激活思維的學生學習活動設計
———以“作用與反作用 牛頓第三定律”為例

◇ 上海 王 健

物理學科核心素養的提出為現階段的物理課堂教學帶來了新的挑戰,教學中應體現“學生為主體,教師為主導”的理念,通過教師的引導,打開學生的思維,通過問題探索、實驗探究、團隊合作等來解決問題,體會物理觀念的形成過程,培養本學科特有的科學態度與責任.因此,學生的學習活動應圍繞物理思維的激活而展開.有效的學習活動設計能夠激活學生的思維,提升課堂效率.筆者以滬教版高一上冊第三章“牛頓運動定律”中的“作用與反作用 牛頓第三定律”為例,針對本節課的重點、難點設計學生的學習活動,激活學生思維.

1 以學生學情為基礎,從知識點的考量逐漸擴散到單元教學設計

要激活學生在課堂上的物理思維,首先要了解學生現有的學習情況,才能在教學內容和解決教學難點的設計中有的放矢.

1.1 牛頓第三定律的學情分析

學習牛頓第三定律前,學生通過初中物理學習已經初步建立了相互作用的觀念.在高中階段已具備運動學、靜力學、牛頓第一定律和牛頓第二定律的基本知識,并初步掌握了使用DIS進行實驗的方法.本節課強調學生在已有知識的基礎上,通過自主活動、DIS實驗方案設計及探究,對結果進行比較與歸納.學生體會到物體在靜止時、運動時甚至做曲線運動時都滿足規律,最后才能提煉出定律.在應用牛頓第三定律分析問題時,通過受力分析與比較,感受作用力與反作用力和平衡力之間的不同之處.現有的教學設計應以本課時的教學內容為出發點,并考慮它和本單元其他知識點之間的聯系,打通知識脈絡,促使學生形成清晰的物理知識構圖,在應用物理規律時能聯系已有的學習內容.因此,在教學活動設計中,我們可以從對本節課知識點的考量逐漸擴散到單元教學設計.

1.2 從知識點的考量逐漸擴散到單元教學設計

牛頓第三定律是牛頓運動定律的第三個內容,整個單元將力和運動聯系起來.牛頓第一定律是力學的基石,正因為物體有保持運動狀態不變的性質,才能談得上什么情況會改變物體的運動狀態.牛頓第二定律是核心,它定性且定量地揭示了力是改變運動狀態的原因.而牛頓第三定律在前兩個定律的基礎上,將研究對象的個數從單個增加到兩個或兩個以上,通過對作用力與反作用力之間關系的歸納,完善了牛頓運動定律體系.它揭示了自然界中一切作用都是相互的這一特性.從知識體系上看,牛頓三大定律間存在遞進關系.

2 以激發思維為主旨,通過流程圖梳理和設計學生的學習活動

“作用與反作用 牛頓第三定律”這節課的設計內容包括三個方面:一是作用力與反作用力之間的關系以及牛頓第三定律;二是區分一對作用力和反作用力與一對平衡力;三是分析解決問題時不僅要考慮到作用力與反作用力,還要選擇研究對象,根據力和運動的關系進行受力分析.因此,流程圖的設計要以其為主線,通過各種學習活動的設計將這條線串起來.圖1是這節課的流程圖.

圖1

對于其中的學生活動,我們可以在流程圖后進行注釋或者說明,圖文對應,直觀顯示整個課堂教學中各個環節之間的關系,體現學習活動設計過程中的邏輯性和層次性.比如流程圖中的活動1,通過學生活動感受相互作用力,我們可以這樣注釋.

活動1:提供器材,使小汽車自發運動

(提供氣球、電風扇、膠帶、小汽車等)學生通過交流合作,選擇合適的器材使小汽車能自發地運動起來.

活動后,提出問題:

(1)你是如何使小車運動起來的?

(2)你覺得小車為什么會運動起來?

(3)小車為什么往這個方向運動?

通過引導與回顧,得出力的作用是相互的.

接著提問:我們生活中還有哪些現象用到了力的相互作用?

通過學生舉例(手壓彈簧、踢球、螺旋槳、直升機等),了解各種現象中力的相互作用,引導得出:力總是成對出現的,其中任意一個力叫作作用力,另一個就是反作用力.學生的學習活動有的是為了知識點的引入,有的是為了加深理解,還有的是為了引發認知沖突.只看流程圖并不能了解學習活動的方式和內容,每個活動的注釋可以對流程圖有很好的補充.以流程圖中的活動2為例.

活動2:請兩位同學用手互拉,模擬拔河比賽.一位大個子,一位小個子.

提出問題:兩位同學誰的力氣大?(可能有的說是贏的同學力氣大,有的說一樣大.)

繼續請兩位同學再進行一次拔河比賽,這次讓贏的同學站在滑板上,結果他輸了.

提問:兩位同學誰的力氣大?

在對比中產生認知沖突,為了解決“兩位同學互相拉的力,哪個力大?”這個問題,需要探究一對作用力和反作用力之間的關系.

通過活動1和活動2的比較,可以看出,要激發學生的物理思維,活動設計中不僅需要流程圖,也需要必要的注釋和說明.

3 學習活動設計層層遞進,激活學生思維

要讓學生的物理知識脈絡清晰,首先教師的活動設計思路要清晰.將流程圖中的學生學習活動有序開展,知識內容由淺入深、由定性到定量、層層遞進.通過這樣的學習活動,學生的思維可以慢慢地被激活,理解新知識點自然而又深刻.

本節課中,活動3是學生實驗探究作用力與反作用力的關系,對兩位同學拔河這個過程可以建立物理模型.在所給的彈簧測力計、細繩、力傳感器、砝碼、木塊、軌道等器材中,選擇自己需要的器材,設計實驗,找出一對作用力與反作用力,并研究它們的大小關系.學生可通過彈簧測力計互拉得到一對力的大小、方向、作用點,也可以通過DIS系統互拉或互壓力傳感器得到一對作用力和反作用力的大小、方向的關系.實驗中,對于研究對象靜止和運動兩種情況,分別觀察力傳感器與時間的圖象.

圖2

圖3

通過幾個小組代表發言,歸納實驗結論:一對作用力與反作用力大小相等,方向相反,同時變化.

在活動3學生探究得到結論的基礎上,教師可以用演示實驗來證明作用力與反作用力的關系的普遍規律.在活動4中,教師可以依次演示曲線運動情況下和場之間相互作用情況下作用力與反作用力的關系.如通過演示磁場之間的相互作用,既證明牛頓第三定律的普適性,又能夠區別作用力與反作用力和平衡力之間的區別.活動設計如下:

用電子臺秤分別測量兩塊磁體的重力,先將一塊磁體置于臺秤上,然后在它正上方放置另一塊磁體,使它受到斥力的效果處于懸浮狀態,通過前后兩次比較臺秤示數,請學生對磁體進行受力分析,發現前后兩次示數差為懸浮磁體的重力大小,也為磁體間的相互作用力大小,得到作用力與反作用力之間的關系.通過這個活動,不僅可以討論它們之間的相互作用及個體的受力情況,還可以分析出一對作用力和反作用力與一對平衡力的相同點和不同點.

激活學生思維的活動設計不僅僅是獲取新知,更重要的是體現物理知識在實際情境中的應用,這也是本節課學生活動的最后一層遞進.首先可以就上課引入的“拔河”情境進一步互動:既然作用力與反作用力大小相等,那么拔河為什么還會有勝負之分,引發學生思考.接著通過觀看火箭發射視頻,分析為什么在沒有空氣的環境下也能加速,加速過程中還需要注意哪些環節?在解決這些問題的過程中感受牛頓三大定律之間的聯系、受力分析的注意事項,為下節課做好鋪墊.甚至還可以拓展,某個質點持續加速,當它的速度接近光速時,是否還能用牛頓運動定律來分析問題,引出牛頓運動定律應用的局限性,拓寬學生視野.

上述活動先通過學生得到物理規律,再由教師展示此物理規律的普遍性,得到結論,最后基于這個物理規律來解決生活中的一些問題,增強應用能力.這樣的學習活動設計層層遞進,更有利于激活學生的物理思維,從而提高學生的物理學科核心素養.