基于核心素养的“牛顿第三定律”教学设计

王丹凤

(浙江省义乌中学 浙江 金华 322000)

1 教学内容与学生分析

(1)作用力和反作用力规律除了能更好地帮助分析解决受力问题外，也是今后分析碰撞、反冲等问题的基础，在整个高中阶段的学习中，常把受力情况复杂的分析转换到与之相互作用的物体上．而且牛顿第三定律在日常生活、社会生产、科学技术等方面应用极其广泛，学习它有重要的现实意义．

(2)教学重点是掌握牛顿第三定律的本质含义，并能应用它解决实际问题．教学难点是区分平衡力和相互作用力，解释拔河比赛、马拉车等容易产生困惑的典型案例．

(3)学生在初中已初步学习了力的相互性，但对牛顿第三定律还未涉及，所以对作用力反作用力的规律一知半解，高一新生对高中物理的学习方法掌握还不够稳定，针对这一点，教学中，必须采用适合学生特点的方法，调动学习积极性．比较容易混淆的问题，让他们在学习过程中体会到探究的乐趣．本节课的教学中，设计了学生的探究性实验，激发学生的探究意识，培养学生设计探究方案的能力和归纳能力．通过动手实验、同伴合作和组内外交流，总结得出牛顿第三定律，完成从具体到抽象的过程，同时帮助学生达成科学态度和责任的素养．

应用DIS数字信息系统进行定量实验，让学生在感受作用力和反作用力不断变化的同时，认识到“总是”相等，加深对规律的认识．

2 设计思路

“牛顿第三定律”教学设计思路如图1所示.

图1 “牛顿第三定律”教学设计思路

3 教学活动

任务1：探究力的作用是否具有相互性

问题情境：(1)如图2所示，甲乙两只气球相互挤压．

图2 两气球相互挤压

(2)如图3所示，请两位男生参与现场演示，分别站在滑板车上，甲同学用力推乙同学．设计问题和问题指向的素养目标如表1所示．

图3 利用滑板车演示相互作用

问题问题指向的素养目标 (1) 甲、乙两只气球如图2所示,压力是否是相互的?为什么? (2)甲、乙两位同学如图3所示,推力是否是相互的?为什么? 能从力的作用效果分析力的存在,认识力的作用是相互的

教学建议：

(1)思维引导建议：作用力是否具有相互性，可以从力的作用效果来分析，即从形变和运动状态是否发生改变上判断．通过直观的气球挤压和两学生运动状态均发生变化，认识压力和推力的相互性．

(2)实验操作建议：采用颜色和大小不同的两个气球演示相互挤压实验，便于区分两个不同受力物体．同样，选取身材差距悬殊的两位学生参与对推实验，让身材魁梧的学生用力推小个子学生，这样既能针对两个不同对象分析受力效果，又能增加课堂活跃度．

(3)教学活动建议：两位学生演示实验中，教师可以对两学生的受力情况分别做采访，再让其他学生回答观察所得．用已有的认知分析力的相互性，从而提出探究的新问题．

任务2：探究力的相互性是否是普遍规律

问题情境：如图4，图5，图6所示的演示实验，包含弹力、摩擦力、电磁力等不同性质的力．设计问题和问题指向的素养目标如表2所示．

图4 玩具飞机

图5 玩具小车

图6 磁铁与通电导线间的相互作用演示

问题问题指向的素养目标 (1)玩具飞机起飞时螺旋桨受到向上的力是谁给的?它的反作用力作用在何处? (2)车轮悬空的玩具小车能前进吗?小车前进的力是谁给的?它的反作用力作用在何处?能显示出来吗? (3)通电导线摆开的力是谁给的?它的反作用力作用在何处?能显示出磁铁受到的力吗?改变电流方向后,导线反向摆动,磁铁将会如何运动呢? (4)你还能举出生活实例来说明力是成双成对出现的吗? 能找出任意一个力的反作用力,能通过实验总结归纳作用力和反作用力的概念

教学建议：

(1)思维引导建议：根据力作用的相互性判断反作用力的受力物体，通过实验观察该受力物体的运动状态变化，确定反作用力的存在，证实自己的判断．多次实验的结果，更加相信力的作用是相互的．

(2)实验操作建议：图4演示螺旋桨和空气之间的作用力，可用在桌面上撒上碎纸片的方法，也可以将飞机盘旋在学生头顶让其感受到空气流动．图5和图6，首先演示汽车和马蹄形磁铁直接放置桌面，这样观察不到它们受反作用力而后退，从而提出“反作用力是否不存在”的疑问，再通过把汽车放在可滑动的薄板及把磁铁放小车上来呈现它们受力后的运动，让学生豁然开朗，从而强化反作用力一定存在的认知．让学生观察实验现象并分析相互作用力来提升归纳的能力，从而引出基本概念——作用力和反作用力．

任务3：探究作用力和反作用力之间的关系

问题情境：(1)如图7所示，提供每个探究小组两个弹簧测力计和一条细线，自行设计实验来研究作用力和反作用力之间存在的关系．

图7 利用弹簧测力计设计实验探究相互作用力

(2)如图8所示，利用提供的力传感器探究作用力和反作用力之间的关系．设计问题和问题指向的素养目标如表3所示．

图8 利用力传感器探究相互作用力

问题问题指向的素养目标 (1)作用力和反作用力有什么关系? (2)要探究作用力和反作用力的关系,实验器材选择与操作上需要注意什么? 会通过弹簧测力计和传感器收集实验数据,分析图像意义,探究作用力和反作用力的关系 (3)是否只需在静止状态下进行探究,你能想到的不同运动状态有哪些?不同状态(匀速、加速、减速、直线、曲线)作用力和反作用力是否都存在大小相等的关系? 认识作用力和反作用力的关系不受物体运动状态和参考系等影响,进一步深化相互作用观. 理解牛顿第三定律的内容 (4)从弹簧测力计总结得到的结论是否也适用于液体和固体之间的相互作用? (5)如图9所示,当瓶子浸入水中后,弹簧测力计示数如何变?变了多少?台秤示数如何变?变了多少?你能解释变化间的关系吗? 会用牛顿第三定律确定受力分析中的相互作用力问题. 通过对牛顿第三定律的实验研究,认识到实验探究越丰富,获得结论的概括性越大 (6)在马拉车向前加速度运动时,马拉车的力和车拉马的力是否还是大小相等?你如何用传感器来进行模拟研究? (7)从两只传感器的图线,你总结得到的相互作用力之间的关系有哪些? (8)是否能够从图线上看出两力方向相反?力的方向之间的关系应该从哪观察? 能从实验数据或传感器图像中分析、总结出作用力与反作用力的关系. 能从相互作用力的实验结果领悟自然界中的对称之美

图9 探究固体液体间的相互作用

教学建议：

(1)思维引导建议：引导学生将实验探究从特殊到一般，呈现不同运动状态下的实验结论，从而认识牛顿第三定律是自然界普遍规律．

(2)实验操作建议：弹簧测力计使用前应该调零，使用时应该平拉，若实验时发现两只弹簧测力计读数并不相等(即使已调零)，教师可让学生分析这种“反常”现象，并提出引入第三只弹簧测力计进行“校对”．做运动时的实验，因弹簧测力计读数困难，从而引导学生设计更为精确的传感器实验，力的传感器前端加软橡皮管,如图10(a)所示，可以操作压力的情况．

探究马车在启动时拉力是否相等，可以请学生先讨论判断，再用DIS力传感器模拟，用图像来突破认知上的难点,如图10(b)所示．

图10 用力传感器不同运动状态下的相互作用力

学生很容易从传感器图像的对称性得出力的方向相反这个结论．教师可演示斜拉定滑轮两侧细绳所呈现的图像，让学生认识输入的信息只是大小，没有方向信息输入，方向关系需在真实状态下观察．

(3)教学活动建议：在问题(1)～(3)中，让学生先有猜想和讨论，再通过实验探究、分析、论证、归纳，最后进行分组汇报交流，准确表述结果并得出规律．问题(4)～(6)中，让学生通过演示实验和分组操作，将规律推广到不同物态、不同运动状态等情境．这样不仅让学生充分了解规律的建立过程，而且强化了证据意识，体会到科学本质，达成科学态度养成．

任务4：辨析平衡力和相互作用力之间的异同

问题情境：如图11所示，弹簧测力计竖直悬挂一个墨水瓶A处于静止状态，弹簧测力计读数为2.00 N.设计问题和问题指向的素养目标如表4所示．

图11 弹簧测力计悬挂墨水瓶

问题问题指向的素养目标 (1)A受哪些力作用?画出它的受力图,并分别指出这些力的反作用力 会用牛顿第三定律确定受力分析中的相互作用力问题 (2)作用力与反作用力能相互平衡吗? (3)作用力、反作用力与一对平衡力相比,有哪些异同点? 能区分一对作用力和反作用力与一对平衡力

教学建议：

(1)思维引导建议：通过一个具体问题来作受力分析，并且找出每个力的反作用力，引出对作用力和反作用力与一对平衡力之间的综合比较．从施力物体和受力物体角度，理解作用力和反作用力的本质．

(2)教学活动建议：对问题(3)，教师引导学生结合表5从相同点和不同点分别比较，列表格归纳．

表5 作用力和反作用力与一对平衡力相比较

任务5：牛顿第三定律应用

问题情境：选取生活中的3个场景，如图12～14所示.设计问题和问题指向的素养目标如表6所示．

图12 研究跳伞运动员与地球间的引力

图13 研究汽车与地面间的摩擦力

图14 拔河比赛中的相互作用

问题问题指向的素养目标 (1)你能确定图12中跳伞运动员对地球的吸引力的大小和方向吗?你能确定图13中汽车对地面摩擦力的大小和方向吗? (2)拔河时决定胜负的因素是什么?如图14所示,为了将这一实际问题分析清楚,我们应该做什么? (3)这些力中一定相等的力是哪几个?拔河双方受到的两个摩擦力一定相等吗? (4)拔河比赛时,两队的运动有什么特征?是否能够作为一个整体看待?从整体看,决定胜负的因素是什么? 会用牛顿第三定律确定受力分析中的相互作用力问题. 能对生活情景中的物理问题进行分析和建模,并获得正确结论

教学建议：

(1)思维引导建议：拔河是学生很感兴趣的比赛项目，这一实际问题只有先转变为物理问题才能分析，将拔河双方分别为研究对象进行简单的受力分析是建立正确模型的方法．

(2)教学活动建议:以太空拔河视频作为提升，让学生观察太空拔河胜负情况，证实自己的猜想．以

开放性问题“拔河比赛技巧建议”作为课堂结尾，落实到生活实际应用．

4 设计点评

作用力和反作用力是一节典型的规律教学课，本教学设计以物理规律探究的方法和过程为立足点，以一条条有效问题链为落脚点，充分体现了学生的主体地位，突出展示了本节课对培养学生物理核心素养方面的独到作用．

从“物理观念”维度看：通过任务1和任务2，以实验为基础，帮助学生建立起“力的作用是相互的”等物理观念，任务2和3中挖掘了不同物态和不同运动状态下的实验，深化了学生的物质观、运动观和相互作用观．

从“科学思维”维度看：在任务1，任务2和任务3的教学设计中，充分体现了定性分析、定量计算、逻辑推理、总结归纳、批判质疑等科学思维方法，培养学生使用科学证据的意识、评估科学证据的能力，培养学生的抽象思维、形象思维和直觉思维．

从“科学探究”维度看：在任务3中先让学生设计实验，培养学生设计实验方案、获取证据的能力；再要求学生进行实验探究，培养学生实施实验方案、使用各种科技手段(DIS等)和方法收集信息和证据的能力；最后要求学生叙述实验结论，培养学生分析证据、处理信息、描述解释实验结果和变化趋势的能力．每个任务中的情境设置，教师充分挖掘实验素材，从不同物态不同运动状态等方面引导学生实验，体现了证据的多样性、代表性和一般性．

从“科学态度与责任”维度看：本设计方案中，有大量来自生活的小实验、趣味实验和科学玩具实验，激发了学生对研究作用力和反作用的好奇心和求知欲；很多实验要求师生、生生合作完成，起到培养学生在学术活动中主动与他人合作，尊重他人的科学态度和责任；要求学生提出实验设计方案、发表对别人方案的见解、得出实验结果以及阐述实验结果的普遍意义等，意在培养学生基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是，敢于质疑，不迷信权威的科学态度和责任．

综观本教学设计非常好地将对学生物理核心素养的培养落实到了各教学环节中．