核心素養(yǎng)下低成本實(shí)驗(yàn)融入高中物理教學(xué)研究

陳剛林

摘? 要：牛頓第三定律教學(xué)中，通過傳感器、玩具、雞蛋碰石頭、拔河等學(xué)生司空見慣的生活事例，生動(dòng)地說明生活中物理無處不在。通過低成本實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)、DISlab實(shí)驗(yàn)的展示開闊了學(xué)生的視野，促使學(xué)生不斷關(guān)注社會(huì)、關(guān)注生活、關(guān)注自己身邊發(fā)生的事。

關(guān)鍵詞：低成本實(shí)驗(yàn);高中物理教學(xué);核心素養(yǎng);牛頓第三定律

中學(xué)物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中具有相當(dāng)重要的地位。但就目前的教學(xué)現(xiàn)狀來看，物理實(shí)驗(yàn)還是十分薄弱的環(huán)節(jié)。一方面由于教師將實(shí)驗(yàn)簡單地理解為“教師演示，學(xué)生觀看”的過程，未能考慮學(xué)生的實(shí)際認(rèn)知水平;另一方面學(xué)校忽視了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效管理，“說起來重要，做起來次要，忙起來不要”的現(xiàn)象在許多學(xué)校還比較普遍。

核心素養(yǎng)下，為了幫助學(xué)生形成相互作用的觀念，基于觀察和經(jīng)驗(yàn)提煉概念，抽象規(guī)律，鍛煉科學(xué)思維能力。經(jīng)歷提出問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、獲取和處理信息、基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論并做出解釋以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的過程，鍛煉科學(xué)探究能力。聯(lián)系航天，增強(qiáng)中國自信。

以下是核心素養(yǎng)下將低成本實(shí)驗(yàn)融入牛頓第三定律的教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、教材分析

教科書在內(nèi)容安排上遵從先定性再定量的基本思路。首先通過實(shí)例說明兩個(gè)物體之間的作用力總是相互的，作用力必有反作用力。然后探究作用力與反作用力的大小、方向之間有什么關(guān)系。最后，通過對(duì)物體受力的初步分析，體會(huì)牛頓第三定律的價(jià)值與意義。

二、教學(xué)目標(biāo)

1. 知道力的作用是相互的，了解作用力和反作用力的概念，形成相互作用觀念。

2. 能夠正確表述牛頓第三定律，并應(yīng)用牛頓第三定律分析和解決實(shí)際問題，培養(yǎng)科學(xué)思維。

3. 通過實(shí)驗(yàn)科學(xué)探究過程，了解兩個(gè)物體間作用力與反作用力大小和方向的關(guān)系，鍛煉科學(xué)探究能力。

4. 通過實(shí)驗(yàn)過程，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)合作、嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

三、學(xué)情分析

初中階段，學(xué)生已經(jīng)對(duì)物體間的相互作用問題有了定性了解，也知道相互作用和一對(duì)平衡力是不同的，即一對(duì)平衡力是指同一物體所受的兩個(gè)力互相平衡，而一對(duì)作用力和反作用力分別作用在兩個(gè)物體上。但是他們的這一知識(shí)只可能是定性的了解，基本上處在記憶的層次，他們體會(huì)不到明確提出作用力和反作用力這一問題的重要價(jià)值。要實(shí)現(xiàn)對(duì)牛頓第三定律的深入理解，還需要從力的性質(zhì)、作用的同時(shí)性等進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，并進(jìn)行定量探究。

四、教學(xué)重點(diǎn)，教學(xué)難點(diǎn)，課時(shí)安排

教學(xué)重點(diǎn)：對(duì)牛頓第三定律的理解及應(yīng)用。

教學(xué)難點(diǎn)：作用力、反作用力與平衡力的區(qū)別。

課時(shí)安排：1課時(shí)。

五、新課教學(xué)

（一）提出問題，引入情境

情境一：用手握住握力器，用力使握力器發(fā)生形變。手有什么感覺？說明什么？

情境二：用紅皮球去擠壓綠皮球，觀察兩皮球發(fā)生形變的情況。綠球發(fā)生形變說明什么？紅球發(fā)生形變說明什么？

情境三：玩具小汽車放置于活動(dòng)紙板上，控制遙控汽車前進(jìn)觀察活動(dòng)紙板的運(yùn)動(dòng)情況。遙控汽車前進(jìn)的原因是什么？活動(dòng)紙板后退的原因是什么？

設(shè)計(jì)意圖：首先通過學(xué)生握緊握力器的切身體驗(yàn)，喚醒學(xué)生關(guān)于物體間發(fā)生相互作用的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。通過觀察兩個(gè)皮球的形變情況，感知作用力與反作用力方向相反、作用在兩個(gè)物體上，接著將這種感性認(rèn)知應(yīng)用于遙控汽車在活動(dòng)木板上前進(jìn)時(shí)紙板運(yùn)動(dòng)情況的分析，思考得出活動(dòng)木板后退的原因，體會(huì)生活中不易察覺的物體間相互作用，使感性認(rèn)知向理性認(rèn)知轉(zhuǎn)變。上述問題情境引導(dǎo)學(xué)生從切身體驗(yàn)入手，經(jīng)歷從形象到抽象、感性到理性的認(rèn)知過程，逐步深化對(duì)物體間相互作用的理解，并最終提出作用力和反作用力的概念。

（二）細(xì)致觀察，提出概念

師：觀察和實(shí)驗(yàn)表明，1. 兩物體間的作用總是相互的;2. 一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體施加了力，后一物體一定同時(shí)對(duì)前一物體施加了力;3. 物體間相互作用的這一對(duì)力，通常叫作作用力和反作用力，作用力和反作用力總是互相依存的。可以把其中任何一個(gè)力叫作作用力，另一個(gè)叫作反作用力，它們作用在不同物體上。

生活生產(chǎn)中還有哪些相互作用呢？請(qǐng)同學(xué)舉例！

（天體間的相互作用，磁體間的相互作用，電荷間的相互作用等）

（板書：物體A物體B作用力和反作用力）

演示實(shí)驗(yàn)：雞蛋碰石頭，雞蛋與石頭發(fā)生相互作用的結(jié)果是蛋碎石全。

師：難道石頭對(duì)雞蛋的力大于雞蛋對(duì)石頭的力嗎？實(shí)驗(yàn)無法直觀反映力的大小關(guān)系，這是一個(gè)定量的問題，而定量的問題只靠日常的觀察和經(jīng)驗(yàn)是解決不了的，它需要通過實(shí)驗(yàn)測量來回答。

（三）設(shè)計(jì)方案，實(shí)驗(yàn)探究

合作探究（實(shí)驗(yàn)前強(qiáng)調(diào)彈簧測力計(jì)使用前先調(diào)零，使用過程不能超過量程，需要沿著軸線拉，讀數(shù)要準(zhǔn)確。）

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄孔饔昧头醋饔昧χg的大小關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)器材：彈簧測力計(jì)兩個(gè)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

通過學(xué)習(xí)小組合作探究，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、提出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。各小組的實(shí)驗(yàn)方案都圍繞著將兩個(gè)彈簧測力計(jì)掛鉤互相勾住，將一個(gè)彈簧測力計(jì)固定后，拉另一個(gè)彈簧測力計(jì)，或兩個(gè)彈簧測力計(jì)互相拉。實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本都為“作用力和反作用力大小基本相等”，而“作用力與反作用力大小基本相等”這一結(jié)論是學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行科學(xué)評(píng)估的具體表現(xiàn)。

科學(xué)評(píng)估主要集中在兩個(gè)方面：

一是彈簧測力計(jì)讀數(shù)比較粗略不能準(zhǔn)確反映作用力與反作用力的大小關(guān)系;二是實(shí)驗(yàn)方案僅能說明靜止?fàn)顟B(tài)下物體間作用力與反作用力的大小關(guān)系。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的科學(xué)評(píng)估，學(xué)生的科學(xué)探究能力得到有效鍛煉，同時(shí)為探究教學(xué)進(jìn)一步展開提供了必要的心理準(zhǔn)備和認(rèn)知邏輯基礎(chǔ)。

師：接下來，同學(xué)們用更先進(jìn)的傳感器演示一下這一對(duì)力的變化情況。

介紹儀器：用導(dǎo)線把力傳感器和電腦連好，當(dāng)力傳感器的鉤子受力時(shí)能把力的情況傳給電腦，在屏幕上顯示出力的變化情況。圖像的橫軸代表時(shí)間（t），縱軸代表力（F），紅線代表一個(gè)傳感器的受力情況，藍(lán)線代表另一個(gè)傳感器的受力情況。

請(qǐng)兩位同學(xué)利用DISlab力傳感器代替彈簧測力計(jì)，演示小組合作探究中所涉及的探究方案，提出DISlab傳感器不僅解決彈簧測力計(jì)讀數(shù)不精確的問題，而且能夠?qū)⒆饔昧εc反作用力大小隨時(shí)間變化規(guī)律瞬間反映出來。

操作：①對(duì)拉;②對(duì)推;③對(duì)拉或者對(duì)推向著一起某一方向運(yùn)動(dòng)。

師：通過以上實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們總結(jié)一下作用力和反作用力的關(guān)系。

對(duì)DISlab數(shù)字實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)解讀，引導(dǎo)學(xué)生歸納作用力和反作用力大小相等、同時(shí)產(chǎn)生、同時(shí)變化、同時(shí)消失的規(guī)律。

（四）學(xué)生歸納，得出結(jié)論

問題1：能不能將探究結(jié)論“作用力與反作用力大小相等、同時(shí)產(chǎn)生、同時(shí)變化、同時(shí)消失”更加簡潔準(zhǔn)確地表達(dá)出來。

歸納：可以表達(dá)為“總是大小相等”。

（板書：總是大小相等）

問題2：請(qǐng)同學(xué)們總結(jié)作用力和反作用力的特征，歸納物體間發(fā)生相互作用時(shí)所遵循的物理規(guī)律。

歸納：（牛頓第三定律）兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。

（板書：方向相反，作用在同一條直線上 牛頓第三定律）

結(jié)論：牛頓第三定律不僅適用于靜止?fàn)顟B(tài)下物體間相互作用，對(duì)于處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下物體間相互作用同樣成立。

（五）知識(shí)對(duì)比，深化理解

問題1：根據(jù)牛頓第三定律的內(nèi)容兩物體間的作用力與反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一直線上，那么大家再想，如果兩個(gè)力大小相等，方向相反，作用在同一直線上，我們能夠說這兩個(gè)力一定是作用力與反作用力嗎？

答案：不能。

問題2：那還有什么力大小相等，方向相反呢？

答案：一對(duì)平衡力。

問題3：一對(duì)相互作用力和一對(duì)平衡力的關(guān)系是差不多，還是差很多？

請(qǐng)看圖，桌面上的一物塊，處于什么狀態(tài)？受到幾個(gè)力的作用？這幾個(gè)力的反作用力分別是什么？受力物體是誰？方向如何？

答案：靜止?fàn)顟B(tài)，兩個(gè)力，重力和支持力。

問題4：那么，物塊受到的重力與支持力是什么關(guān)系？

答案：一對(duì)平衡力。

桌面對(duì)物塊的支持力和物塊對(duì)桌面的壓力是作用力和反作用力，桌面對(duì)物體的支持力作用在物體上，方向豎直向上，物塊對(duì)桌面的壓力作用在桌面上，方向豎直向下;物塊的重力和物塊對(duì)地球的引力是作用力和反作用力，物塊對(duì)地球的引力作用在地球上，方向豎直向上，地球?qū)ξ飰K的引力作用在物體上，方向豎直向下。

問題5：那么，物塊受到的重力與支持力是什么關(guān)系？

答案：一對(duì)平衡力。

請(qǐng)同學(xué)們比較一對(duì)相互作用力和一對(duì)平衡力。

通過對(duì)比，我們對(duì)作用力與反作用力有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。下面我們來解決幾個(gè)問題。

（六）學(xué)以致用，解決問題

拔河比賽情境，利用牛頓第三定律分析拔河比賽的勝負(fù)原因。

問題1：請(qǐng)一男一女兩位同學(xué)模擬拔河比賽，猜一猜誰會(huì)贏？

答案：男生。（模擬結(jié)果確實(shí)如此）

問題2：請(qǐng)男生站在滑板上重新模擬，再猜一猜誰會(huì)贏？

答案：女生。（模擬結(jié)果確實(shí)如此）

問題3：拔河比賽中男生對(duì)女生的拉力和女生對(duì)男生的拉力大小滿足什么關(guān)系？為什么？

答案：根據(jù)牛頓第三定律可知大小相等、方向相反。

問題4：那是什么原因?qū)е掳魏颖荣悇儇?fù)的呢？

答案：（滑板非常形象直指問題本質(zhì)）地面摩擦力。

應(yīng)用牛頓第三定律分析拔河比賽情境后，回到課堂開始提出的雞蛋碰石頭的問題情境，學(xué)生根據(jù)牛頓第三定律提出雞蛋對(duì)石頭的作用力和石頭對(duì)雞蛋的作用力大小相等，只是雞蛋的硬度和石頭硬度不一樣，作用效果不同，導(dǎo)致蛋碎石全。進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解。

問題5：我們再來看看風(fēng)力小車的工作原理是什么？先固定小車，判斷風(fēng)向，讓學(xué)生判斷小車的走向，進(jìn)一步應(yīng)用牛頓第三定律分析問題。

答案：螺旋槳對(duì)空氣有向后的作用力，空氣給螺旋槳一個(gè)向前的反作用力使得小車動(dòng)起來。

經(jīng)過分析得出：如果空氣對(duì)螺旋槳的作用力超過重力的話，小車就可能飛起來。聯(lián)想到無人機(jī)（或直升機(jī)）的飛行原理。

問題6：螺旋槳的工作需要空氣，如果沒有空氣，無人機(jī)怎么飛起來？

激發(fā)學(xué)生聯(lián)想：火箭的運(yùn)動(dòng)原理是牛頓第三定律不過只是噴射自身所帶的燃料氣體。并且播放火箭的發(fā)射和在太空中的飛行過程。然后教師通過對(duì)牛頓第三定律的深度解讀，與原有知識(shí)體系進(jìn)行整合，使學(xué)生明確牛頓第三定律的歷史地位和物理意義，加深學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。

結(jié)論：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們發(fā)現(xiàn)無論是從古老的拔河運(yùn)動(dòng)到現(xiàn)代的無人機(jī)和火箭，無論是地面上的還是太空上的，牛頓第三定律的應(yīng)用十分廣泛。因此牛頓第三定律雖然內(nèi)容簡潔，但卻具有極其重要的物理意義。

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，如何培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力是一線教師急需解決的問題，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版2020修訂）強(qiáng)調(diào)物理教學(xué)體現(xiàn)核心素養(yǎng)。因此牛頓第三定律教學(xué)中，通過傳感器、玩具、雞蛋碰石頭、拔河等學(xué)生司空見慣的生活事例，生動(dòng)地說明生活中物理無處不在。通過低成本實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)、DISlab實(shí)驗(yàn)的展示開闊了學(xué)生的視野，促使學(xué)生不斷地關(guān)注社會(huì)、關(guān)注生活、關(guān)注自己身邊發(fā)生的事物。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：淳? 潔）