核心素養下低成本實驗融入高中物理教學研究

陳剛林

摘? 要：牛頓第三定律教學中，通過傳感器、玩具、雞蛋碰石頭、拔河等學生司空見慣的生活事例，生動地說明生活中物理無處不在。通過低成本實驗、探究實驗、DISlab實驗的展示開闊了學生的視野，促使學生不斷關注社會、關注生活、關注自己身邊發生的事。

關鍵詞：低成本實驗;高中物理教學;核心素養;牛頓第三定律

中學物理是一門以實驗為基礎的自然科學，物理實驗在中學物理教學中具有相當重要的地位。但就目前的教學現狀來看，物理實驗還是十分薄弱的環節。一方面由于教師將實驗簡單地理解為“教師演示，學生觀看”的過程，未能考慮學生的實際認知水平;另一方面學校忽視了對實驗教學的有效管理，“說起來重要，做起來次要，忙起來不要”的現象在許多學校還比較普遍。

核心素養下，為了幫助學生形成相互作用的觀念，基于觀察和經驗提煉概念，抽象規律，鍛煉科學思維能力。經歷提出問題、形成猜想和假設、設計實驗、獲取和處理信息、基于實驗數據及現象得出實驗結論并做出解釋以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的過程，鍛煉科學探究能力。聯系航天，增強中國自信。

以下是核心素養下將低成本實驗融入牛頓第三定律的教學設計。

一、教材分析

教科書在內容安排上遵從先定性再定量的基本思路。首先通過實例說明兩個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、方向之間有什么關系。最后，通過對物體受力的初步分析，體會牛頓第三定律的價值與意義。

二、教學目標

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，并應用牛頓第三定律分析和解決實際問題，培養科學思維。

3. 通過實驗科學探究過程，了解兩個物體間作用力與反作用力大小和方向的關系，鍛煉科學探究能力。

4. 通過實驗過程，培養學生團結合作、嚴謹求真的科學態度與責任。

三、學情分析

初中階段，學生已經對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平衡力是不同的，即一對平衡力是指同一物體所受的兩個力互相平衡，而一對作用力和反作用力分別作用在兩個物體上。但是他們的這一知識只可能是定性的了解，基本上處在記憶的層次，他們體會不到明確提出作用力和反作用力這一問題的重要價值。要實現對牛頓第三定律的深入理解，還需要從力的性質、作用的同時性等進一步認識，并進行定量探究。

四、教學重點，教學難點，課時安排

教學重點：對牛頓第三定律的理解及應用。

教學難點：作用力、反作用力與平衡力的區別。

課時安排：1課時。

五、新課教學

（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，觀察兩皮球發生形變的情況。綠球發生形變說明什么？紅球發生形變說明什么？

情境三：玩具小汽車放置于活動紙板上，控制遙控汽車前進觀察活動紙板的運動情況。遙控汽車前進的原因是什么？活動紙板后退的原因是什么？

設計意圖：首先通過學生握緊握力器的切身體驗，喚醒學生關于物體間發生相互作用的相關經驗。通過觀察兩個皮球的形變情況，感知作用力與反作用力方向相反、作用在兩個物體上，接著將這種感性認知應用于遙控汽車在活動木板上前進時紙板運動情況的分析，思考得出活動木板后退的原因，體會生活中不易察覺的物體間相互作用，使感性認知向理性認知轉變。上述問題情境引導學生從切身體驗入手，經歷從形象到抽象、感性到理性的認知過程，逐步深化對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）細致觀察，提出概念

師：觀察和實驗表明，1. 兩物體間的作用總是相互的;2. 一個物體對另一個物體施加了力，后一物體一定同時對前一物體施加了力;3. 物體間相互作用的這一對力，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力叫作作用力，另一個叫作反作用力，它們作用在不同物體上。

生活生產中還有哪些相互作用呢？請同學舉例！

（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）

演示實驗：雞蛋碰石頭，雞蛋與石頭發生相互作用的結果是蛋碎石全。

師：難道石頭對雞蛋的力大于雞蛋對石頭的力嗎？實驗無法直觀反映力的大小關系，這是一個定量的問題，而定量的問題只靠日常的觀察和經驗是解決不了的，它需要通過實驗測量來回答。

（三）設計方案，實驗探究

合作探究（實驗前強調彈簧測力計使用前先調零，使用過程不能超過量程，需要沿著軸線拉，讀數要準確。）

實驗目的：探究作用力和反作用力之間的大小關系。

實驗器材：彈簧測力計兩個。

實驗結果表

通過學習小組合作探究，學生自主設計實驗方案、觀察實驗現象、提出實驗結論，最后對實驗進行科學評估。各小組的實驗方案都圍繞著將兩個彈簧測力計掛鉤互相勾住，將一個彈簧測力計固定后，拉另一個彈簧測力計，或兩個彈簧測力計互相拉。實驗結論基本都為“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”這一結論是學生對實驗方案進行科學評估的具體表現。

科學評估主要集中在兩個方面：

一是彈簧測力計讀數比較粗略不能準確反映作用力與反作用力的大小關系;二是實驗方案僅能說明靜止狀態下物體間作用力與反作用力的大小關系。

通過對實驗方案的科學評估，學生的科學探究能力得到有效鍛煉，同時為探究教學進一步展開提供了必要的心理準備和認知邏輯基礎。

師：接下來，同學們用更先進的傳感器演示一下這一對力的變化情況。

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

請兩位同學利用DISlab力傳感器代替彈簧測力計，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讀數不精確的問題，而且能夠將作用力與反作用力大小隨時間變化規律瞬間反映出來。

操作：①對拉;②對推;③對拉或者對推向著一起某一方向運動。

師：通過以上實驗，同學們總結一下作用力和反作用力的關系。

對DISlab數字實驗數據進行相關解讀，引導學生歸納作用力和反作用力大小相等、同時產生、同時變化、同時消失的規律。

（四）學生歸納，得出結論

問題1：能不能將探究結論“作用力與反作用力大小相等、同時產生、同時變化、同時消失”更加簡潔準確地表達出來。

歸納：可以表達為“總是大小相等”。

（板書：總是大小相等）

問題2：請同學們總結作用力和反作用力的特征，歸納物體間發生相互作用時所遵循的物理規律。

歸納：（牛頓第三定律）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。

（板書：方向相反，作用在同一條直線上 牛頓第三定律）

結論：牛頓第三定律不僅適用于靜止狀態下物體間相互作用，對于處于運動狀態下物體間相互作用同樣成立。

（五）知識對比，深化理解

問題1：根據牛頓第三定律的內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：一對平衡力。

問題3：一對相互作用力和一對平衡力的關系是差不多，還是差很多？

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

答案：靜止狀態，兩個力，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系？

答案：一對平衡力。

桌面對物塊的支持力和物塊對桌面的壓力是作用力和反作用力，桌面對物體的支持力作用在物體上，方向豎直向上，物塊對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地球的引力是作用力和反作用力，物塊對地球的引力作用在地球上，方向豎直向上，地球對物塊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系？

答案：一對平衡力。

請同學們比較一對相互作用力和一對平衡力。

通過對比，我們對作用力與反作用力有了進一步的認識。下面我們來解決幾個問題。

（六）學以致用，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原因。

問題1：請一男一女兩位同學模擬拔河比賽，猜一猜誰會贏？

答案：男生。（模擬結果確實如此）

問題2：請男生站在滑板上重新模擬，再猜一猜誰會贏？

答案：女生。（模擬結果確實如此）

問題3：拔河比賽中男生對女生的拉力和女生對男生的拉力大小滿足什么關系？為什么？

答案：根據牛頓第三定律可知大小相等、方向相反。

問題4：那是什么原因導致拔河比賽勝負的呢？

答案：（滑板非常形象直指問題本質）地面摩擦力。

應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，學生根據牛頓第三定律提出雞蛋對石頭的作用力和石頭對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，導致蛋碎石全。進一步加深學生對新知識的理解。

問題5：我們再來看看風力小車的工作原理是什么？先固定小車，判斷風向，讓學生判斷小車的走向，進一步應用牛頓第三定律分析問題。

答案：螺旋槳對空氣有向后的作用力，空氣給螺旋槳一個向前的反作用力使得小車動起來。

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

問題6：螺旋槳的工作需要空氣，如果沒有空氣，無人機怎么飛起來？

激發學生聯想：火箭的運動原理是牛頓第三定律不過只是噴射自身所帶的燃料氣體。并且播放火箭的發射和在太空中的飛行過程。然后教師通過對牛頓第三定律的深度解讀，與原有知識體系進行整合，使學生明確牛頓第三定律的歷史地位和物理意義，加深學生對科學本質的理解。

結論：通過本節課的學習，我們發現無論是從古老的拔河運動到現代的無人機和火箭，無論是地面上的還是太空上的，牛頓第三定律的應用十分廣泛。因此牛頓第三定律雖然內容簡潔，但卻具有極其重要的物理意義。

在物理實驗教學過程中，如何培養學生的實驗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準》（2017版2020修訂）強調物理教學體現核心素養。因此牛頓第三定律教學中，通過傳感器、玩具、雞蛋碰石頭、拔河等學生司空見慣的生活事例，生動地說明生活中物理無處不在。通過低成本實驗、探究實驗、DISlab實驗的展示開闊了學生的視野，促使學生不斷地關注社會、關注生活、關注自己身邊發生的事物。

參考文獻：

[1]袁小東. 低成本實驗在高中物理教學中的應用[J]. 數理化解題研究，2017（24）：48.

[2]周萬里. 低成本實驗在高中物理教學中的應用[J]. 課程教育研究，2019（15）：181-182.

[3]鐘明彩. 低成本材料在高中物理實驗教學中的應用[J]. 科教文匯（下旬刊），2011（01）：92+98.

（責任編輯：淳? 潔）