基于踐行物理核心素養(yǎng)的《牛頓第三定律》教學(xué)設(shè)計(jì)案例

梁吉峰+毛艷玲

摘 要：以力傳感器的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究為基礎(chǔ)，同時(shí)運(yùn)用觀察、比較、綜合分析等多種理論探究方法，以《牛頓第三定律》為課堂整體設(shè)計(jì)方案，將相互作用力關(guān)系特點(diǎn)通過圖象進(jìn)行定量化分析，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究的物理核心素養(yǎng)和質(zhì)疑、求真的科學(xué)精神.

關(guān)鍵詞：牛頓第三定律；質(zhì)疑；物理科學(xué)方法；物理核心素養(yǎng)

1 創(chuàng)設(shè)情境 導(dǎo)入新課

演示與提問：

（1）問題1.首先對我們這節(jié)課將要進(jìn)行的研究鼓掌加油.在拍手時(shí)，兩手之間有什么感覺？

（2）白板展示生活中各個(gè)方面相互作用的圖片.

（3）問題2.對于這些相互作用，從初中開始到現(xiàn)在，你大約知道哪些相關(guān)特點(diǎn)？

利用當(dāng)時(shí)效應(yīng)和身體體驗(yàn)，既可以引起學(xué)生興趣，也激發(fā)了表達(dá)的熱情；而來源于生活中相互作用的引入，又進(jìn)一步提高學(xué)生的關(guān)注度，使學(xué)生的注意力很快集中到本節(jié)課要探究的問題中來，又想探究、甚至于著急探究的欲望.

演示與設(shè)問：

（1）看來對相互作用力的時(shí)間問題上有困惑，現(xiàn)在就來關(guān)注.同學(xué)請看，這是一根細(xì)橡皮筋，向兩邊拉的時(shí)候，兩邊的力一起有、一起變大，突然斷了，一起消失.

（2）你們猜想一下，相互作用的兩個(gè)力可能是什么關(guān)系？

通過現(xiàn)象，讓學(xué)生從感官上體會(huì)相互作用力的變化過程中，大膽猜想出千變中一定有一個(gè)不變的因素——作用時(shí)間，這種辯證統(tǒng)一的哲學(xué)思想，培養(yǎng)了學(xué)生在科學(xué)研究中，邏輯思維的方法和大膽設(shè)疑、猜想的精神.

2 實(shí)驗(yàn)探究 新課教學(xué)

2.1 大小關(guān)系、作用時(shí)間關(guān)系的探究

演示與提問1：左右手分別拉彈簧拉力器的兩端.此時(shí)兩手的拉力是不是相互作用力？

演示與提問2：用力傳感器拉剛才一樣的細(xì)橡皮筋，拉力開始有、變化、保持，直到斷了，此時(shí)的圖象說明什么呢？

讓學(xué)生真切地看到相互作用力在等時(shí)方面的特點(diǎn)：同時(shí)產(chǎn)生、同時(shí)保持、同時(shí)變化、同時(shí)消失.這種科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩刻骄颗c前面由直觀現(xiàn)象的定性探究形成對比，極大地培養(yǎng)學(xué)生利用觀察法、比較法、科學(xué)抽象法等科學(xué)研究方法的意識(shí)，對于物理規(guī)律的理解大有好處.

演示與提問3：同學(xué)們會(huì)有個(gè)疑惑，你見過雞蛋碰石頭嗎？你見過雞蛋碰碗嗎？雞蛋碰碗，雞蛋碎，碗完好.

從橡皮筋間的相互作用到雞蛋碰碗，由遠(yuǎn)及近、由抽象到具體、由陌生到熟悉，這個(gè)過程的比較，讓學(xué)生的興趣達(dá)到了極點(diǎn).通過實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致悖論，培養(yǎng)學(xué)生勇于質(zhì)疑、敢于思考的科學(xué)態(tài)度.

提出問題：通過什么辦法來證明這兩個(gè)力一樣大還是不一樣大呢？雞蛋易碎，但是一瞬間就結(jié)束了.我們想的辦法，最好是把一頭破一頭沒破的相互作用過程的每一個(gè)瞬間，即形狀慢慢改變的過程中，相互作用力關(guān)系情況，都通過圖象展示出來.怎樣設(shè)計(jì)呢？

演示與提問4：用傳感器的一個(gè)鉤子去戳另一個(gè)鉤子上的蘋果（蘋果牌傳感器），過程為沒破、破、扎進(jìn)內(nèi)部的過程.

質(zhì)疑等大，然后證明等大，這就是否定之否定，也可以說是質(zhì)疑后的肯定，這種辯證法體現(xiàn)了真正的科學(xué)精神：實(shí)事求是、一絲不茍、不盲從權(quán)威.讓學(xué)生再次領(lǐng)略了科學(xué)探究的魅力，便會(huì)對以后的探究產(chǎn)生極大的吸引力.

提出問題：這兩個(gè)力等大，為什么雞蛋破了，碗沒有破呢？

演示與提示：同時(shí)用傳感器的鉤子用力去戳雞蛋、碗（學(xué)生輔助操作），觀察圖象.雞蛋破時(shí)，碗還沒有破，但力的大小相差很大.

一系列問題的提出緊緊圍繞相互作用力大小關(guān)系的困惑，由淺入深、層層遞進(jìn)、步步深入，不但使學(xué)生對知識(shí)的理解愈加深入，也讓他們了解了科學(xué)的探究過程.在得到了相互作用力確實(shí)等大的結(jié)論后，學(xué)生正處于極度興奮中時(shí)，方向急轉(zhuǎn)——等大為什么蛋破碗全？產(chǎn)生視覺沖擊，制造認(rèn)知沖突，既為作用力的異效埋下伏筆，也培養(yǎng)了學(xué)生執(zhí)著、求真、求實(shí)的科學(xué)精神，也是培養(yǎng)學(xué)生責(zé)任感的好機(jī)會(huì).

演示與提問5：伸出手，壓在桌面上，手給桌子向下的壓力，作用在桌子上；同時(shí)桌面給手支持力，作用在手上.這兩個(gè)力的合力等于多少？

手壓桌面，可以使學(xué)生親身體驗(yàn)物理情境，充分體會(huì)相互作用力.這樣可以幫助學(xué)生更加真切的感受到相關(guān)的物理現(xiàn)象，從而更加深刻的理解物理規(guī)律.

提出問題：對于手本身，受到重力和支持力，這兩個(gè)力的合力是多少？

在學(xué)生親自手壓桌面體會(huì)相互作用力后，話鋒一轉(zhuǎn)——兩個(gè)力的合力是多少？就是讓學(xué)生在受騙中鍛煉物理思維.比較相互作用力和平衡力的區(qū)別，首先是應(yīng)用比較法，通過具體情境讓學(xué)生親自鑒別，這是隱性的滲透科學(xué)方法.顯性的講解與隱性的滲透相結(jié)合的方法是培養(yǎng)學(xué)生物理科學(xué)方法的主要途徑.

同學(xué)們分組探究：拉力、推力、滑動(dòng)摩擦力、勻速拉、加速拉、水中拉等，然后匯報(bào).

學(xué)生親自用力傳感器探究，是讓他們最大限度地充分體驗(yàn)探究的過程，體會(huì)探究的形式 、探究的方法以及獲得正確結(jié)論所帶來的快感；初步感受科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究的過程，通過自己的實(shí)驗(yàn)、觀察、分析、推理、討論、總結(jié)等一系列實(shí)踐活動(dòng)和思維活動(dòng)來自主建立科學(xué)概念和總結(jié)出科學(xué)規(guī)律.

總結(jié)與提問6：（1）等大、共線、共性、同時(shí)；反向、異物、異效.四同三異（同中求異，異中求同）

（2）牛頓第三定律

（3）對定律的內(nèi)容中，哪個(gè)方面有點(diǎn)小疑惑？

2.2 共線關(guān)系的探究

引導(dǎo)與演示：（1）重力、彈力、摩擦力性質(zhì)的相互作用力的共線顯而易見.

（2）將一個(gè)小磁針繞另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)（攝像頭監(jiān)拍、白板顯示）.

應(yīng)用比較法進(jìn)行共線關(guān)系的探究：首先理論探究重力、彈力、摩擦力這些熟悉的相互作用力的共線，然后實(shí)驗(yàn)探究磁力間的相互作用的共線.讓學(xué)生再次體會(huì)，理論與實(shí)踐的統(tǒng)一、殊途同歸的物理之美.然后師生共同閱讀課本，給出牛頓第三定律的內(nèi)容.老師強(qiáng)調(diào)牛頓第三定律是牛頓等前人在很長時(shí)間內(nèi)對大量事實(shí)進(jìn)行總結(jié)的結(jié)果.

2.3 “總是”的含義

引導(dǎo)與總結(jié)：不管兩個(gè)物體質(zhì)量大小、材料種類、具體形狀以及形狀的變化.

不管是哪種力，不管哪種運(yùn)動(dòng)形式，不管是在哪種介質(zhì)中，表達(dá)式：F12=-F21.

2.4 性質(zhì)關(guān)系的探究

引導(dǎo)與提問7：（1）手壓桌面的壓力與桌面給手的支持力都是彈力性質(zhì).

（2）漂浮在水面的乒乓球受到哪幾個(gè)力的作用？它們的反作用力各是哪個(gè)力？

（3）力的反作用力是球給地球的力；浮力的反作用力是球?qū)λ膲毫?

又一次讓學(xué)生體會(huì)理論與實(shí)驗(yàn)比較的物理科學(xué)探究方法.

2.5 效果關(guān)系的探究

引導(dǎo)與提問8：力有哪幾種作用效果？

演示與提問9：（1）兩只手左右拉正中間打結(jié)的橡皮條，效果是否相同？

（2）這里隱藏著什么不同？

引導(dǎo)與提問10：力的作用力與反作用力的效果有沒有形變大小不同的時(shí)候，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？

演示與設(shè)問.（1）將兩個(gè)充滿氣體、不同顏色的氣球?qū)?，瞬間釋放.

（2）兩個(gè)氣球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變是否相同？

（3）同學(xué)們是否注意到，被彈開的氣球又靠近了，是否是相互作用力的效果呢？請課下思考.

分步、分層、分類型探究.兩次拉橡皮條的目的不同：一拉橡皮條是引導(dǎo)學(xué)生思考形變的方位不同；二拉橡皮條是引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)到形變的大小也不同.再讓學(xué)生回憶蛋碰碗的效果做對比；兩個(gè)相互擠壓氣球被彈開，是引導(dǎo)學(xué)生觀察到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變確實(shí)也不同.讓學(xué)生直觀、真實(shí)地感受到力的作用效果和相互作用力的不同效果.思考問題的設(shè)計(jì)，是為了學(xué)生進(jìn)一步理解相互作用力.

3 基本應(yīng)用：三種情境

情境1：倆人手拉手“拔河”.

情境2：燃?xì)庀蛏贤苿?dòng)火箭.

情境3：亞里士多德派的馬車拒絕拉貨車.

引導(dǎo)與提問11：馬拉車與車?yán)R的力等大，為什么車被拉動(dòng)了？與拔河比賽情況是否相同？

選擇馬拉車，一是可以回扣引課中的拔河，并且是貼近生活的現(xiàn)象，二是與牛頓第三定律結(jié)合緊密，三是為了解決許多人（包括不學(xué)物理的人）對此類現(xiàn)象理解的誤區(qū).依然采用作用于不同物體上的相互作用力（馬拉車與車?yán)R的力）與作用于一個(gè)物體（車）上的兩個(gè)力（馬拉車的力和摩擦力）進(jìn)行比較分析，既可以使學(xué)生更清楚認(rèn)識(shí)相互作用力，也明白研究問題時(shí)，確立研究對象的重要性.就可以讓他們深切的體會(huì)到“物理來源于生活，服務(wù)于生活”的道理，增強(qiáng)熱愛生活的熱情和學(xué)習(xí)物理的積極性.

4 教學(xué)設(shè)計(jì)說明：

基于牛頓第三定律是與生產(chǎn)、生活、科技、航天、軍事等領(lǐng)域聯(lián)系密切的重要的物理規(guī)律，這節(jié)課的設(shè)計(jì)采用了探究式課堂教學(xué)模式，即“探究——體驗(yàn)——內(nèi)化——外延”的物理探究教學(xué)模式，這樣不僅可以大大激發(fā)學(xué)生的求知欲和物理學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，而且還能夠有效的幫助學(xué)生樹立力的相互作用觀念，培養(yǎng)科學(xué)思維方式和科學(xué)探究能力，并且?guī)椭鷮W(xué)生在自主的親身體驗(yàn)過程中感悟科學(xué)精神、樹立科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，提升物理核心素養(yǎng).

4.1 加大實(shí)驗(yàn)探究的手段和力度，讓學(xué)生在親身體驗(yàn)中獲得真知

實(shí)驗(yàn)探究是這節(jié)課的重點(diǎn)和核心，總體探究模式是首先由教師與學(xué)生一起提出科學(xué)探究的目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，然后選擇相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行自主探究，在探究的過程中教師適時(shí)啟發(fā)和點(diǎn)撥指導(dǎo)，讓學(xué)生“像科學(xué)家一樣思考”.這樣學(xué)生在課堂上通過實(shí)驗(yàn)、觀察、分析、推理、討論、總結(jié)等一系列實(shí)踐活動(dòng)和思維活動(dòng)來自主建立物理概念和總結(jié)物理規(guī)律.尤其是實(shí)驗(yàn)中選擇的器材（雞蛋、碗、橡皮筋、蘋果、氣球等）大都是生活中常見物品，這些普通的物品在實(shí)驗(yàn)探究中卻顯示出科學(xué)的、不平凡的現(xiàn)象和效果.這樣設(shè)計(jì)的目的力求不僅對學(xué)生的視覺產(chǎn)生沖擊，制造認(rèn)知沖突，激發(fā)求知欲望，引起求知的興趣，而且也引導(dǎo)學(xué)生熱愛生活、學(xué)會(huì)觀察生活的品質(zhì).尤其是課堂上師生共同探究相互作用力大小關(guān)系時(shí)：教師首先從學(xué)生熟悉的雞蛋碰石頭變?yōu)殡u蛋碰碗的演示來培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)探究中大膽質(zhì)疑的精神，然后師生共同探討并設(shè)計(jì)的獨(dú)有的“蘋果牌傳感器”和學(xué)生親自動(dòng)手操作的分組實(shí)驗(yàn)的探究不僅僅提升了學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力，還培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、求真、求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神.

4.2 綜合運(yùn)用多種物理科學(xué)方法幫助學(xué)生進(jìn)行理論探究

在探究相互作用力的共性，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納相互作用力的七方面的特點(diǎn)以及引導(dǎo)學(xué)生思考相互作用力和平衡力的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)等教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)，教師在引導(dǎo)學(xué)生回顧舊知識(shí)的基礎(chǔ)上，采用了隱性滲透和顯性講解相結(jié)合的方式，綜合運(yùn)用了比較和分類方法、分析與綜合方法等多種物理科學(xué)方法，旨在進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的物理思維方式，通過科學(xué)方法幫助學(xué)生深刻理解相關(guān)物理規(guī)律.

通過《牛頓第三定律》整堂課的實(shí)驗(yàn)探究和理論探究的過程，旨在幫助學(xué)生樹立相互作用觀這一核心物理觀念，使學(xué)生意識(shí)到自然界是普遍聯(lián)系并且相互作用的一個(gè)統(tǒng)一體，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用辯證思維來分析問題和解決問題的能力，提升哲學(xué)素養(yǎng).

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