面向高中物理課堂的“問題鏈”教學(xué)策略研究*——以“牛頓第三定律”為例

呂雨雨 高永偉

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

1 引言

2020年，教育部修訂了2017年版的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)，提倡通過多樣化的教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題的能力.“問題鏈”的教學(xué)模式是一個較新的研究領(lǐng)域.較早提出“問題鏈”概念的是李興中，他在文章中提到，問題必須是互相有機(jī)、能夠形成完整的問題鏈[1].

在實(shí)際的高中物理課堂中，提問是教師常用的教學(xué)手段.“問題鏈”教學(xué)模式就是教師依據(jù)教學(xué)目標(biāo)創(chuàng)設(shè)一個圍繞教學(xué)內(nèi)容的問題情境，將教學(xué)內(nèi)容設(shè)置成一系列的問題，學(xué)生一步步進(jìn)行探究，從而達(dá)到教學(xué)效果的教學(xué)模式[2].結(jié)合具體的課堂活動，從學(xué)生的前認(rèn)知到想要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)之間，設(shè)計富有趣味性和延伸性的問題鏈，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍學(xué)生的思維，幫助學(xué)生更系統(tǒng)地理解物理問題，逐步地完成教學(xué)目標(biāo)的要求[3].問題鏈既可以是遞進(jìn)式的，也可以是并列式的.

下面以人教版新教材必修1的第三章第3節(jié)“牛頓第三定律”一課為例，具體闡述在高中物理課堂中有效應(yīng)用問題鏈的教學(xué)策略，以期與廣大物理同行做深入的交流.

2 教材分析

從課程整體而言，牛頓運(yùn)動定律是質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)的基礎(chǔ).牛頓三大定律是一個有機(jī)的整體，牛頓第三定律作為其中的一個獨(dú)立定律，應(yīng)用極其廣泛.要分析清楚物體系間的內(nèi)力和外力，全面認(rèn)識物體間的運(yùn)動規(guī)律，必須研究物體之間的相互作用、相互影響，即進(jìn)行“牛頓第三定律”的學(xué)習(xí).《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》對牛頓第三定律提出了要求，指出要“形成運(yùn)動與相互作用觀念，理解牛頓運(yùn)動定律，能用牛頓運(yùn)動定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決有關(guān)問題.”[4]

3 學(xué)生情況分析

學(xué)生在初中已有“力是物體間的相互作用”的知識，學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了重力、彈力與摩擦力3個性質(zhì)的力，對力有了一定的初步認(rèn)識.但是學(xué)生對研究對象仍然常常分辨不清，經(jīng)常混淆物體系間的內(nèi)力和外力.故他們對定律的認(rèn)識比較片面，這就需要深入理解規(guī)律來彌補(bǔ)已有知識在處理相關(guān)問題時的局限.

高中學(xué)生已經(jīng)有一定的辨別能力，同時，他們的好奇心強(qiáng)，積極性、主動性較高.因此，在教學(xué)中要運(yùn)用學(xué)生活動和問題鏈結(jié)合的教學(xué)模式激發(fā)其注意力，創(chuàng)設(shè)物理情境啟發(fā)學(xué)生思考，設(shè)計物理實(shí)驗，培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)物理規(guī)律的方法.

4 教學(xué)目標(biāo)

4.1 物理觀念

(1)知道力的作用是相互的，理解作用力與反作用力的概念.

(2)知道牛頓第三定律，能運(yùn)用它解釋實(shí)際問題.

(3)知道一對平衡力和一對作用力與反作用力的異同.

4.2 科學(xué)思維

(1)培養(yǎng)學(xué)生面對未知規(guī)律時，可以先進(jìn)行猜想，然后設(shè)計實(shí)驗方案，用實(shí)驗驗證自己猜想的科學(xué)思維.

(2)在實(shí)驗教學(xué)過程中使學(xué)生感受物理學(xué)科研究現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律的方法，學(xué)會從實(shí)驗中總結(jié)相關(guān)結(jié)論的方法.

4.3 科學(xué)探究

(1)通過設(shè)計實(shí)驗，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗觀察能力、動手操作能力和總結(jié)歸納實(shí)驗信息的能力.

(2)通過用牛頓第三定律分析物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際問題的能力.

4.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

(1)結(jié)合有關(guān)作用力與反作用力的生活實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.

(2)利用小組交流和學(xué)生自己設(shè)計實(shí)驗方案，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的科學(xué)精神和探究意識，感受物理學(xué)科的魅力.

5 教學(xué)策略

5.1 創(chuàng)設(shè)情境引發(fā)思考

活動1：拔河比賽.

組織學(xué)生做游戲，在班級里選出兩位身材差距較大的學(xué)生進(jìn)行拔河比賽，結(jié)果不出所料，身材比較壯的學(xué)生獲勝.在學(xué)生們沉浸在游戲體驗中的時候拋出問題：贏的一方一定比輸?shù)囊环搅獯髥幔吭谛抡n引入環(huán)節(jié)，利用學(xué)生之間的小游戲引入新課，創(chuàng)設(shè)可以引發(fā)學(xué)生思考的問題情境，學(xué)生帶著這個問題出發(fā)，學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容.

5.2 展示實(shí)例詳細(xì)分析

在這一環(huán)節(jié)，展示3個實(shí)例，即手壓桌面、手提水桶和同名磁極相互靠近.教師通過提問的方式和學(xué)生們互動探討，運(yùn)用一個聯(lián)系緊密的問題鏈分析得出力的作用是相互的，且畫出力的示意圖，為之后探討兩個力之間的關(guān)系做鋪墊.

活動2：用手壓桌面，如圖1所示.

圖1 手壓桌面

問題一：手對桌面的壓力，施力物體和受力物體分別是哪個？方向是哪邊？

問題二：桌子對手有沒有力的作用？如何感知得到？

問題三：桌面對手的支持力，作用點(diǎn)在哪？方向是哪邊？

活動3：將裝滿水的水桶提起來，如圖2所示.

圖2 手提水桶

問題四：手對水桶的拉力，施力物體和受力物體分別是哪個？方向是哪邊？

問題五：水桶對手有沒有力的作用？這個力的作用點(diǎn)在哪？方向是哪邊？

活動4：兩個綁著條形磁鐵的小車，同名磁極相互靠近，釋放后，兩個小車排斥，如圖3所示.

圖3 同名磁極相互排斥

問題六：兩個小磁車互相對對方有一個排斥的力，這兩個力的施力物體和受力物體分別是誰？

問題七：兩個小磁車向相反的方向運(yùn)動，那么這兩個力的方向如何？

問題八：觀察這3個例子，我們看到，當(dāng)施力物體對受力物體有一個力的作用時，受力物體同時會對施力物體也有一個力的作用.那這些例子說明了什么呢？

觀察生活中的各種現(xiàn)象，我們會發(fā)現(xiàn)，物體之間力的作用是相互的.一個物體如果對另一個物體施加了一個力的作用，同時，后一個物體也對前一個物體有力的作用.物體間相互作用的這一對力，通常叫做作用力和反作用力[5].一個物體既是施力物體也是受力物體.

問題九：磁鐵A排斥磁鐵B，如果把A對B的斥力稱為作用力的話，那么B對A的力就是反作用力.那我能不能把B對A的稱為作用力呢？

通過前面的分析表明，作用力和反作用力是相對而言的，它們之間關(guān)系如圖4所示.

圖4 作用力和反作用力

5.3 探究討論驗證關(guān)系

這一環(huán)節(jié)的重點(diǎn)在于讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗探究，探究出作用力和反作用力的定量關(guān)系，形成科學(xué)思維，即面對未知規(guī)律時，首先針對問題進(jìn)行猜想，其次針對實(shí)驗器材設(shè)計實(shí)驗方案，最后動手實(shí)驗驗證猜想是否正確.設(shè)計一段問題鏈幫助學(xué)生探討作用力與反作用力的定性關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生從力的三要素開始討論.

活動5：探究作用力與反作用力的定量關(guān)系.

力的三要素是大小、方向、作用點(diǎn)，既然要探究力和力之間的關(guān)系，就先從大小關(guān)系入手.通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道作用力和反作用力是什么，教師隨之提出問題：作用力和反作用力的大小有什么關(guān)系？學(xué)生的猜想存在兩種情況，大小相等或者不相等.課前準(zhǔn)備若干彈簧測力計，將學(xué)生分成兩兩一組，每組兩個彈簧測力計.根據(jù)實(shí)驗器材，針對自己的猜想，學(xué)生發(fā)揮想象設(shè)計實(shí)驗方案，教師匯總所有方案，如圖5所示，然后鼓勵學(xué)生動手實(shí)驗，驗證自己的猜想，得出實(shí)驗結(jié)論.

圖5 實(shí)驗流程圖

活動6：探究作用力與反作用力的定性關(guān)系.

在實(shí)驗中已經(jīng)驗證了作用力與反作用力的大小是相等的，接下來就研究相互作用力的方向和作用點(diǎn).在研究定性關(guān)系時，從最開始的幾個小活動入手，觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.設(shè)計問題鏈引導(dǎo)學(xué)生思考，明確相互作用力的關(guān)系.

問題一：觀察活動2，3，4的力的示意圖，可以發(fā)現(xiàn)它們的方向有什么特點(diǎn)？(反向、共線)

問題二：這兩個力的作用對象是同一個物體嗎？(異物)

問題三：如果撤去其中一個力時，另一個力還存在嗎？假如我撤走了手對桌面的壓力，那么桌面對手的力還存在嗎？如果我再壓桌面呢？(同時)

問題四：在前面我們學(xué)過了重力、彈力、摩擦力3種性質(zhì)的力，同學(xué)們觀察一下，在前面這些活動中，作用力與反作用力的性質(zhì)有什么關(guān)系？(共性)

力的性質(zhì)舉例如表1所示.

表1 力的性質(zhì)

通過以上結(jié)論，我們可以總結(jié)得出作用力和反作用力的關(guān)系是等大、反向、共線、異物、同時、共性.這也就是牛頓第三定律的內(nèi)容，即兩個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[6].

5.4 聯(lián)系實(shí)際解決問題

這一環(huán)節(jié)是在學(xué)生學(xué)習(xí)了牛頓第三定律的基礎(chǔ)上，聯(lián)系一些實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)用牛頓第三定律解決實(shí)際問題.學(xué)習(xí)牛頓第三定律之后，在淺層次問題上學(xué)生已經(jīng)可以自主解決，但一些容易混淆且不好理解的力，就需要再次討論分析.

問題一：回顧導(dǎo)入環(huán)節(jié)的拔河比賽，回答兩位學(xué)生的拉力大小關(guān)系，答案顯而易見，這兩個拉力是一對相互作用力，根據(jù)牛頓第三定律，這兩個拉力一樣大.既然拉力一樣大，那為什么贏的學(xué)生會把輸?shù)膶W(xué)生拉過來？

問題二：雞蛋碰石頭，雞蛋碎了，石頭完好無損.石頭碰雞蛋的力比雞蛋碰石頭的力大嗎？為什么雞蛋碎了？

問題三：播放火箭升空的視頻，觀看視頻，分析火箭升空的動力來源.

問題四：是不是火箭向下噴出氣體之后，氣體才給火箭一個反作用力呢？

通過以上這個并列式問題鏈的討論，一方面可以驗證牛頓第三定律，理清相互作用力的本質(zhì)內(nèi)容，另一方面可以使學(xué)生走出誤區(qū)，明確原因.拔河比賽中，兩人拉力一樣大，輸贏的關(guān)鍵在于地面給人的摩擦力.雞蛋碰石頭，石頭碰雞蛋和雞蛋碰石頭的力一樣大.雞蛋碎了是因為每個物體所能承受的壓強(qiáng)是一定的，超過這個限度就可能被損壞，雞蛋能承受的壓強(qiáng)小，所以雞蛋將破裂.而火箭升空是由于火箭向下噴出氣體，給了氣體一個向下的作用力，同時氣體給了它一個反作用力，從而推動它升空.

5.5 案例分析突破難點(diǎn)

案例：一個水杯放置在水平桌面上，分析水杯和桌子的受力，如圖6所示.

圖6 受力分析

問題一：水杯受哪幾個力？桌子受哪幾個力？

問題二：有沒有一對相互作用力呢？

問題三：那N和G是什么關(guān)系呢？(復(fù)習(xí)初中二力平衡的知識，學(xué)生發(fā)現(xiàn)平衡力和相互作用力的相同點(diǎn)是等大、反向和共線，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)相互作用力的各個特點(diǎn)來探究不同點(diǎn).)

問題四：每個力的作用點(diǎn)分別在哪？它們互相之間的作用效果可以抵消嗎？

問題五：當(dāng)我給杯子里倒水時，這些力如何變化？我拿走杯子時，這些力依舊存在嗎？

問題六：在前面我們學(xué)過了重力、彈力、摩擦力3種性質(zhì)的力.在杯子和桌子的受力中，力的性質(zhì)存在什么關(guān)系？

問題七：體育課過后，兩位同學(xué)過來搶水喝，兩個人爭執(zhí)不下，一人一手在兩邊拽著杯子，這種情況下，這兩個力的性質(zhì)如何呢？

通過以上的討論分析，可以得出相互作用力與平衡力的異同如表2所示.

表2 相互作用力與平衡力的異同

6 教學(xué)反思

“問題鏈”的教學(xué)模式在高中物理課堂中的運(yùn)用是一個較新的研究領(lǐng)域.通過牛頓第三定律這節(jié)課的教學(xué)可以看出，以問題鏈的形式拋出各種問題，引導(dǎo)學(xué)生一步步探討，是一個比較實(shí)用的教學(xué)模式[7].引入環(huán)節(jié)的拔河比賽，既吸引學(xué)生注意力，又給學(xué)生留下疑問.第二環(huán)節(jié)的問題鏈奠定了這節(jié)課的基礎(chǔ)，若干簡單的小問題組成一個問題串，研究3個小活動，感受物體之間力的作用是相互的.探究環(huán)節(jié)的問題鏈引導(dǎo)學(xué)生觀察3個小活動的現(xiàn)象并尋找出規(guī)律，研究各種情況下作用力與反作用力的關(guān)系并得出結(jié)論.實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)通過一個并列式的問題鏈，解決了3個實(shí)際問題，其中包括引入環(huán)節(jié)的拔河問題、生活中的雞蛋碰石頭問題以及火箭升空.案例分析環(huán)節(jié)是以問題鏈形式解決這節(jié)課的難點(diǎn)問題，即平衡力與相互作用力的區(qū)別.通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，問題鏈中的問題必須是具有目標(biāo)性和邏輯性的，不能脫離學(xué)生實(shí)際，且重視問題過程，根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計出的問題鏈，可以更好地促進(jìn)學(xué)生能力和思維的發(fā)展.