核心素养下低成本实验融入高中物理教学研究

陈刚林

摘  要：牛顿第三定律教学中，通过传感器、玩具、鸡蛋碰石头、拔河等学生司空见惯的生活事例，生动地说明生活中物理无处不在。通过低成本实验、探究实验、DISlab实验的展示开阔了学生的视野，促使学生不断关注社会、关注生活、关注自己身边发生的事。

关键词：低成本实验;高中物理教学;核心素养;牛顿第三定律

中学物理是一门以实验为基础的自然科学，物理实验在中学物理教学中具有相当重要的地位。但就目前的教学现状来看，物理实验还是十分薄弱的环节。一方面由于教师将实验简单地理解为“教师演示，学生观看”的过程，未能考虑学生的实际认知水平;另一方面学校忽视了对实验教学的有效管理，“说起来重要，做起来次要，忙起来不要”的现象在许多学校还比较普遍。

核心素养下，为了帮助学生形成相互作用的观念，基于观察和经验提炼概念，抽象规律，锻炼科学思维能力。经历提出问题、形成猜想和假设、设计实验、获取和处理信息、基于实验数据及现象得出实验结论并做出解释以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的过程，锻炼科学探究能力。联系航天，增强中国自信。

以下是核心素养下将低成本实验融入牛顿第三定律的教学设计。

一、教材分析

教科书在内容安排上遵从先定性再定量的基本思路。首先通过实例说明两个物体之间的作用力总是相互的，作用力必有反作用力。然后探究作用力与反作用力的大小、方向之间有什么关系。最后，通过对物体受力的初步分析，体会牛顿第三定律的价值与意义。

二、教学目标

1. 知道力的作用是相互的，了解作用力和反作用力的概念，形成相互作用观念。

2. 能够正确表述牛顿第三定律，并应用牛顿第三定律分析和解决实际问题，培养科学思维。

3. 通过实验科学探究过程，了解两个物体间作用力与反作用力大小和方向的关系，锻炼科学探究能力。

4. 通过实验过程，培养学生团结合作、严谨求真的科学态度与责任。

三、学情分析

初中阶段，学生已经对物体间的相互作用问题有了定性了解，也知道相互作用和一对平衡力是不同的，即一对平衡力是指同一物体所受的两个力互相平衡，而一对作用力和反作用力分别作用在两个物体上。但是他们的这一知识只可能是定性的了解，基本上处在记忆的层次，他们体会不到明确提出作用力和反作用力这一问题的重要价值。要实现对牛顿第三定律的深入理解，还需要从力的性质、作用的同时性等进一步认识，并进行定量探究。

四、教学重点，教学难点，课时安排

教学重点：对牛顿第三定律的理解及应用。

教学难点：作用力、反作用力与平衡力的区别。

课时安排：1课时。

五、新课教学

（一）提出问题，引入情境

情境一：用手握住握力器，用力使握力器发生形变。手有什么感觉？说明什么？

情境二：用红皮球去挤压绿皮球，观察两皮球发生形变的情况。绿球发生形变说明什么？红球发生形变说明什么？

情境三：玩具小汽车放置于活动纸板上，控制遥控汽车前进观察活动纸板的运动情况。遥控汽车前进的原因是什么？活动纸板后退的原因是什么？

设计意图：首先通过学生握紧握力器的切身体验，唤醒学生关于物体间发生相互作用的相关经验。通过觀察两个皮球的形变情况，感知作用力与反作用力方向相反、作用在两个物体上，接着将这种感性认知应用于遥控汽车在活动木板上前进时纸板运动情况的分析，思考得出活动木板后退的原因，体会生活中不易察觉的物体间相互作用，使感性认知向理性认知转变。上述问题情境引导学生从切身体验入手，经历从形象到抽象、感性到理性的认知过程，逐步深化对物体间相互作用的理解，并最终提出作用力和反作用力的概念。

（二）细致观察，提出概念

师：观察和实验表明，1. 两物体间的作用总是相互的;2. 一个物体对另一个物体施加了力，后一物体一定同时对前一物体施加了力;3. 物体间相互作用的这一对力，通常叫作作用力和反作用力，作用力和反作用力总是互相依存的。可以把其中任何一个力叫作作用力，另一个叫作反作用力，它们作用在不同物体上。

生活生产中还有哪些相互作用呢？请同学举例！

（天体间的相互作用，磁体间的相互作用，电荷间的相互作用等）

（板书：物体A物体B作用力和反作用力）

演示实验：鸡蛋碰石头，鸡蛋与石头发生相互作用的结果是蛋碎石全。

师：难道石头对鸡蛋的力大于鸡蛋对石头的力吗？实验无法直观反映力的大小关系，这是一个定量的问题，而定量的问题只靠日常的观察和经验是解决不了的，它需要通过实验测量来回答。

（三）设计方案，实验探究

合作探究（实验前强调弹簧测力计使用前先调零，使用过程不能超过量程，需要沿着轴线拉，读数要准确。）

实验目的：探究作用力和反作用力之间的大小关系。

实验器材：弹簧测力计两个。

实验结果表

通过学习小组合作探究，学生自主设计实验方案、观察实验现象、提出实验结论，最后对实验进行科学评估。各小组的实验方案都围绕着将两个弹簧测力计挂钩互相勾住，将一个弹簧测力计固定后，拉另一个弹簧测力计，或两个弹簧测力计互相拉。实验结论基本都为“作用力和反作用力大小基本相等”，而“作用力与反作用力大小基本相等”这一结论是学生对实验方案进行科学评估的具体表现。

科学评估主要集中在两个方面：

一是弹簧测力计读数比较粗略不能准确反映作用力与反作用力的大小关系;二是实验方案仅能说明静止状态下物体间作用力与反作用力的大小关系。

通过对实验方案的科学评估，学生的科学探究能力得到有效锻炼，同时为探究教学进一步展开提供了必要的心理准备和认知逻辑基础。

师：接下来，同学们用更先进的传感器演示一下这一对力的变化情况。

介绍仪器：用导线把力传感器和电脑连好，当力传感器的钩子受力时能把力的情况传给电脑，在屏幕上显示出力的变化情况。图像的横轴代表时间（t），纵轴代表力（F），红线代表一个传感器的受力情况，蓝线代表另一个传感器的受力情况。

请两位同学利用DISlab力传感器代替弹簧测力计，演示小组合作探究中所涉及的探究方案，提出DISlab传感器不仅解决弹簧测力计读数不精确的问题，而且能够将作用力与反作用力大小随时间变化规律瞬间反映出来。

操作：①对拉;②对推;③对拉或者对推向着一起某一方向运动。

师：通过以上实验，同学们总结一下作用力和反作用力的关系。

对DISlab数字实验数据进行相关解读，引导学生归纳作用力和反作用力大小相等、同时产生、同时变化、同时消失的规律。

（四）学生归纳，得出结论

问题1：能不能将探究结论“作用力与反作用力大小相等、同时产生、同时变化、同时消失”更加简洁准确地表达出来。

归纳：可以表达为“总是大小相等”。

（板书：总是大小相等）

问题2：请同学们总结作用力和反作用力的特征，归纳物体间发生相互作用时所遵循的物理规律。

归纳：（牛顿第三定律）两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。

（板书：方向相反，作用在同一条直线上 牛顿第三定律）

结论：牛顿第三定律不仅适用于静止状态下物体间相互作用，对于处于运动状态下物体间相互作用同样成立。

（五）知识对比，深化理解

问题1：根据牛顿第三定律的内容两物体间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一直线上，那么大家再想，如果两个力大小相等，方向相反，作用在同一直线上，我们能够说这两个力一定是作用力与反作用力吗？

答案：不能。

问题2：那还有什么力大小相等，方向相反呢？

答案：一对平衡力。

问题3：一对相互作用力和一对平衡力的关系是差不多，还是差很多？

请看图，桌面上的一物块，处于什么状态？受到几个力的作用？这几个力的反作用力分别是什么？受力物体是谁？方向如何？

答案：静止状态，两个力，重力和支持力。

问题4：那么，物块受到的重力与支持力是什么关系？

答案：一对平衡力。

桌面对物块的支持力和物块对桌面的压力是作用力和反作用力，桌面对物体的支持力作用在物体上，方向竖直向上，物块对桌面的压力作用在桌面上，方向竖直向下;物块的重力和物块对地球的引力是作用力和反作用力，物块对地球的引力作用在地球上，方向竖直向上，地球对物块的引力作用在物体上，方向竖直向下。

问题5：那么，物块受到的重力与支持力是什么关系？

答案：一对平衡力。

请同学们比较一对相互作用力和一对平衡力。

通过对比，我们对作用力与反作用力有了进一步的认识。下面我们来解决几个问题。

（六）学以致用，解决问题

拔河比赛情境，利用牛顿第三定律分析拔河比赛的胜负原因。

问题1：请一男一女两位同学模拟拔河比赛，猜一猜谁会赢？

答案：男生。（模拟结果确实如此）

问题2：请男生站在滑板上重新模拟，再猜一猜谁会赢？

答案：女生。（模拟结果确实如此）

问题3：拔河比赛中男生对女生的拉力和女生对男生的拉力大小满足什么关系？为什么？

答案：根据牛顿第三定律可知大小相等、方向相反。

问题4：那是什么原因导致拔河比赛胜负的呢？

答案：（滑板非常形象直指问题本质）地面摩擦力。

应用牛顿第三定律分析拔河比赛情境后，回到课堂开始提出的鸡蛋碰石头的问题情境，学生根据牛顿第三定律提出鸡蛋对石头的作用力和石头对鸡蛋的作用力大小相等，只是鸡蛋的硬度和石头硬度不一样，作用效果不同，导致蛋碎石全。进一步加深学生对新知识的理解。

问题5：我们再来看看风力小车的工作原理是什么？先固定小车，判断风向，让学生判断小车的走向，进一步应用牛顿第三定律分析问题。

答案：螺旋桨对空气有向后的作用力，空气给螺旋桨一个向前的反作用力使得小车动起来。

经过分析得出：如果空气对螺旋桨的作用力超过重力的话，小车就可能飞起来。联想到无人机（或直升机）的飞行原理。

问题6：螺旋桨的工作需要空气，如果没有空气，无人机怎么飞起来？

激发学生联想：火箭的运动原理是牛顿第三定律不过只是喷射自身所带的燃料气体。并且播放火箭的发射和在太空中的飞行过程。然后教师通过对牛顿第三定律的深度解读，与原有知识体系进行整合，使学生明确牛顿第三定律的历史地位和物理意义，加深学生对科学本质的理解。

结论：通过本节课的学习，我们发现无论是从古老的拔河运动到现代的无人机和火箭，无论是地面上的还是太空上的，牛顿第三定律的应用十分广泛。因此牛顿第三定律虽然内容简洁，但却具有极其重要的物理意义。

在物理实验教学过程中，如何培养学生的实验探究能力是一线教师急需解决的问题，《普通高中物理课程标准》（2017版2020修订）强调物理教学体现核心素养。因此牛顿第三定律教学中，通过传感器、玩具、鸡蛋碰石头、拔河等学生司空见惯的生活事例，生动地说明生活中物理无处不在。通过低成本实验、探究实验、DISlab实验的展示开阔了学生的视野，促使学生不断地关注社会、关注生活、关注自己身边发生的事物。

参考文献：

[1]袁小东. 低成本实验在高中物理教学中的应用[J]. 数理化解题研究，2017（24）：48.

[2]周万里. 低成本实验在高中物理教学中的应用[J]. 课程教育研究，2019（15）：181-182.

[3]钟明彩. 低成本材料在高中物理实验教学中的应用[J]. 科教文汇（下旬刊），2011（01）：92+98.

（责任编辑：淳  洁）