物理核心素养视角下基于自制教具的教学设计——以“牛顿第三定律”为例

熊雨薇

贵阳市第八中学，贵阳 550001

物理核心素养由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面的要素构成[1]。作为一节实验定律课，“牛顿第三定律”能实现培养学生“科学探究”的核心素养目标，让学生在学习中经历实验探究过程，即提出问题、猜想与假设、设计实验方案、获取实验数据、得出结论、评估交流。在人教版普通高中教科书《物理》（2019版）（以下简称“新教材”）和普通高中课程标准实验教科书《物理》（2010版）（以下简称“旧教材”）中，“牛顿第三定律”的位置变化显著，分析该变化有助于教师理解新课程改革的思想。

1 人教版新、旧教材中本节的对比分析

1.1 打下必要的知识基础

本节原来在旧教材第四章“牛顿运动定律”中，现提前放入新教材第三章。旧教材第三章前几节是“重力”“弹力”“摩擦力”，之后便是“共点力的合成与分解”。但是，在对研究对象进行共点力的合成与分解之前应先对其进行受力分析，此时涉及到作用力与反作用力相关知识的使用。尽管学生在初中已学过牛顿第三定律，但是由于认识较为表层，对作用力与反作用力的关系存在很多错误认识，不利于受力分析技能的掌握，更会影响后面的学习。因此，以往的教学中，老师需要先简要分析牛顿第三定律的内容再开始后面的教学，到了第四章又将本节内容再上一遍，导致本节在旧教材中的位置略为尴尬。

新教材调整后，本节在第三章起到承上启下的作用，即承上是加深对重力、弹力、摩擦力的理解，启下是为共点力平衡问题奠定基础。此外，本节新增的“物体受力的初步分析”小板块也为后面学习共点力的平衡设下伏笔[2]。

1.2 形成系统的相互作用观

在旧教材中，将三大定律依次编入第四章，体现了牛顿运动定律的完整性，但是对于学生认知规律与技能形成的考虑略弱。在“物理观念”核心素养中，要求学生应具备物质观、运动与相互作用观、能量转化和守恒观等。其中，“运动与相互作用观”在必修第一册中体现得淋漓尽致。恩格斯说“相互作用是我们从现今自然科学的观点出发在整体上考查运动着的物质首先遇到的东西……相互作用是事物的真正终极原因”。

首先，有“力”，就有施力物体与受力物体，在第三章学习重力、弹力、摩擦力的过程中，重点研究各个力的性质，但也隐含了这些力都是产生于两个物体之间的。因此，需要一个机会去揭示各种性质的力最重要的共性，即“相互作用”。“牛顿第三定律”揭示了物体机械运动的普遍规律，不仅指出了作用力与反作用力的存在，而且总结出作用力与反作用力的关系，即“两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上”[3]。至此，从各种性质的力中提炼出一条共性，也是最重要的物理观念之一——相互作用观。

紧接着，第四章开始在运动与相互作用两者之间建立联系，本章的大标题变为“运动和力的关系”，是第一、第二章与第三章的综合与升华，体现了本书的大旋律，也是人类认识世界的开端——研究力与运动的关系。

2 学情分析

学生通过初中的学习对相互作用已有定性认识，知道物体间的相互作用力是成对出现的，但是无定量认识，造成对相互作用力大小关系的错误概念较多。在新课教学前要先暴露学生的错误认识，再通过一系列的实验事实让学生逐步认识作用力与反作用力之间的关系。

学生有一定的二力平衡的知识基础，但是容易将平衡力和这个力的反作用力混淆，可通过设置问题进行讨论，明晰“一对平衡力”和“一对作用力与反作用力”的区别与联系。

3 学习目标

学习目标如表1所示。

表1 学习目标

4 教学重难点

4.1 教学重点

通过实验，探究作用力与反作用力的大小、方向的关系；通过讨论，区分一对平衡力与一对作用力与反作用力。

4.2 教学难点

通过实验，探究作用力与反作用力的大小、方向的关系。

5 教学过程

5.1 实验初探——激疑

（1）小游戏：感受力

两位同学将两条相同的纸带套在一起对拉，感受游戏过程中的拉力（图1）。

图1 将两纸带对拉

（2）认识作用力与反作用力

①两个物体间的作用总是相互的，我们把物体间相互作用的这一对力中的一个称为作用力，另一个称为反作用力。

②作用力与反作用力是同时产生、同时存在、同时消失的，它们互相以对方作为自己存在的前提。

（3）产生疑问

一纸带断裂，一纸带未断，谁受到的力大？

5.2 深入研究——释疑

（1）学生实验验证，讨论发言

用两个弹簧测力计代替纸带对拉，观察弹簧测力计的示数（图2）。

图2 将两个弹簧测力计对拉

（2）通过演示实验进行探究

①介绍实验装置。

生活原型：贵阳100路公交车“黑金刚”（图3）与铰接点（图4）

图3 贵阳100路公交车“黑金刚”

图4 铰接点

自制教具——将两个力传感器分别固定在两车上，通过一金属杆连接两个力传感器，在车尾固定分体式位移传感器接收端，再将分体式位移传感器发射端固定于运动起点（图5与图6）。

图5 小车与传感器（侧视图）

图6 小车与传感器（俯视图）

②分析实验图像（图7与图8）获取信息，学生分析讨论，发言。

图7 x-t图像

图8 F-t图像

信息1：分析x-t图像，小车先加速，再匀速，再减速。

信息2：分析F-t图像，两个力大小相等，方向相反。

信息3：观察实验装置，两车厢之间的作用力与反作用力作用在同一条直线上。

学生总结：多种直线运动状态下，两车厢之间的作用力与反作用力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。

5.3 拓展研究——总结与应用

（1）寻找生活中的作用力与反作用力，思考是否也存在同样的规律。

（2）简要介绍牛顿的研究：

第一，牛顿不仅指出了作用力与反作用力的存在，还指出这种相互作用总是作用在两个不同的物体上；第二，只有通过实践才能发现、检验并发展真理；第三，牛顿思想的敏锐和逻辑思维方法的正确。

（3）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、作用在一条直线上。

（4）学生讨论、分析使火箭升空的力从哪里来。

5.4 物体受力的初步分析

学生对一静止在粗糙斜面上的木块进行受力分析（图9）后，进行分享，教师点评、总结受力分析的步骤。

图9 进行受力分析

（1）受力分析步骤

①明确研究对象；

②根据力产生的条件分析物体受到的力（一般按照重力、弹力、摩擦力、其他外力的顺序进行分析）；

③画出物体受到的力（注意线段长短）；

④检查正确性。

（2）检查正确性的三个方法

①根据重力、弹力、摩擦力、其他外力的顺序检查；

②找出每一个力的施力物体；

③判断受力情况是否符合物体运动状态。

5.5 区分平衡力、作用力与反作用力

以灯笼为研究对象，在两幅图中（图10）分别找出一对平衡力、一对作用力与反作用力，并讨论这两对力的异同点。（目前暂不分析灯笼与地球之间的作用力与反作用力）

图10 一对平衡力、一对作用力与反作用力

总结整理（表2）。

表2 两对力的对比

6 教学反思

本节课以学生为主体，围绕学生的学习活动与认知过程展开，实验素材、案例贴近生活，能较好地引发学生的学习兴趣，有助于形成将物理知识应用于生活的意识。

（1）F-t图像的深入讨论

在对F-t图像讨论中，有学生关注到图线的位置，存在三种情况，即有时红线在上，有时交替变化，有时蓝线在上。在引导学生对比x-t图像后，学生作出猜测，即红线在上时为加速运动，交替变化时（理论上应为0，但受实验条件限制，不为0）为匀速运动，蓝线在上时为减速运动。至于其中原理，留作学生课后思考题，鼓励学生根据牛顿第二定律的内容大胆论证。

（2）实验误差分析

对F-t图像，通过肉眼判断红、蓝图线有对称性，得出两车厢对对方的拉力大小相等的结论。但在将两图像翻折后，发现并未完全重叠（图11），除了有测量误差以及小车的运动过程并非完美的匀变速直线运动外，还有更重要的原因是，连接两力传感器的杆并非“轻杆”，在变速运动中，杆所受合外力不为0。因此，两力传感器示数不相等。

图11 两图线并未完全重叠

（3）不完全归纳法总结

查阅相关史料可知，牛顿曾做了很多实验验证牛顿第三定律。牛顿第三定律“两物体间的作用力与反作用力总是大小相等、方向相反、作用在一条直线上”中所说的“总是”，即指任何情况、任何物体之间。但是，牛顿不可能一一将所有情况进行验证。实际上，很多物理规律都是无法将所有情况进行验证与分析的，因此大多都采用了不完全归纳法，即从一类对象中部分对象都具有的某种性质推出这类对象全体都具有这种性质的归纳推理方法，是从一个或几个（但不是全部）特殊情况作出一般性结论的归纳推理。