素養(yǎng)情境化·情境問題化·問題探究化·探究思維化
——以牛頓第三運動定律教學(xué)為例

陳水勇

（福建省龍海第二中學(xué)，福建 龍海 363100）

物理規(guī)律揭示的是物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運動所遵循的規(guī)律，是觀察與實驗、思維與想象相結(jié)合的產(chǎn)物，是物理思想方法和物理學(xué)科素養(yǎng)形成的重要載體之一。因此物理規(guī)律的教學(xué)過程應(yīng)當(dāng)是學(xué)生在教師的引導(dǎo)下與物理世界相互作用，去發(fā)現(xiàn)問題、探究規(guī)律、討論規(guī)律和運用規(guī)律的過程。［1］但是不少一線教師在進(jìn)行物理規(guī)律的教學(xué)中，受應(yīng)試教育的影響，吝于在探索規(guī)律的過程中花時間，往往在學(xué)生認(rèn)知不足的情況下，就把規(guī)律“搬出來”“灌”給學(xué)生，然后迫不及待地開始講解例題。這種填鴨式的規(guī)律教學(xué)以及囫圇吞棗式的習(xí)題講解，造成絕大多數(shù)的學(xué)生只是機械記憶了規(guī)律的內(nèi)容或公式，對規(guī)律的內(nèi)涵一知半解，學(xué)生的思維能力、分析解決問題能力根本沒有得到鍛煉和提高，更談不上學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。在核心素養(yǎng)視閾下的物理規(guī)律教學(xué)，教師應(yīng)基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求設(shè)置相應(yīng)情境，利用情境設(shè)置問題或問題串，圍繞問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，從而使學(xué)生在探究中發(fā)展思維、建構(gòu)知識。現(xiàn)以“牛頓第三運動定律”教學(xué)為例，采取“素養(yǎng)情境化、情境問題化、問題探究化、探究思維化”的策略，探討促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的路徑。

一、聚焦素養(yǎng)，創(chuàng)設(shè)物理情境

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》指出：“創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵的作用。”［2］教師首先要基于本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)，圍繞物理學(xué)科核心素養(yǎng)（物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任）要求把“目標(biāo)素養(yǎng)化”，然后圍繞素養(yǎng)要求靈活設(shè)置相應(yīng)情境來展開教學(xué)。（如表1所示）

表1 利用情境促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)

二、創(chuàng)設(shè)實驗情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題

在新課引入環(huán)節(jié)，教師向?qū)W生展示魔術(shù)——“隔空稱重”，如圖1 電子秤原來示數(shù)為0，放上一粉筆盒如圖2，顯示示數(shù)為155.5 克，用手將粉筆盒向上拿起隔空放在電子秤上方如圖3，電子秤示數(shù)顯示為0 克，教師向?qū)W生聲稱自己有特異功能，可以發(fā)功讓粉筆盒隔空放在電子秤上方，而電子秤會有示數(shù)，然后教師假裝發(fā)功，暗地里偷偷把該粉筆盒轉(zhuǎn)了一個方向再次隔空放在電子秤上方（如圖4），學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)，此時電子秤顯示示數(shù)為8.8 克。基于神秘情境，教師提出以下問題。

圖1

圖2

圖3

圖4

問題1：如圖2 所示粉筆盒靜止在電子秤上面，粉筆盒受到哪幾個力？它們是什么關(guān)系？大小關(guān)系如何？

生：受到重力G和電子秤對粉筆盒的支持力N，它們是一對平衡力，大小相等。

問題2：如圖2 所示，電子秤顯示示數(shù)不為0，說明電子秤受到了什么力？這個力與電子秤對粉筆盒的支持力N又有說明關(guān)系？

生：電子秤顯示示數(shù)不為0，說明電子秤受到了粉筆盒對它產(chǎn)生了一個向下的壓力N′。

問題3：電子秤對粉筆盒的支持力N和粉筆盒對電子秤壓力N′，這兩個力當(dāng)中，哪一個是作用力？哪一個是反作用力？

問題4：為什么此時粉筆盒隔空放在電子秤上方，電子秤會顯示有示數(shù)？

這個實驗結(jié)果有悖于學(xué)生的生活經(jīng)驗，引發(fā)了他們的認(rèn)知沖突，激起了他們的探究欲望，進(jìn)而順利引入新課。

設(shè)計意圖：奧蘇貝爾說，“影響學(xué)習(xí)的唯一因素，就是學(xué)習(xí)者已經(jīng)知道了什么，探明這一點并應(yīng)據(jù)此進(jìn)行教學(xué)。”［2］學(xué)生之前已經(jīng)初步學(xué)過平衡力以及“物體間力的作用是相互的”的知識。研究表明，學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第三定律的難點常集中在混淆平衡力與相互作用力上。［3］因此，通過設(shè)計此實驗情境，將平衡力作為教學(xué)起點，利用新舊知識進(jìn)行對比引入，從而利用學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，順理成章地引出本節(jié)課的研究課題相互作用力，明確相互作用的兩個力都可以互稱為作用力與反作用力的概念。

三、利用實驗情境，促進(jìn)學(xué)生探究建構(gòu)

有研究者認(rèn)為：物理規(guī)律的探究需要創(chuàng)設(shè)問題情境［4］。物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，因此為進(jìn)一步探究相互作用力的特點，我們通過設(shè)置層進(jìn)式實驗情境與問題，分三個階段進(jìn)行科學(xué)探究，讓學(xué)生在情境中思考問題，在思考問題中掌握知識，體驗知識形成的過程。

（一）相互作用力的普遍性

學(xué)生分組動手實驗：利用老師提供的器材（兩個相同的氣球、一個磁球和一個鐵球、一遙控汽車和一平放在兩根圓木棍上面的木板）設(shè)計實驗證明力的作用是相互的？你還能舉例說明哪些物體間里的作用是相互的？

設(shè)計意圖：學(xué)生通過動手實驗，體驗感知，發(fā)現(xiàn)兩氣球間的彈力、汽車與木板的摩擦力、磁球與鐵球間的吸引力、鐵塊與水的浮力都是相互的。通過師生互動、生生互動說明物體間力的作用總是相互的。

（二）相互作用力的方向、作用點、性質(zhì)關(guān)系

在上面實驗基礎(chǔ)上完成表2 的內(nèi)容。

表2 相互作用力的方向、作用點、性質(zhì)關(guān)系

設(shè)計意圖：讓學(xué)生通過實驗得出：相互作用力作用在兩個彼此不同的物體、方向相反、性質(zhì)相同。至于相互作用力的方向是否在同一直線上，教師可以用如圖5 兩個磁針進(jìn)行演示，可以發(fā)現(xiàn)不管兩個磁針怎么轉(zhuǎn)動，總是呈現(xiàn)在同一直線。

圖5

（三）相互作用力的大小關(guān)系

組織學(xué)生討論猜想兩個相互作用力的大小關(guān)系，并設(shè)計實驗方案進(jìn)行定量探究。

方案一：利用如圖6 所示兩根相同的彈簧測力計進(jìn)行實驗探究，通過A 靜止，B 拉A；B 靜止，A 拉B；以及A、B 同時拉伸，穩(wěn)定后讀數(shù)進(jìn)行實驗。強調(diào)實驗前的注意事項：彈簧測力計使用前要校零、不能超過量程、讀數(shù)時要正視刻度并估讀。

圖6

方案二：利用如圖7 一彈簧測力計、電子秤、裝有適量水的燒杯及一物塊進(jìn)行實驗探究，測出如圖7 甲圖彈簧測力計示數(shù)F1和電子秤示數(shù)F2，如圖7 乙圖彈簧測力計示數(shù)F1和電子秤示數(shù)F2，判斷F1-F1是否等于F2-F2。

圖7

方案三：利用如圖8 力傳感器進(jìn)行實驗探究。

圖8

設(shè)計意圖：方案一、二都只能是物體處于靜止?fàn)顟B(tài)的粗略定量研究，方案三可以研究物體加速、減速且具備即時呈現(xiàn)兩個相互作用力的精確大小和方向的優(yōu)勢，從而可以讓學(xué)生直觀地得出兩個相互作用力在任意時刻均大小相等、方向相反。

根據(jù)上面一系列實驗探究，就可得出牛頓第三定律的內(nèi)容：兩個物體之間的作用力與反作用力大小相等、方向相反，作用在同一條直線上。［5］

引導(dǎo)學(xué)生通過設(shè)計方案、實驗探究、分析實驗結(jié)果、總結(jié)實驗結(jié)論等一系列活動，讓學(xué)生去親身體驗規(guī)律的產(chǎn)生過程，在探究規(guī)律的過程中，發(fā)展科學(xué)思維，實現(xiàn)知識的建構(gòu)。

四、利用實驗情境，促進(jìn)學(xué)生深度思維

《中國高考評價體系》說明提到高考評價體系中的“四層”考查內(nèi)容和“四翼”考查要求，是通過情境與情境活動兩類載體來實現(xiàn)的，即通過選取適宜的素材，再現(xiàn)學(xué)科理論產(chǎn)生的情景或是呈現(xiàn)現(xiàn)實中的問題情境，讓學(xué)生在真實的背景下發(fā)揮核心價值的引領(lǐng)作用，運用必備知識和關(guān)鍵能力去解決實際問題，全面綜合展現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)水平。［6］鑒于學(xué)生容易混淆平衡力與相互作用力兩者的關(guān)系，為了進(jìn)一步理解掌握牛頓第三運動定律，利用“情境+問題”的方式來促進(jìn)學(xué)生深度思維，突破教學(xué)難點。

教師引導(dǎo)學(xué)生就圖2 情境中的平衡力（粉筆盒重力G和電子秤對粉筆盒的支持力N）以及相互作用力（電子秤對粉筆盒的支持力N和粉筆盒對電子秤的壓力N′）之間的異同點進(jìn)行比較如表2。

表2 平衡力與相互作用力異同點

設(shè)計意圖：通過對平衡力與相互作用力兩者關(guān)系的分析比較，得出共同點是：等大、反向、共線。不同點是：平衡力作用在同一物體、可以合成抵消、不一定是同種性質(zhì)、不一定同時變化；相互作用力是作用在不同物體、不可以合成抵消、同種性質(zhì)、同時變化。

師：如圖9 所示，馬拉車加速前進(jìn)時，馬拉車的力與車?yán)R的力是否相同？

生：因為車在加速前進(jìn)，所以馬拉車的力大于車?yán)R的力。

師：馬拉車的力與車?yán)R的力是不是一對相互作用力？

生：是。

師：既然是一對相互作用力，根據(jù)前面所講的知識，它們大小不是應(yīng)該相等嗎？

生：我也覺得應(yīng)該相等，可是車在加速前進(jìn)？

這時教師不要急于給出解釋，而應(yīng)充分發(fā)揮以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)理念，充分組織全班同學(xué)進(jìn)行交流討論，進(jìn)行生生互動、師生互動來突破本節(jié)課的教學(xué)難點。

師：馬拉車的力作用在車上，車?yán)R的力作用在馬上，作用在不同物體上的力，剛才在表2 已得出是不能合成抵消的。實際上馬車是否加速應(yīng)該取決于馬車的受力情況，馬車水平方向受到哪些力？

生：受到馬拉車的力和地面對車的阻力。

師：只要馬拉車的力大于地面對車的阻力，馬車就可以加速前進(jìn)。如果如圖9 所示馬拉車勻速（減速）前進(jìn)時，馬拉車的力與車?yán)R的力是否相同？

圖9

生：相同，只要兩個力是相互作用力，大小總是相同。

設(shè)計意圖：多年教學(xué)經(jīng)驗及調(diào)查了解發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對“相互作用力作用在不同物體不能合成抵消”這一知識點不太能理解，在實際解題當(dāng)中，很容易混淆平衡力和相互作用力。通過馬拉車加速（勻速、減速）的例子的講解，可以促進(jìn)學(xué)生深度思維，進(jìn)一步區(qū)別平衡力和相互作用力，突破教學(xué)難點，有利于學(xué)生對牛頓第三引導(dǎo)定律的深度理解掌握。

師：為什么我們可以利用如圖1 所示把粉筆盒靜置在電子秤上，就可以稱出粉筆盒的重？

引導(dǎo)學(xué)生得出：由于粉筆盒受到重力G和支持力N，二力平衡，G=N，而電子秤對粉筆盒的支持力N與粉筆盒對電子秤的壓力N′是一對相互作用力，根據(jù)牛頓第三定律，N=N′，等量代換，N′=G，電子秤顯示的示數(shù)等于N′，所以就可以求出物體的重。

師：如圖4，為什么粉筆盒隔空放在電子秤上方，電子秤會顯示有示數(shù)？

（前后呼應(yīng)，“隔空稱重”魔術(shù)揭秘。教師透露分別在電子秤上面和粉筆盒下面暗藏著一個紐扣式強磁體如圖10 所示，利用它們同名磁極相互排斥，才使得電子秤顯示有示數(shù)）

圖10

師：你還能舉出生活中有哪些是利用牛頓第三定律的例子嗎？

（引導(dǎo)學(xué)生得出游泳、跳臺跳水、火箭升空等，讓學(xué)生體會物理來源于生產(chǎn)、生活，學(xué)好物理可以解決很多實際問題）

設(shè)計意圖：掌握規(guī)律的目的在于能夠?qū)W以致用，運用規(guī)律解決實際問題。運用規(guī)律的過程，是將抽象的物理規(guī)律具體化的過程，既可以鞏固、深化和活化對規(guī)律的理解掌握，又可以進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維、提高學(xué)生分析和解決問題的能力，促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

總之，教師在進(jìn)行物理規(guī)律的教學(xué)時，應(yīng)基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)確定教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施過程中重視情境的創(chuàng)設(shè)，采取通過“情境+問題”的方式，將知識點轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿餍缘膯栴}點、能力點，讓學(xué)生始終置于探索者的位置，親歷一系列探索過程，使學(xué)習(xí)過程成為“發(fā)現(xiàn)”或“再發(fā)現(xiàn)”的過程，去揭示并感受物理規(guī)律發(fā)生的原因、物理規(guī)律形成的經(jīng)過，進(jìn)而在探索規(guī)律的過程中發(fā)展物理學(xué)科素養(yǎng)。