基于物理實驗探究能力培養(yǎng)的教學設(shè)計

王永偉

摘 要：在新高考改革背景下，本文以“牛頓第三定律”教學設(shè)計為例，討論在物理教學中如何提升實驗探究能力和 科學思維能力，培養(yǎng)物理思維。

關(guān)鍵詞：教學設(shè)計；牛頓第三定律；物理實驗探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）12-0067-4

1 教學設(shè)計意圖

以實驗為基礎(chǔ)，通過分析、推理建立作用力與反作用力概念，進而根據(jù)實驗結(jié)論分析、比較相互作用力的特點，歸納得出牛頓第三定律。最后，通過牛頓第三定律的簡單應(yīng)用鞏固所學的知識，感悟物理學在社會發(fā)展中的重要作用。

2 教學流程

2.1 案例一 引入

2.1.1 課堂預(yù)設(shè)

觀看“天宮二號”升空的錄像片段，由它的升空原理引入新課，學生觀看視頻材料并進入積極主動的思考狀態(tài)。

設(shè)問1：每個課桌上都有一個竹蜻蜓，搓動竹蜻蜓豎桿并釋放，它就能升空。為什么呢？

活動I 設(shè)問1，（學生）實驗1（竹蜻蜓升空）

從學生親身感受作用力和反作用力現(xiàn)象開始，以此激發(fā)學生的學習興趣。通過尋找“反作用力”得到“作用力與反作用力總是成對出現(xiàn)”的結(jié)論，然后明確作用力與反作用力之間大小、方向以及作用點的關(guān)系，繼而通過自主活動學會分析作用力和反作用力。目的是讓學生在這個實驗過程中感受力的作用是相互的，進而理解作用力與反作用力的概念。

2.1.2 課堂實錄

（一）引入（觀看“天宮二號”升空的錄像）

師：視頻中天宮二號為何能升空？這就是我們今天的研究課題。課桌上的竹蜻蜓，為什么搓動其豎桿并釋放，它就可以在空中飛行？

生：我認為因為它受到了一個向上的力。

師：好。下面我們通過實驗來驗證一下這個同學的結(jié)論是否正確。請看學案第一題：竹蜻蜓為何可以在空中飛行？

（二）通過實驗建立概念

學生實驗1：搓動竹蜻蜓后，使其豎桿在兩手手心內(nèi)旋轉(zhuǎn)，手背感覺到有風。

師：請同學們感受手背是否有風掠過？

生：有！竹蜻蜓葉片轉(zhuǎn)動時對空氣有一個向下的作用力，同時空氣對竹蜻蜓葉片也有一個向上的作用力，使得竹蜻蜓能在空中飛行。

師：說明物體間力的作用是相互的。當一個物體對另一個物體施加力的作用時，這個物體同樣會受到另一個物體對它的力的作用，我們把這個過程中出現(xiàn)的兩個力分別叫做作用力和反作用力。

2.2 案例二 實驗探究

2.2.1 課堂預(yù)設(shè)

活動II 設(shè)問2，演示實驗2、3、4與6和學生實驗5

設(shè)問2：作用力與反作用力有什么特點？

（演示）實驗2：置若干玻璃棒于桌面上，然后把木板放在玻璃棒上，再把電動小車放在木板上，打開開關(guān)，玩具車向前運動的同時，木板向后運動。

（演示）實驗3：兩小車放在桌面上，再在兩小車上各放上一條條形磁鐵，當同名磁極相對時，兩小車遠離；當異名磁極相對時，兩小車相互靠近。

（演示）實驗4：將物體用彈簧秤吊著放入盛水的燒杯中，看彈簧秤示數(shù)變化；另觀察燒杯下臺秤示數(shù)變化。

（學生）實驗5：用彈簧秤實驗讓學生探究作用力與反作用力的大小所遵循的規(guī)律。

（演示）實驗6：用DIS力傳感器探究作用力與反作用力的大小所遵循的規(guī)律。

設(shè)置這四個實驗的目的是讓學生邊觀察實驗，邊分析總結(jié)作用力與反作用力的特點，從而得到牛頓第三定律。DIS實驗驗證牛頓第三定律，可以使同學們對作用力與反作用力的瞬時性與同步變化有直觀、深刻的印象。讓學生通過實驗探索，尋找規(guī)律；分析歸納，總結(jié)規(guī)律。通過對物體相互作用的實驗和親身感受過程，得出牛頓第三定律，并理解牛頓第三定律，理解作用力與反作用力之間的大小、方向的關(guān)系。

2.2.2 課堂實錄

師：作用力與反作用力有什么特點？請看學案第二題：指出下列情況中各力的反作用力，并指出各力分別作用在什么物體上。

①人跳高時，腳對地的蹬力。（為簡化研究問題，認為研究對象沒有穿鞋）

生甲：腳對地的作用力作用在地上，地對腳的力作用在腳上。

師：腳對地的力和地對腳的力，這兩個力的產(chǎn)生是同時的還是有先有后的，它們的性質(zhì)又是怎么樣的？先思考一下，我們再看第二小題。

②人走路時，腳對地的摩擦力。

生乙：人走路時，腳對地的摩擦力作用在地上，反作用力在腳上。我認為它們是同時產(chǎn)生的。性質(zhì)都是摩擦力。

師：第一小題中的兩個力的性質(zhì)是否相同？

生：我認為它們是同時產(chǎn)生的。性質(zhì)也相同，都是彈力。

師：剛才我們通過例題，認為作用力和反作用力是同時產(chǎn)生的，性質(zhì)也是相同的。下面我們再通過一些實驗來驗證一下我們所得出的結(jié)論是否正確。

2.2.3 通過實驗探究規(guī)律

實驗2 在桌面上并排放上幾列玻璃棒，在玻璃棒上鋪一塊紙板，板上放一輛電動小車。

師：小車向前運動時，會發(fā)生什么現(xiàn)象？說明了什么問題？

生：車在向前運動的同時，木板向后運動。車之所以向前運動是木板給它一個向前的力，同時車給板一個向后的力，這兩個力的性質(zhì)一樣，都是摩擦力。

師：除了這些力以外，其他力是否也滿足這些條件呢？下面我們再來看一個實驗。

實驗3：在桌面上放兩輛磁性小車，左右手分別拿著一輛小車。

師：將帶有磁鐵的小車放在光滑桌面上，靠近，會發(fā)生什么現(xiàn)象，如何解釋？

生：當磁鐵的同名磁極靠近時，放手后兩輛小車被推開；當異名磁極接近時，放手后兩輛小車被吸攏。作用力與反作用力性質(zhì)相同，是一對磁場力。endprint

師：液體是否也滿足這些條件呢？我們接著來看下一個實驗。

實驗4：將物體用彈簧秤吊著放入盛水的燒杯中，注意彈簧秤示數(shù)變化，并觀察燒杯下臺秤示數(shù)變化。

師：放入水中后，彈簧秤和臺秤示數(shù)變化了嗎？為什么會變化？

生：水對物體有一個向上的力，同時物體對水也有一個向下的力。

師：由此我們得出了作用力和反作用力的特點：兩物體之間的相互作用力同時產(chǎn)生，同時消亡，且兩作用力的性質(zhì)相同，作用方向相反，作用在兩個不同的物體上，作用在同一條直線上。但是，無法得到兩力的大小關(guān)系。接著我們還要研究作用力與反作用力的大小與方向的關(guān)系，請大家通過實驗來探究。

實驗5：學生實驗探究物體間的相互作用力（彈簧測力計）

師：請同學們先將兩個彈簧測力計調(diào)零，接著把兩個測力計的吊鉤勾在一起，模仿拔河比賽，并分兩種情況進行。兩個彈簧測力計勾在一起拉，處于靜止不動時；兩個彈簧測力計勾在一起拉，并向某一方向運動。

師：我們可以得到什么結(jié)論？

生：靜止時，兩個物體之間的相互作用力大小相等，方向相反，但是運動過程中示數(shù)不太穩(wěn)定。

師：彈簧測力計的示數(shù)在運動過程中不便于觀察，接下來我們用更精確的測量工具來探究作用力與反作用力的關(guān)系。

實驗6：用DIS力傳感器研究物體間的相互作用力。

師：我們看到兩個力的圖像是完全對稱的，由此可以得出什么結(jié)論？

生：兩個物體之間的相互作用力大小相等，方向相反。

這部分內(nèi)容的教學設(shè)計力求體現(xiàn)新高考改革的精神，注重提高學生的基本科學素養(yǎng)和探究能力。在教學過程中倡導學生學習的自主性、探究性、合作性，讓學生主動參與，體驗和感悟科學探究的過程和方法，激發(fā)他們持久的學習興趣和求知欲望，并在探究過程中培養(yǎng)自主學習的能力，逐步實現(xiàn)學習方式的轉(zhuǎn)變，使學生逐步養(yǎng)成敢于質(zhì)疑、善于交流、樂于合作、勇于實踐的科學態(tài)度。利用多媒體、演示實驗、舉實際例子、學生動手做、動筆練等多種教學手段，充分調(diào)動了學生學習的積極性。上課過程中注重知識的層次性和漸進性，抓住重點，突破難點。

2.4 案例三 辨析與應(yīng)用

2.4.1 課堂預(yù)設(shè)

活動III （學生）實驗7，設(shè)問3

（學生）實驗7：進行小型拔河比賽。請大個子同學和一位小個子同學手拉手進行拔河比賽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大個子同學勝了。

設(shè)問3：既然兩個力大小相等，那么拔河比賽時，為何還存在勝負之分？既然兩個力大小相等，方向相反，那么是不是加起來合力為零？

繼續(xù)試驗7：再請大個子同學站在滑板上和一個小個子同學重新進行手拉手拔河比賽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小個子同學輕松獲勝。

在該部分的教學中通過事實歸納得出結(jié)論，加深了對相互作用的認識，也有助于它們與平衡力加以區(qū)別。運用比較分類方法區(qū)分出一對作用力和反作用力與一對平衡力，讓學生更全面地了解兩者的性質(zhì)，并培養(yǎng)學生會用學過的規(guī)律解釋物理現(xiàn)象的能力。

活動IV （演示）實驗8，牛頓第三定律的應(yīng)用與總結(jié)

（演示）實驗8：（氣球飛天實驗）當氣球中的氣體從尾部急速向下噴出時，氣球向上沖去。

應(yīng)用所學知識解決一些簡單的實際問題，進行鞏固和遷移。通過實驗，演示牛頓第三定律在火箭中的重要應(yīng)用，由火箭聯(lián)想到在航空航天史上有杰出貢獻的愛國科學家錢學森，很自然地進行愛國主義教育。并由此將學生引向更深入的問題，讓學生應(yīng)用所學找出解決問題的突破點，培養(yǎng)學生的求實精神和分析問題的科學能力，并激發(fā)愛國情懷。

2.4.2 課堂實錄

師：我們研究了牛頓第三定律，下面我們請兩位同學上來再做一個實驗。

實驗7 拔河比賽：請大個子同學和一個小個子同學手拉手進行拔河比賽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大個子同學勝了。

師：對剛才的實驗，請同學們認真想一想，大個子同學和小個子同學之間的拉力哪個大？

生眾：一樣大。

師：對，我們剛才學了牛頓第三定律，作用力和反作用力總是大小相等。既然兩個力一樣大，為什么他贏了呢？

師：下面我給大家一些提示：剛才那個同學是站在地面上的，如果讓他站在滑板上，他是否還能贏？

再請大個子同學站在滑板上和一個小個子同學重新進行手拉手拔河比賽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小個子同學輕松獲勝。

師：為什么會這樣呢？

生：因為兩個同學受到的摩擦力不一樣。

師：我們研究一個物體的運動狀態(tài)變化時，要對這個物體進行受力分析。而作用力與反作用力是同時分別作用在兩個物體上的力，不能求合力。只有當一個物體受到大小相等，方向相反，作用在同一條直線上的兩個力時，它們的合力才為零。為此，我們特別要注意相互作用力與平衡力的關(guān)系。

師：牛頓第三定律中提到的是分別作用在兩個物體上的力，人走路時腳對地有作用力，地對腳有反作用力；船航行時槳對水有作用力，水對槳有反作用力。那么在前面的視頻中，天宮二號在太空中飛行時，只有一個物體，它是怎樣在真空中飛行的呢？

實驗8：（“氣球飛天”實驗）當氣球中的氣體從尾部急速向下噴出時，氣球向上沖去。

師：牛頓第三定律的應(yīng)用非常廣泛，人走路、汽車向前運動、噴氣式飛機的飛行無不與此規(guī)律有關(guān)。我國早在宋代就發(fā)明了“火箭”，在竹筒里裝入火藥，把竹筒的前端封閉住，并捆在箭桿上?；鹚廃c燃后，燃燒生成的氣體以很大的速度從竹筒內(nèi)向后噴出，該氣體同時對火箭產(chǎn)生反作用力，使箭體向前飛去。到了明代，我國還制成了原始的二級火箭。最近，我國用長征火箭將“天宮二號”送入太空，就是牛頓第三定律應(yīng)用的最好例證。

這部分內(nèi)容通過辨析作用力和反作用力與一對平衡力的關(guān)系，加深了同學們對于牛頓第三定律的理解。

3 基于物理實驗探究能力培養(yǎng)的教學設(shè)計

本節(jié)課中，以大量的實驗說明力的作用總是相互的，然后由學生通過兩個彈簧測力計自主探究了作用力與反作用力的關(guān)系。在突破運動過程中的作用力與反作用力也是等大、反向的這一教學難點時，教師采用了力的傳感器，通過計算機圖像直接顯示，效果非常直觀。最后，通過一道練習來比較一對作用力與反作用力與一對平衡力的異同點。

這節(jié)課的教學設(shè)計立足于新課程理念，提倡學習的自主性、探究性和合作性，讓學生主動參與，體驗和感悟科學探究的過程和方法，激發(fā)學生的學習興趣，并在探究過程中培養(yǎng)學生自主學習的能力，逐步實現(xiàn)學習方式的改變，使學生逐步養(yǎng)成敢于質(zhì)疑，善于交流，樂于合作，勇于實踐的科學態(tài)度。在課堂中注重了知識的層次性和漸進性，抓住重點，突破難點，利用多媒體手段，充分調(diào)動了學生的學習積極性。

本節(jié)課的不足之處在于由于學生還未深入學習牛頓第二定律及超失重現(xiàn)象，對于臺秤示數(shù)到底是什么力學生較難理解。

參考文獻：

[1]冷冰冰.高中物理課程標準的核心素養(yǎng)分析[J].教育導刊，2015（8）：49-52.

（欄目編輯 鄧 磊）endprint