物理核心素養視角下基于自制教具的教學設計
——以“牛頓第三定律”為例

熊雨薇

貴陽市第八中學，貴陽 550001

物理核心素養由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面的要素構成[1]。作為一節實驗定律課，“牛頓第三定律”能實現培養學生“科學探究”的核心素養目標，讓學生在學習中經歷實驗探究過程，即提出問題、猜想與假設、設計實驗方案、獲取實驗數據、得出結論、評估交流。在人教版普通高中教科書《物理》（2019版）（以下簡稱“新教材”）和普通高中課程標準實驗教科書《物理》（2010版）（以下簡稱“舊教材”）中，“牛頓第三定律”的位置變化顯著，分析該變化有助于教師理解新課程改革的思想。

1 人教版新、舊教材中本節的對比分析

1.1 打下必要的知識基礎

本節原來在舊教材第四章“牛頓運動定律”中，現提前放入新教材第三章。舊教材第三章前幾節是“重力”“彈力”“摩擦力”，之后便是“共點力的合成與分解”。但是，在對研究對象進行共點力的合成與分解之前應先對其進行受力分析，此時涉及到作用力與反作用力相關知識的使用。盡管學生在初中已學過牛頓第三定律，但是由于認識較為表層，對作用力與反作用力的關系存在很多錯誤認識，不利于受力分析技能的掌握，更會影響后面的學習。因此，以往的教學中，老師需要先簡要分析牛頓第三定律的內容再開始后面的教學，到了第四章又將本節內容再上一遍，導致本節在舊教材中的位置略為尷尬。

新教材調整后，本節在第三章起到承上啟下的作用，即承上是加深對重力、彈力、摩擦力的理解，啟下是為共點力平衡問題奠定基礎。此外，本節新增的“物體受力的初步分析”小板塊也為后面學習共點力的平衡設下伏筆[2]。

1.2 形成系統的相互作用觀

在舊教材中，將三大定律依次編入第四章，體現了牛頓運動定律的完整性，但是對于學生認知規律與技能形成的考慮略弱。在“物理觀念”核心素養中，要求學生應具備物質觀、運動與相互作用觀、能量轉化和守恒觀等。其中，“運動與相互作用觀”在必修第一冊中體現得淋漓盡致。恩格斯說“相互作用是我們從現今自然科學的觀點出發在整體上考查運動著的物質首先遇到的東西……相互作用是事物的真正終極原因”。

首先，有“力”，就有施力物體與受力物體，在第三章學習重力、彈力、摩擦力的過程中，重點研究各個力的性質，但也隱含了這些力都是產生于兩個物體之間的。因此，需要一個機會去揭示各種性質的力最重要的共性，即“相互作用”?！芭ｎD第三定律”揭示了物體機械運動的普遍規律，不僅指出了作用力與反作用力的存在，而且總結出作用力與反作用力的關系，即“兩個物體之間的作用力與反作用力總是大小相等、方向相反、作用在同一條直線上”[3]。至此，從各種性質的力中提煉出一條共性，也是最重要的物理觀念之一——相互作用觀。

緊接著，第四章開始在運動與相互作用兩者之間建立聯系，本章的大標題變為“運動和力的關系”，是第一、第二章與第三章的綜合與升華，體現了本書的大旋律，也是人類認識世界的開端——研究力與運動的關系。

2 學情分析

學生通過初中的學習對相互作用已有定性認識，知道物體間的相互作用力是成對出現的，但是無定量認識，造成對相互作用力大小關系的錯誤概念較多。在新課教學前要先暴露學生的錯誤認識，再通過一系列的實驗事實讓學生逐步認識作用力與反作用力之間的關系。

學生有一定的二力平衡的知識基礎，但是容易將平衡力和這個力的反作用力混淆，可通過設置問題進行討論，明晰“一對平衡力”和“一對作用力與反作用力”的區別與聯系。

3 學習目標

學習目標如表1所示。

表1 學習目標

4 教學重難點

4.1 教學重點

通過實驗，探究作用力與反作用力的大小、方向的關系；通過討論，區分一對平衡力與一對作用力與反作用力。

4.2 教學難點

通過實驗，探究作用力與反作用力的大小、方向的關系。

5 教學過程

5.1 實驗初探——激疑

（1）小游戲：感受力

兩位同學將兩條相同的紙帶套在一起對拉，感受游戲過程中的拉力（圖1）。

圖1 將兩紙帶對拉

（2）認識作用力與反作用力

①兩個物體間的作用總是相互的，我們把物體間相互作用的這一對力中的一個稱為作用力，另一個稱為反作用力。

②作用力與反作用力是同時產生、同時存在、同時消失的，它們互相以對方作為自己存在的前提。

（3）產生疑問

一紙帶斷裂，一紙帶未斷，誰受到的力大？

5.2 深入研究——釋疑

（1）學生實驗驗證，討論發言

用兩個彈簧測力計代替紙帶對拉，觀察彈簧測力計的示數（圖2）。

圖2 將兩個彈簧測力計對拉

（2）通過演示實驗進行探究

①介紹實驗裝置。

生活原型：貴陽100路公交車“黑金剛”（圖3）與鉸接點（圖4）

圖3 貴陽100路公交車“黑金剛”

圖4 鉸接點

自制教具——將兩個力傳感器分別固定在兩車上，通過一金屬桿連接兩個力傳感器，在車尾固定分體式位移傳感器接收端，再將分體式位移傳感器發射端固定于運動起點（圖5與圖6）。

圖5 小車與傳感器（側視圖）

圖6 小車與傳感器（俯視圖）

②分析實驗圖像（圖7與圖8）獲取信息，學生分析討論，發言。

圖7 x-t圖像

圖8 F-t圖像

信息1：分析x-t圖像，小車先加速，再勻速，再減速。

信息2：分析F-t圖像，兩個力大小相等，方向相反。

信息3：觀察實驗裝置，兩車廂之間的作用力與反作用力作用在同一條直線上。

學生總結：多種直線運動狀態下，兩車廂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。

5.3 拓展研究——總結與應用

（1）尋找生活中的作用力與反作用力，思考是否也存在同樣的規律。

（2）簡要介紹牛頓的研究：

第一，牛頓不僅指出了作用力與反作用力的存在，還指出這種相互作用總是作用在兩個不同的物體上；第二，只有通過實踐才能發現、檢驗并發展真理；第三，牛頓思想的敏銳和邏輯思維方法的正確。

（3）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、作用在一條直線上。

（4）學生討論、分析使火箭升空的力從哪里來。

5.4 物體受力的初步分析

學生對一靜止在粗糙斜面上的木塊進行受力分析（圖9）后，進行分享，教師點評、總結受力分析的步驟。

圖9 進行受力分析

（1）受力分析步驟

①明確研究對象；

②根據力產生的條件分析物體受到的力（一般按照重力、彈力、摩擦力、其他外力的順序進行分析）；

③畫出物體受到的力（注意線段長短）；

④檢查正確性。

（2）檢查正確性的三個方法

①根據重力、彈力、摩擦力、其他外力的順序檢查；

②找出每一個力的施力物體；

③判斷受力情況是否符合物體運動狀態。

5.5 區分平衡力、作用力與反作用力

以燈籠為研究對象，在兩幅圖中（圖10）分別找出一對平衡力、一對作用力與反作用力，并討論這兩對力的異同點。（目前暫不分析燈籠與地球之間的作用力與反作用力）

圖10 一對平衡力、一對作用力與反作用力

總結整理（表2）。

表2 兩對力的對比

6 教學反思

本節課以學生為主體，圍繞學生的學習活動與認知過程展開，實驗素材、案例貼近生活，能較好地引發學生的學習興趣，有助于形成將物理知識應用于生活的意識。

（1）F-t圖像的深入討論

在對F-t圖像討論中，有學生關注到圖線的位置，存在三種情況，即有時紅線在上，有時交替變化，有時藍線在上。在引導學生對比x-t圖像后，學生作出猜測，即紅線在上時為加速運動，交替變化時（理論上應為0，但受實驗條件限制，不為0）為勻速運動，藍線在上時為減速運動。至于其中原理，留作學生課后思考題，鼓勵學生根據牛頓第二定律的內容大膽論證。

（2）實驗誤差分析

對F-t圖像，通過肉眼判斷紅、藍圖線有對稱性，得出兩車廂對對方的拉力大小相等的結論。但在將兩圖像翻折后，發現并未完全重疊（圖11），除了有測量誤差以及小車的運動過程并非完美的勻變速直線運動外，還有更重要的原因是，連接兩力傳感器的桿并非“輕桿”，在變速運動中，桿所受合外力不為0。因此，兩力傳感器示數不相等。

圖11 兩圖線并未完全重疊

（3）不完全歸納法總結

查閱相關史料可知，牛頓曾做了很多實驗驗證牛頓第三定律。牛頓第三定律“兩物體間的作用力與反作用力總是大小相等、方向相反、作用在一條直線上”中所說的“總是”，即指任何情況、任何物體之間。但是，牛頓不可能一一將所有情況進行驗證。實際上，很多物理規律都是無法將所有情況進行驗證與分析的，因此大多都采用了不完全歸納法，即從一類對象中部分對象都具有的某種性質推出這類對象全體都具有這種性質的歸納推理方法，是從一個或幾個（但不是全部）特殊情況作出一般性結論的歸納推理。