基于践行物理核心素养的《牛顿第三定律》教学设计案例

梁吉峰+毛艳玲

摘 要：以力传感器的学生分组实验探究为基础，同时运用观察、比较、综合分析等多种理论探究方法，以《牛顿第三定律》为课堂整体设计方案，将相互作用力关系特点通过图象进行定量化分析，旨在培养学生的科学思维和科学探究的物理核心素养和质疑、求真的科学精神.

关键词：牛顿第三定律；质疑；物理科学方法；物理核心素养

1 创设情境 导入新课

演示与提问：

（1）问题1.首先对我们这节课将要进行的研究鼓掌加油.在拍手时，两手之间有什么感觉？

（2）白板展示生活中各个方面相互作用的图片.

（3）问题2.对于这些相互作用，从初中开始到现在，你大约知道哪些相关特点？

利用当时效应和身体体验，既可以引起学生兴趣，也激发了表达的热情；而来源于生活中相互作用的引入，又进一步提高学生的关注度，使学生的注意力很快集中到本节课要探究的问题中来，又想探究、甚至于着急探究的欲望.

演示与设问：

（1）看来对相互作用力的时间问题上有困惑，现在就来关注.同学请看，这是一根细橡皮筋，向两边拉的时候，两边的力一起有、一起变大，突然断了，一起消失.

（2）你们猜想一下，相互作用的两个力可能是什么关系？

通过现象，让学生从感官上体会相互作用力的变化过程中，大胆猜想出千变中一定有一个不变的因素——作用时间，这种辩证统一的哲学思想，培养了学生在科学研究中，逻辑思维的方法和大胆设疑、猜想的精神.

2 实验探究 新课教学

2.1 大小关系、作用时间关系的探究

演示与提问1：左右手分别拉弹簧拉力器的两端.此时两手的拉力是不是相互作用力？

演示与提问2：用力传感器拉刚才一样的细橡皮筋，拉力开始有、变化、保持，直到断了，此时的图象说明什么呢？

让学生真切地看到相互作用力在等时方面的特点：同时产生、同时保持、同时变化、同时消失.这种科学严谨的定量探究与前面由直观现象的定性探究形成对比，极大地培养学生利用观察法、比较法、科学抽象法等科学研究方法的意识，对于物理规律的理解大有好处.

演示与提问3：同学们会有个疑惑，你见过鸡蛋碰石头吗？你见过鸡蛋碰碗吗？鸡蛋碰碗，鸡蛋碎，碗完好.

从橡皮筋间的相互作用到鸡蛋碰碗，由远及近、由抽象到具体、由陌生到熟悉，这个过程的比较，让学生的兴趣达到了极点.通过实验导致悖论，培养学生勇于质疑、敢于思考的科学态度.

提出问题：通过什么办法来证明这两个力一样大还是不一样大呢？鸡蛋易碎，但是一瞬间就结束了.我们想的办法，最好是把一头破一头没破的相互作用过程的每一个瞬间，即形状慢慢改变的过程中，相互作用力关系情况，都通过图象展示出来.怎样设计呢？

演示与提问4：用传感器的一个钩子去戳另一个钩子上的苹果（苹果牌传感器），过程为没破、破、扎进内部的过程.

质疑等大，然后证明等大，这就是否定之否定，也可以说是质疑后的肯定，这种辩证法体现了真正的科学精神：实事求是、一丝不苟、不盲从权威.让学生再次领略了科学探究的魅力，便会对以后的探究产生极大的吸引力.

提出问题：这两个力等大，为什么鸡蛋破了，碗没有破呢？

演示与提示：同时用传感器的钩子用力去戳鸡蛋、碗（学生辅助操作），观察图象.鸡蛋破时，碗还没有破，但力的大小相差很大.

一系列问题的提出紧紧围绕相互作用力大小关系的困惑，由浅入深、层层递进、步步深入，不但使学生对知识的理解愈加深入，也让他们了解了科学的探究过程.在得到了相互作用力确实等大的结论后，学生正处于极度兴奋中时，方向急转——等大为什么蛋破碗全？产生视觉冲击，制造认知沖突，既为作用力的异效埋下伏笔，也培养了学生执着、求真、求实的科学精神，也是培养学生责任感的好机会.

演示与提问5：伸出手，压在桌面上，手给桌子向下的压力，作用在桌子上；同时桌面给手支持力，作用在手上.这两个力的合力等于多少？

手压桌面，可以使学生亲身体验物理情境，充分体会相互作用力.这样可以帮助学生更加真切的感受到相关的物理现象，从而更加深刻的理解物理规律.

提出问题：对于手本身，受到重力和支持力，这两个力的合力是多少？

在学生亲自手压桌面体会相互作用力后，话锋一转——两个力的合力是多少？就是让学生在受骗中锻炼物理思维.比较相互作用力和平衡力的区别，首先是应用比较法，通过具体情境让学生亲自鉴别，这是隐性的渗透科学方法.显性的讲解与隐性的渗透相结合的方法是培养学生物理科学方法的主要途径.

同学们分组探究：拉力、推力、滑动摩擦力、匀速拉、加速拉、水中拉等，然后汇报.

学生亲自用力传感器探究，是让他们最大限度地充分体验探究的过程，体会探究的形式 、探究的方法以及获得正确结论所带来的快感；初步感受科学家进行科学探究的过程，通过自己的实验、观察、分析、推理、讨论、总结等一系列实践活动和思维活动来自主建立科学概念和总结出科学规律.

总结与提问6：（1）等大、共线、共性、同时；反向、异物、异效.四同三异（同中求异，异中求同）

（2）牛顿第三定律

（3）对定律的内容中，哪个方面有点小疑惑？

2.2 共线关系的探究

引导与演示：（1）重力、弹力、摩擦力性质的相互作用力的共线显而易见.

（2）将一个小磁针绕另一个转动（摄像头监拍、白板显示）.

应用比较法进行共线关系的探究：首先理论探究重力、弹力、摩擦力这些熟悉的相互作用力的共线，然后实验探究磁力间的相互作用的共线.让学生再次体会，理论与实践的统一、殊途同归的物理之美.然后师生共同阅读课本，给出牛顿第三定律的内容.老师强调牛顿第三定律是牛顿等前人在很长时间内对大量事实进行总结的结果.

2.3 “总是”的含义

引导与总结：不管两个物体质量大小、材料种类、具体形状以及形状的变化.

不管是哪种力，不管哪种运动形式，不管是在哪种介质中，表达式：F12=-F21.

2.4 性质关系的探究

引导与提问7：（1）手压桌面的压力与桌面给手的支持力都是弹力性质.

（2）漂浮在水面的乒乓球受到哪几个力的作用？它们的反作用力各是哪个力？

（3）力的反作用力是球给地球的力；浮力的反作用力是球对水的压力.

又一次让学生体会理论与实验比较的物理科学探究方法.

2.5 效果关系的探究

引导与提问8：力有哪几种作用效果？

演示与提问9：（1）两只手左右拉正中间打结的橡皮条，效果是否相同？

（2）这里隐藏着什么不同？

引导与提问10：力的作用力与反作用力的效果有没有形变大小不同的时候，如何设计实验？

演示与设问.（1）将两个充满气体、不同颜色的气球对压，瞬间释放.

（2）两个气球运动状态的改变是否相同？

（3）同学们是否注意到，被弹开的气球又靠近了，是否是相互作用力的效果呢？请课下思考.

分步、分层、分类型探究.两次拉橡皮条的目的不同：一拉橡皮条是引导学生思考形变的方位不同；二拉橡皮条是引导学生体会到形变的大小也不同.再让学生回忆蛋碰碗的效果做对比；两个相互挤压气球被弹开，是引导学生观察到运动状态的改变确实也不同.让学生直观、真实地感受到力的作用效果和相互作用力的不同效果.思考问题的设计，是为了学生进一步理解相互作用力.

3 基本应用：三种情境

情境1：俩人手拉手“拔河”.

情境2：燃气向上推动火箭.

情境3：亚里士多德派的马车拒绝拉货车.

引导与提问11：马拉车与车拉马的力等大，为什么车被拉动了？与拔河比赛情况是否相同？

选择马拉车，一是可以回扣引课中的拔河，并且是贴近生活的现象，二是与牛顿第三定律结合紧密，三是为了解决许多人（包括不学物理的人）对此类现象理解的误区.依然采用作用于不同物体上的相互作用力（马拉车与车拉马的力）与作用于一个物体（车）上的两个力（马拉车的力和摩擦力）进行比较分析，既可以使学生更清楚认识相互作用力，也明白研究问题时，确立研究对象的重要性.就可以让他们深切的体会到“物理来源于生活，服务于生活”的道理，增强热爱生活的热情和学习物理的积极性.

4 教学设计说明：

基于牛顿第三定律是与生产、生活、科技、航天、军事等领域联系密切的重要的物理规律，这节课的设计采用了探究式课堂教学模式，即“探究——体验——内化——外延”的物理探究教学模式，这样不仅可以大大激发学生的求知欲和物理学习的主动性和积极性，而且还能够有效的帮助学生树立力的相互作用观念，培养科学思维方式和科学探究能力，并且帮助学生在自主的亲身体验过程中感悟科学精神、树立科学态度和责任，提升物理核心素养.

4.1 加大实验探究的手段和力度，让学生在亲身体验中获得真知

实验探究是这节课的重点和核心，总体探究模式是首先由教师与学生一起提出科学探究的目标和实验设计方案，然后选择相关实验器材进行自主探究，在探究的过程中教师适时启发和点拨指导，让学生“像科学家一样思考”.这样学生在课堂上通过实验、观察、分析、推理、讨论、总结等一系列实踐活动和思维活动来自主建立物理概念和总结物理规律.尤其是实验中选择的器材（鸡蛋、碗、橡皮筋、苹果、气球等）大都是生活中常见物品，这些普通的物品在实验探究中却显示出科学的、不平凡的现象和效果.这样设计的目的力求不仅对学生的视觉产生冲击，制造认知冲突，激发求知欲望，引起求知的兴趣，而且也引导学生热爱生活、学会观察生活的品质.尤其是课堂上师生共同探究相互作用力大小关系时：教师首先从学生熟悉的鸡蛋碰石头变为鸡蛋碰碗的演示来培养学生在科学探究中大胆质疑的精神，然后师生共同探讨并设计的独有的“苹果牌传感器”和学生亲自动手操作的分组实验的探究不仅仅提升了学生的科学思维能力和科学探究能力，还培养了学生严谨、求真、求实的科学态度和科学精神.

4.2 综合运用多种物理科学方法帮助学生进行理论探究

在探究相互作用力的共性，引导学生总结归纳相互作用力的七方面的特点以及引导学生思考相互作用力和平衡力的相同点和不同点等教学环节时，教师在引导学生回顾旧知识的基础上，采用了隐性渗透和显性讲解相结合的方式，综合运用了比较和分类方法、分析与综合方法等多种物理科学方法，旨在进一步培养学生科学的物理思维方式，通过科学方法帮助学生深刻理解相关物理规律.

通过《牛顿第三定律》整堂课的实验探究和理论探究的过程，旨在帮助学生树立相互作用观这一核心物理观念，使学生意识到自然界是普遍联系并且相互作用的一个统一体，培养学生运用辩证思维来分析问题和解决问题的能力，提升哲学素养.

参考文献：

[1] 张宪魁，物理科学方法教育[M]. 青岛：青岛海洋大学出版社，1996：

[2] 陶昌宏，探究性教学的“魂”——独立的思考 探索的实践[J].物理教师，2012（2）：1.

[3]人民教育出版社课程教材研究中心，普通高中课程标准实验教科书必修2[M]. 北京，人民教育出版社，2006：