎng)學(xué)生會(huì)用學(xué)過的規(guī)律解釋物理現(xiàn)象的能力。

活動(dòng)IV （演示）實(shí)驗(yàn)8，牛頓第三定律的應(yīng)用與總結(jié)

（演示）實(shí)驗(yàn)8：（氣球飛天實(shí)驗(yàn)）當(dāng)氣球中的氣體從尾部急速向下噴出時(shí)，氣球向上沖去。

應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決一些簡單的實(shí)際問題，進(jìn)行鞏固和遷移。通過實(shí)驗(yàn)，演示牛頓第三定律在火箭中的重要應(yīng)用，由火箭聯(lián)想到在航空航天史上有杰出貢獻(xiàn)的愛國科學(xué)家錢學(xué)森，很自然地進(jìn)行愛國主義教育。并由此將學(xué)生引向更深入的問題，讓學(xué)生應(yīng)用所學(xué)找出解決問題的突破點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的求實(shí)精神和分析問題的科學(xué)能力，并激發(fā)愛國情懷。

2.4.2 課堂實(shí)錄

師：我們研究了牛頓第三定律，下面我們請(qǐng)兩位同學(xué)上來再做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)7 拔河比賽：請(qǐng)大個(gè)子同學(xué)和一個(gè)小個(gè)子同學(xué)手拉手進(jìn)行拔河比賽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大個(gè)子同學(xué)勝了。

師：對(duì)剛才的實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)同學(xué)們認(rèn)真想一想，大個(gè)子同學(xué)和小個(gè)子同學(xué)之間的拉力哪個(gè)大？

生眾：一樣大。

師：對(duì)，我們剛才學(xué)了牛頓第三定律，作用力和反作用力總是大小相等。既然兩個(gè)力一樣大，為什么他贏了呢？

師：下面我給大家一些提示：剛才那個(gè)同學(xué)是站在地面上的，如果讓他站在滑板上，他是否還能贏？

再請(qǐng)大個(gè)子同學(xué)站在滑板上和一個(gè)小個(gè)子同學(xué)重新進(jìn)行手拉手拔河比賽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小個(gè)子同學(xué)輕松獲勝。

師：為什么會(huì)這樣呢？

生：因?yàn)閮蓚€(gè)同學(xué)受到的摩擦力不一樣。

師：我們研究一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)，要對(duì)這個(gè)物體進(jìn)行受力分析。而作用力與反作用力是同時(shí)分別作用在兩個(gè)物體上的力，不能求合力。只有當(dāng)一個(gè)物體受到大小相等，方向相反，作用在同一條直線上的兩個(gè)力時(shí)，它們的合力才為零。為此，我們特別要注意相互作用力與平衡力的關(guān)系。

師：牛頓第三定律中提到的是分別作用在兩個(gè)物體上的力，人走路時(shí)腳對(duì)地有作用力，地對(duì)腳有反作用力；船航行時(shí)槳對(duì)水有作用力，水對(duì)槳有反作用力。那么在前面的視頻中，天宮二號(hào)在太空中飛行時(shí)，只有一個(gè)物體，它是怎樣在真空中飛行的呢？

實(shí)驗(yàn)8：（“氣球飛天”實(shí)驗(yàn)）當(dāng)氣球中的氣體從尾部急速向下噴出時(shí)，氣球向上沖去。

師：牛頓第三定律的應(yīng)用非常廣泛，人走路、汽車向前運(yùn)動(dòng)、噴氣式飛機(jī)的飛行無不與此規(guī)律有關(guān)。我國早在宋代就發(fā)明了“火箭”，在竹筒里裝入火藥，把竹筒的前端封閉住，并捆在箭桿上?；鹚廃c(diǎn)燃后，燃燒生成的氣體以很大的速度從竹筒內(nèi)向后噴出，該氣體同時(shí)對(duì)火箭產(chǎn)生反作用力，使箭體向前飛去。到了明代，我國還制成了原始的二級(jí)火箭。最近，我國用長征火箭將“天宮二號(hào)”送入太空，就是牛頓第三定律應(yīng)用的最好例證。

這部分內(nèi)容通過辨析作用力和反作用力與一對(duì)平衡力的關(guān)系，加深了同學(xué)們對(duì)于牛頓第三定律的理解。

3 基于物理實(shí)驗(yàn)探究能力培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

本節(jié)課中，以大量的實(shí)驗(yàn)說明力的作用總是相互的，然后由學(xué)生通過兩個(gè)彈簧測力計(jì)自主探究了作用力與反作用力的關(guān)系。在突破運(yùn)動(dòng)過程中的作用力與反作用力也是等大、反向的這一教學(xué)難點(diǎn)時(shí)，教師采用了力的傳感器，通過計(jì)算機(jī)圖像直接顯示，效果非常直觀。最后，通過一道練習(xí)來比較一對(duì)作用力與反作用力與一對(duì)平衡力的異同點(diǎn)。

這節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)立足于新課程理念，提倡學(xué)習(xí)的自主性、探究性和合作性，讓學(xué)生主動(dòng)參與，體驗(yàn)和感悟科學(xué)探究的過程和方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并在探究過程中培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，逐步實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)方式的改變，使學(xué)生逐步養(yǎng)成敢于質(zhì)疑，善于交流，樂于合作，勇于實(shí)踐的科學(xué)態(tài)度。在課堂中注重了知識(shí)的層次性和漸進(jìn)性，抓住重點(diǎn)，突破難點(diǎn)，利用多媒體手段，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

本節(jié)課的不足之處在于由于學(xué)生還未深入學(xué)習(xí)牛頓第二定律及超失重現(xiàn)象，對(duì)于臺(tái)秤示數(shù)到底是什么力學(xué)生較難理解。

參考文獻(xiàn)：

[1]冷冰冰.高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的核心素養(yǎng)分析[J].教育導(dǎo)刊，2015（8）：49-52.

（欄目編輯 鄧 磊）endprint