素養(yǎng)情境化·情境問(wèn)題化·問(wèn)題探究化·探究思維化
——以牛頓第三運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)律，是觀察與實(shí)驗(yàn)、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(guò)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(wèn)題、探究規(guī)律、討論規(guī)律和運(yùn)用規(guī)律的過(guò)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(guò)程中花時(shí)間，往往在學(xué)生認(rèn)知不足的情況下，就把規(guī)律“搬出來(lái)”“灌”給學(xué)生，然后迫不及待地開(kāi)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(jī)械記憶了規(guī)律的內(nèi)容或公式，對(duì)規(guī)律的內(nèi)涵一知半解，學(xué)生的思維能力、分析解決問(wèn)題能力根本沒(méi)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(wèn)題或問(wèn)題串，圍繞問(wèn)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(shí)?，F(xiàn)以“牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律”教學(xué)為例，采取“素養(yǎng)情境化、情境問(wèn)題化、問(wèn)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(duì)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(lái)展開(kāi)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(shí)驗(yàn)情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

在新課引入環(huán)節(jié)，教師向?qū)W生展示魔術(shù)——“隔空稱(chēng)重”，如圖1 電子秤原來(lái)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(chēng)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(huì)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(gè)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(shí)電子秤顯示示數(shù)為8.8 克?；谏衩厍榫常處熖岢鲆韵聠?wèn)題。

圖1

圖2

圖3

圖4

問(wèn)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(gè)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(duì)粉筆盒的支持力N，它們是一對(duì)平衡力，大小相等。

問(wèn)題2：如圖2 所示，電子秤顯示示數(shù)不為0，說(shuō)明電子秤受到了什么力？這個(gè)力與電子秤對(duì)粉筆盒的支持力N又有說(shuō)明關(guān)系？

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

問(wèn)題3：電子秤對(duì)粉筆盒的支持力N和粉筆盒對(duì)電子秤壓力N′，這兩個(gè)力當(dāng)中，哪一個(gè)是作用力？哪一個(gè)是反作用力？

問(wèn)題4：為什么此時(shí)粉筆盒隔空放在電子秤上方，電子秤會(huì)顯示有示數(shù)？

這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有悖于學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，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(jì)意圖：奧蘇貝爾說(shuō)，“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(diǎn)并應(yīng)據(jù)此進(jìn)行教學(xué)?！保?］學(xué)生之前已經(jīng)初步學(xué)過(guò)平衡力以及“物體間力的作用是相互的”的知識(shí)。研究表明，學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第三定律的難點(diǎn)常集中在混淆平衡力與相互作用力上。［3］因此，通過(guò)設(shè)計(jì)此實(shí)驗(yàn)情境，將平衡力作為教學(xué)起點(diǎn)，利用新舊知識(shí)進(jìn)行對(duì)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(gè)力都可以互稱(chēng)為作用力與反作用力的概念。

三、利用實(shí)驗(yàn)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?jiǎng)?chuàng)設(shè)問(wèn)題情境［4］。物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，我們通過(guò)設(shè)置層進(jìn)式實(shí)驗(yàn)情境與問(wèn)題，分三個(gè)階段進(jìn)行科學(xué)探究，讓學(xué)生在情境中思考問(wèn)題，在思考問(wèn)題中掌握知識(shí)，體驗(yàn)知識(shí)形成的過(guò)程。

（一）相互作用力的普遍性

學(xué)生分組動(dòng)手實(shí)驗(yàn)：利用老師提供的器材（兩個(gè)相同的氣球、一個(gè)磁球和一個(gè)鐵球、一遙控汽車(chē)和一平放在兩根圓木棍上面的木板）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明力的作用是相互的？你還能舉例說(shuō)明哪些物體間里的作用是相互的？

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)感知，發(fā)現(xiàn)兩氣球間的彈力、汽車(chē)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(guò)師生互動(dòng)、生生互動(dòng)說(shuō)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(diǎn)、性質(zhì)關(guān)系

在上面實(shí)驗(yàn)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(diǎn)、性質(zhì)關(guān)系

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：相互作用力作用在兩個(gè)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(gè)磁針進(jìn)行演示，可以發(fā)現(xiàn)不管兩個(gè)磁針怎么轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)相互作用力的大小關(guān)系，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(cè)力計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，通過(guò)A 靜止，B 拉A；B 靜止，A 拉B；以及A、B 同時(shí)拉伸，穩(wěn)定后讀數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)前的注意事項(xiàng)：彈簧測(cè)力計(jì)使用前要校零、不能超過(guò)量程、讀數(shù)時(shí)要正視刻度并估讀。

圖6

方案二：利用如圖7 一彈簧測(cè)力計(jì)、電子秤、裝有適量水的燒杯及一物塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，測(cè)出如圖7 甲圖彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)F1和電子秤示數(shù)F2，如圖7 乙圖彈簧測(cè)力計(jì)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(shí)驗(yàn)探究。

圖8

設(shè)計(jì)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(shí)呈現(xiàn)兩個(gè)相互作用力的精確大小和方向的優(yōu)勢(shì)，從而可以讓學(xué)生直觀地得出兩個(gè)相互作用力在任意時(shí)刻均大小相等、方向相反。

根據(jù)上面一系列實(shí)驗(yàn)探究，就可得出牛頓第三定律的內(nèi)容：兩個(gè)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(guò)設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)探究、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論等一系列活動(dòng)，讓學(xué)生去親身體驗(yàn)規(guī)律的產(chǎn)生過(guò)程，在探究規(guī)律的過(guò)程中，發(fā)展科學(xué)思維，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的建構(gòu)。

四、利用實(shí)驗(yàn)情境，促進(jìn)學(xué)生深度思維

《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》說(shuō)明提到高考評(píng)價(jià)體系中的“四層”考查內(nèi)容和“四翼”考查要求，是通過(guò)情境與情境活動(dòng)兩類(lèi)載體來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即通過(guò)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(shí)中的問(wèn)題情境，讓學(xué)生在真實(shí)的背景下發(fā)揮核心價(jià)值的引領(lǐng)作用，運(yùn)用必備知識(shí)和關(guān)鍵能力去解決實(shí)際問(wèn)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(yùn)動(dòng)定律，利用“情境+問(wèn)題”的方式來(lái)促進(jìn)學(xué)生深度思維，突破教學(xué)難點(diǎn)。

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(duì)粉筆盒的支持力N）以及相互作用力（電子秤對(duì)粉筆盒的支持力N和粉筆盒對(duì)電子秤的壓力N′）之間的異同點(diǎn)進(jìn)行比較如表2。

表2 平衡力與相互作用力異同點(diǎn)

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)平衡力與相互作用力兩者關(guān)系的分析比較，得出共同點(diǎn)是：等大、反向、共線。不同點(diǎn)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(shí)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(shí)變化。

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

生：因?yàn)檐?chē)在加速前進(jìn)，所以馬拉車(chē)的力大于車(chē)?yán)R的力。

師：馬拉車(chē)的力與車(chē)?yán)R的力是不是一對(duì)相互作用力？

生：是。

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

生：我也覺(jué)得應(yīng)該相等，可是車(chē)在加速前進(jìn)？

這時(shí)教師不要急于給出解釋?zhuān)鴳?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(dòng)、師生互動(dòng)來(lái)突破本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)。

師：馬拉車(chē)的力作用在車(chē)上，車(chē)?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(shí)際上馬車(chē)是否加速應(yīng)該取決于馬車(chē)的受力情況，馬車(chē)水平方向受到哪些力？

生：受到馬拉車(chē)的力和地面對(duì)車(chē)的阻力。

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

圖9

生：相同，只要兩個(gè)力是相互作用力，大小總是相同。

設(shè)計(jì)意圖：多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及調(diào)查了解發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)“相互作用力作用在不同物體不能合成抵消”這一知識(shí)點(diǎn)不太能理解，在實(shí)際解題當(dāng)中，很容易混淆平衡力和相互作用力。通過(guò)馬拉車(chē)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(diǎn)，有利于學(xué)生對(duì)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(chēng)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(duì)粉筆盒的支持力N與粉筆盒對(duì)電子秤的壓力N′是一對(duì)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(huì)顯示有示數(shù)？

（前后呼應(yīng)，“隔空稱(chēng)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(gè)紐扣式強(qiáng)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(tái)跳水、火箭升空等，讓學(xué)生體會(huì)物理來(lái)源于生產(chǎn)、生活，學(xué)好物理可以解決很多實(shí)際問(wèn)題）

設(shè)計(jì)意圖：掌握規(guī)律的目的在于能夠?qū)W以致用，運(yùn)用規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題。運(yùn)用規(guī)律的過(guò)程，是將抽象的物理規(guī)律具體化的過(guò)程，既可以鞏固、深化和活化對(duì)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(wèn)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(shí)，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(jì)和教學(xué)實(shí)施過(guò)程中重視情境的創(chuàng)設(shè)，采取通過(guò)“情境+問(wèn)題”的方式，將知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿餍缘膯?wèn)題點(diǎn)、能力點(diǎn)，讓學(xué)生始終置于探索者的位置，親歷一系列探索過(guò)程，使學(xué)習(xí)過(guò)程成為“發(fā)現(xiàn)”或“再發(fā)現(xiàn)”的過(guò)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(guò)，進(jìn)而在探索規(guī)律的過(guò)程中發(fā)展物理學(xué)科素養(yǎng)。