基于物理实验探究能力培养的教学设计

王永伟

摘 要：在新高考改革背景下，本文以“牛顿第三定律”教学设计为例，讨论在物理教学中如何提升实验探究能力和 科学思维能力，培养物理思维。

关键词：教学设计；牛顿第三定律；物理实验探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）12-0067-4

1 教学设计意图

以实验为基础，通过分析、推理建立作用力与反作用力概念，进而根据实验结论分析、比较相互作用力的特点，归纳得出牛顿第三定律。最后，通过牛顿第三定律的简单应用巩固所学的知识，感悟物理学在社会发展中的重要作用。

2 教学流程

2.1 案例一 引入

2.1.1 课堂预设

观看“天宫二号”升空的录像片段，由它的升空原理引入新课，学生观看视频材料并进入积极主动的思考状态。

设问1：每个课桌上都有一个竹蜻蜓，搓动竹蜻蜓竖杆并释放，它就能升空。为什么呢？

活动I 设问1，（学生）实验1（竹蜻蜓升空）

从学生亲身感受作用力和反作用力现象开始，以此激发学生的学习兴趣。通过寻找“反作用力”得到“作用力与反作用力总是成对出现”的结论，然后明确作用力与反作用力之间大小、方向以及作用点的关系，继而通过自主活动学会分析作用力和反作用力。目的是让学生在这个实验过程中感受力的作用是相互的，进而理解作用力与反作用力的概念。

2.1.2 课堂实录

（一）引入（观看“天宫二号”升空的录像）

师：视频中天宫二号为何能升空？这就是我们今天的研究课题。课桌上的竹蜻蜓，为什么搓动其竖杆并释放，它就可以在空中飞行？

生：我认为因为它受到了一个向上的力。

师：好。下面我们通过实验来验证一下这个同学的结论是否正确。请看学案第一题：竹蜻蜓为何可以在空中飞行？

（二）通过实验建立概念

学生实验1：搓动竹蜻蜓后，使其竖杆在两手手心内旋转，手背感觉到有风。

师：请同学们感受手背是否有风掠过？

生：有！竹蜻蜓叶片转动时对空气有一个向下的作用力，同时空气对竹蜻蜓叶片也有一个向上的作用力，使得竹蜻蜓能在空中飞行。

师：说明物体间力的作用是相互的。当一个物体对另一个物体施加力的作用时，这个物体同样会受到另一个物体对它的力的作用，我们把这个过程中出现的两个力分别叫做作用力和反作用力。

2.2 案例二 实验探究

2.2.1 课堂预设

活动II 设问2，演示实验2、3、4与6和学生实验5

设问2：作用力与反作用力有什么特点？

（演示）实验2：置若干玻璃棒于桌面上，然后把木板放在玻璃棒上，再把电动小车放在木板上，打开开关，玩具车向前运动的同时，木板向后运动。

（演示）实验3：两小车放在桌面上，再在两小车上各放上一条条形磁铁，当同名磁极相对时，两小车远离；当异名磁极相对时，两小车相互靠近。

（演示）实验4：将物体用弹簧秤吊着放入盛水的烧杯中，看弹簧秤示数变化；另观察烧杯下台秤示数变化。

（学生）实验5：用弹簧秤实验让学生探究作用力与反作用力的大小所遵循的规律。

（演示）实验6：用DIS力传感器探究作用力与反作用力的大小所遵循的规律。

设置这四个实验的目的是让学生边观察实验，边分析总结作用力与反作用力的特点，从而得到牛顿第三定律。DIS实验验证牛顿第三定律，可以使同学们对作用力与反作用力的瞬时性与同步变化有直观、深刻的印象。让学生通过实验探索，寻找规律；分析归纳，总结规律。通过对物体相互作用的实验和亲身感受过程，得出牛顿第三定律，并理解牛顿第三定律，理解作用力与反作用力之间的大小、方向的关系。

2.2.2 课堂实录

师：作用力与反作用力有什么特点？请看学案第二题：指出下列情况中各力的反作用力，并指出各力分别作用在什么物体上。

①人跳高時，脚对地的蹬力。（为简化研究问题，认为研究对象没有穿鞋）

生甲：脚对地的作用力作用在地上，地对脚的力作用在脚上。

师：脚对地的力和地对脚的力，这两个力的产生是同时的还是有先有后的，它们的性质又是怎么样的？先思考一下，我们再看第二小题。

②人走路时，脚对地的摩擦力。

生乙：人走路时，脚对地的摩擦力作用在地上，反作用力在脚上。我认为它们是同时产生的。性质都是摩擦力。

师：第一小题中的两个力的性质是否相同？

生：我认为它们是同时产生的。性质也相同，都是弹力。

师：刚才我们通过例题，认为作用力和反作用力是同时产生的，性质也是相同的。下面我们再通过一些实验来验证一下我们所得出的结论是否正确。

2.2.3 通过实验探究规律

实验2 在桌面上并排放上几列玻璃棒，在玻璃棒上铺一块纸板，板上放一辆电动小车。

师：小车向前运动时，会发生什么现象？说明了什么问题？

生：车在向前运动的同时，木板向后运动。车之所以向前运动是木板给它一个向前的力，同时车给板一个向后的力，这两个力的性质一样，都是摩擦力。

师：除了这些力以外，其他力是否也满足这些条件呢？下面我们再来看一个实验。

实验3：在桌面上放两辆磁性小车，左右手分别拿着一辆小车。

师：将带有磁铁的小车放在光滑桌面上，靠近，会发生什么现象，如何解释？

生：当磁铁的同名磁极靠近时，放手后两辆小车被推开；当异名磁极接近时，放手后两辆小车被吸拢。作用力与反作用力性质相同，是一对磁场力。endprint

师：液体是否也满足这些条件呢？我们接着来看下一个实验。

实验4：将物体用弹簧秤吊着放入盛水的烧杯中，注意弹簧秤示数变化，并观察烧杯下台秤示数变化。

师：放入水中后，弹簧秤和台秤示数变化了吗？为什么会变化？

生：水对物体有一个向上的力，同时物体对水也有一个向下的力。

师：由此我们得出了作用力和反作用力的特点：两物体之间的相互作用力同时产生，同时消亡，且两作用力的性质相同，作用方向相反，作用在两个不同的物体上，作用在同一条直线上。但是，无法得到两力的大小关系。接着我们还要研究作用力与反作用力的大小与方向的关系，请大家通过实验来探究。

实验5：学生实验探究物体间的相互作用力（弹簧测力计）

师：请同学们先将两个弹簧测力计调零，接着把两个测力计的吊钩勾在一起，模仿拔河比赛，并分两种情况进行。两个弹簧测力计勾在一起拉，处于静止不动时；两个弹簧测力计勾在一起拉，并向某一方向运动。

师：我们可以得到什么结论？

生：静止时，两个物体之间的相互作用力大小相等，方向相反，但是运动过程中示数不太稳定。

师：弹簧测力计的示数在运动过程中不便于观察，接下来我们用更精确的测量工具来探究作用力与反作用力的关系。

实验6：用DIS力传感器研究物体间的相互作用力。

师：我们看到两个力的图像是完全对称的，由此可以得出什么结论？

生：两个物体之间的相互作用力大小相等，方向相反。

这部分内容的教学设计力求体现新高考改革的精神，注重提高学生的基本科学素养和探究能力。在教学过程中倡导学生学习的自主性、探究性、合作性，让学生主动参与，体验和感悟科学探究的过程和方法，激发他们持久的学习兴趣和求知欲望，并在探究过程中培养自主学习的能力，逐步实现学习方式的转变，使学生逐步养成敢于质疑、善于交流、乐于合作、勇于实践的科学态度。利用多媒体、演示实验、举实际例子、学生动手做、动笔练等多种教学手段，充分调动了学生学习的积极性。上课过程中注重知识的层次性和渐进性，抓住重点，突破难点。

2.4 案例三 辨析与应用

2.4.1 课堂预设

活动III （学生）实验7，设问3

（学生）实验7：进行小型拔河比赛。请大个子同学和一位小个子同学手拉手进行拔河比赛，结果发现大个子同学胜了。

设问3：既然两个力大小相等，那么拔河比赛时，为何还存在胜负之分？既然两个力大小相等，方向相反，那么是不是加起来合力为零？

继续试验7：再请大个子同学站在滑板上和一个小个子同学重新进行手拉手拔河比赛，结果发现小个子同学轻松获胜。

在该部分的教学中通过事实归纳得出结论，加深了对相互作用的认识，也有助于它们与平衡力加以区别。运用比较分类方法区分出一对作用力和反作用力与一对平衡力，让学生更全面地了解两者的性质，并培养学生会用学过的规律解释物理现象的能力。

活动IV （演示）实验8，牛顿第三定律的应用与总结

（演示）实验8：（气球飞天实验）当气球中的气体从尾部急速向下喷出时，气球向上冲去。

应用所学知识解决一些简单的实际问题，进行巩固和迁移。通过实验，演示牛顿第三定律在火箭中的重要应用，由火箭联想到在航空航天史上有杰出贡献的爱国科学家钱学森，很自然地进行爱国主义教育。并由此将学生引向更深入的问题，让学生应用所学找出解决问题的突破点，培养学生的求实精神和分析问题的科学能力，并激发爱国情怀。

2.4.2 课堂实录

师：我们研究了牛顿第三定律，下面我们请两位同学上来再做一个实验。

实验7 拔河比赛：请大个子同学和一个小个子同学手拉手进行拔河比赛，结果发现大个子同学胜了。

师：对刚才的实验，请同学们认真想一想，大个子同学和小个子同学之间的拉力哪个大？

生众：一样大。

师：对，我们刚才学了牛顿第三定律，作用力和反作用力总是大小相等。既然两个力一样大，为什么他赢了呢？

师：下面我给大家一些提示：刚才那个同学是站在地面上的，如果让他站在滑板上，他是否还能赢？

再请大个子同学站在滑板上和一个小个子同学重新进行手拉手拔河比赛，结果发现小个子同学轻松获胜。

师：为什么会这样呢？

生：因为两个同学受到的摩擦力不一样。

师：我们研究一个物体的运动状态变化时，要对这个物体进行受力分析。而作用力与反作用力是同时分别作用在两个物体上的力，不能求合力。只有当一个物体受到大小相等，方向相反，作用在同一条直线上的两个力时，它们的合力才为零。为此，我们特别要注意相互作用力与平衡力的关系。

师：牛顿第三定律中提到的是分别作用在两个物体上的力，人走路时脚对地有作用力，地对脚有反作用力；船航行時桨对水有作用力，水对桨有反作用力。那么在前面的视频中，天宫二号在太空中飞行时，只有一个物体，它是怎样在真空中飞行的呢？

实验8：（“气球飞天”实验）当气球中的气体从尾部急速向下喷出时，气球向上冲去。

师：牛顿第三定律的应用非常广泛，人走路、汽车向前运动、喷气式飞机的飞行无不与此规律有关。我国早在宋代就发明了“火箭”，在竹筒里装入火药，把竹筒的前端封闭住，并捆在箭杆上。火药点燃后，燃烧生成的气体以很大的速度从竹筒内向后喷出，该气体同时对火箭产生反作用力，使箭体向前飞去。到了明代，我国还制成了原始的二级火箭。最近，我国用长征火箭将“天宫二号”送入太空，就是牛顿第三定律应用的最好例证。

这部分内容通过辨析作用力和反作用力与一对平衡力的关系，加深了同学们对于牛顿第三定律的理解。

3 基于物理实验探究能力培养的教学设计

本节课中，以大量的实验说明力的作用总是相互的，然后由学生通过两个弹簧测力计自主探究了作用力与反作用力的关系。在突破运动过程中的作用力与反作用力也是等大、反向的这一教学难点时，教师采用了力的传感器，通过计算机图像直接显示，效果非常直观。最后，通过一道练习来比较一对作用力与反作用力与一对平衡力的异同点。

这节课的教学设计立足于新课程理念，提倡学习的自主性、探究性和合作性，让学生主动参与，体验和感悟科学探究的过程和方法，激发学生的学习兴趣，并在探究过程中培养学生自主学习的能力，逐步实现学习方式的改变，使学生逐步养成敢于质疑，善于交流，乐于合作，勇于实践的科学态度。在课堂中注重了知识的层次性和渐进性，抓住重点，突破难点，利用多媒体手段，充分调动了学生的学习积极性。

本节课的不足之处在于由于学生还未深入学习牛顿第二定律及超失重现象，对于台秤示数到底是什么力学生较难理解。

参考文献：

[1]冷冰冰.高中物理课程标准的核心素养分析[J].教育导刊，2015（8）：49-52.

（栏目编辑 邓 磊）endprint