以牛頓第三定律為例探究高中物理課程培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的策略

摘 要：為了有效提升高中學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，本文通過以牛頓第三定律這節(jié)內(nèi)容為例，深入探究高中物理課程培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的策略，為優(yōu)化高中物理課堂教學(xué)過程提供可指導(dǎo)的策略.

關(guān)鍵詞：高中物理；核心素養(yǎng)；牛頓第三定律

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-0333（2022）30-0098-03

收稿日期：2022-07-25

作者簡介：葉新（1985-），男，江蘇省常熟人，本科，中學(xué)一級教師，從事中學(xué)物理教學(xué)研究.

牛頓第三定律作為高中物理核心教學(xué)內(nèi)容之一，不僅是促成學(xué)生相互作用觀形成的重要基礎(chǔ)，更與培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維及探究等能力的重要載體.可見，學(xué)習(xí)牛頓第三定律對學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有著不可或缺的積極作用.如今，隨著我國教育事業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的教學(xué)方法也被廣泛運(yùn)用到了各學(xué)科教學(xué)，經(jīng)大量的教學(xué)實(shí)踐表明，這些教學(xué)方法均有其獨(dú)到之處.對此，教師亦當(dāng)積極運(yùn)用這些教學(xué)方法，一方面響應(yīng)我國基礎(chǔ)教育改革的號召，另一方面則是要致力于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展，為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)及生活打下牢固基礎(chǔ).

1 巧設(shè)物理課堂教學(xué)問題，引導(dǎo)探究方向鑒于課堂教學(xué)時(shí)間并非無窮無盡，故教師若不注重教學(xué)中的指引而仍由學(xué)生信馬由韁式的進(jìn)行探索，勢必難以達(dá)成探究目的，且也無法培養(yǎng)學(xué)生的探究能力.對此，若教師能設(shè)計(jì)出兼顧開放性與指導(dǎo)性的問題，則勢必能讓學(xué)生的主體性及教師的指導(dǎo)性均得以充分、有效的發(fā)揮.更重要的是，高中物理各章節(jié)本就涉及眾多探究活動，而探索活動的開展效果又將決定課堂教學(xué)效益能否實(shí)現(xiàn).對此，若每一個(gè)探究環(huán)節(jié)均能基于若干問題的指引，以此使得探究任務(wù)及目的均能得以具體化，則能為學(xué)生明確探究過程需注意的事項(xiàng)，由此將避免陷入盲目性探究.

如針對“作用力與反作用力關(guān)系”的具體探究，教師便可提出如下三個(gè)問題來指引學(xué)生，如“你們在探究過程中開展過哪些實(shí)驗(yàn)？”、“在實(shí)驗(yàn)中觀察到了怎樣的現(xiàn)象？”、“實(shí)驗(yàn)解決了哪些問題？倘若器材充分，你們還想進(jìn)行哪些實(shí)驗(yàn)?zāi)?？”基于上述問題的提出，將為學(xué)生的探究過程指明方向，繼而在避免了探索的盲目性同時(shí)也確保了理想的教學(xué)成效.

如圖1所示，創(chuàng)設(shè)之情境為三夾板上鋪放幾根玻璃管以及一輛自重較大的玩具小車，將玩具小車啟動后，玩具小車會向前運(yùn)動.且將三角板向后運(yùn)動時(shí)，其移動的距離要大于玩具小車.

問題一：該過程包含了怎樣的物理現(xiàn)象，這些現(xiàn)象又分別是何原因所導(dǎo)致？

學(xué)生經(jīng)過討論認(rèn)為小車是受到了三夾板的向前摩擦力，故會出現(xiàn)向前運(yùn)動的現(xiàn)象；而當(dāng)三夾板向后運(yùn)動時(shí)，小車也會同時(shí)產(chǎn)生向后的摩擦力，故放置在三夾板之下的玻璃管，最主要的作用亦是為了增加小車與三夾板之間的摩擦力.

同樣針對上述實(shí)驗(yàn)過程，部分學(xué)生還可能會提出這樣的問題.如是何原因?qū)е滦≤嚨倪\(yùn)動速度不一樣？基于學(xué)生思路，教師亦可順勢提到“在小車與三夾板處于運(yùn)動狀態(tài)后，三夾板的運(yùn)動速度要明顯快于小車，而導(dǎo)致速度差異的原因是兩者收到的摩擦力不相等嗎？”

對于上述提到的現(xiàn)象，不少學(xué)生表現(xiàn)得較為吃驚.原因便在于此前接觸過牛頓第二定律的相關(guān)內(nèi)容，但在實(shí)踐中的運(yùn)用尚需經(jīng)歷較長的過程方能完全理解.故針對物體間力大小相等這一概念引起的質(zhì)疑亦將激起他們的探索興趣.至此，教師亦可順勢提出引導(dǎo)性的問題，如“物體在相互作用時(shí)，其力大小是否相等？”

反思：在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中，就科學(xué)探究的四個(gè)基本環(huán)節(jié)予以了明確，分別是問題、論證、解釋及交流.由此可見，探究的起點(diǎn)當(dāng)是提出問題，且相較于問題解答，能提出問題顯得更為重要.原因便在于，學(xué)生能提出問題，說明其在學(xué)習(xí)中發(fā)揮了自主權(quán)，且在求知欲的驅(qū)使下，學(xué)生也更能融入到科學(xué)探究中.當(dāng)然，該如何喚醒學(xué)生的問題意識，不僅需要教師就學(xué)生當(dāng)前的知識水平及能力來創(chuàng)設(shè)適宜的教學(xué)情景，同時(shí)亦需找準(zhǔn)學(xué)生興趣所在，避免打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性.

2 結(jié)合實(shí)際生活創(chuàng)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容物理本是一門源于生活的學(xué)科，諸多的物理知識也均是自生活實(shí)踐及應(yīng)用中提煉而來，故在生活的各個(gè)角落也均能窺見物理知識的身影.對此，針對學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，不僅要讓學(xué)生認(rèn)清物理科學(xué)的本質(zhì)，具體教學(xué)過程還需基于物理課堂與實(shí)驗(yàn)的介質(zhì)，將教學(xué)與學(xué)生的日常生活緊密聯(lián)系到一起，以此方有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與有效性，并為學(xué)生之后的學(xué)習(xí)及生活打下牢固基礎(chǔ).

如針對“牛頓第三定律”中“力的作用”教學(xué)，教師便可提出如下生活化實(shí)例，如人們常說的“以卵擊石”，意思便是利用雞蛋攻擊石頭，雞蛋破裂但石頭仍完好無損.深入探究此現(xiàn)象是否能將此過程理解為雞蛋與石頭的作用力對比，石頭的作用力大于雞蛋？

對高中物理學(xué)科教學(xué)而言，實(shí)驗(yàn)還是發(fā)展學(xué)生動手實(shí)踐、分析、觀察等一眾核心素養(yǎng)及能力的重要載體.因此，教師亦需注重實(shí)驗(yàn)與教學(xué)的有機(jī)結(jié)合.換言之，即教師需有意識地利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)來增進(jìn)學(xué)生對高中物理知識的理解與掌握，以此在端正學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度同時(shí)建立物理學(xué)習(xí)信心.如針對“運(yùn)動描述”的基礎(chǔ)知識教學(xué)，教師便可借由打點(diǎn)計(jì)數(shù)器工具來引導(dǎo)學(xué)生開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)過程不僅可檢驗(yàn)學(xué)生的知識掌握程度，且能深化學(xué)生對相關(guān)概念的認(rèn)知并加深他們的學(xué)習(xí)記憶，這對學(xué)生科學(xué)意識及思維的建立均有莫大助益.3 創(chuàng)新物理教學(xué)方法，鍛煉學(xué)生科學(xué)研究能力

物理學(xué)科本對實(shí)際操作尤為看重，而實(shí)驗(yàn)又是物理教學(xué)不可或缺的重要基礎(chǔ).對此，若教師可借助物理實(shí)驗(yàn)的開展來促使學(xué)生了解并掌握物理學(xué)科的知識及諸多概念，勢必能進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的物理探究能力并促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力的有效發(fā)展.至于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體過程，首先，教師需打破傳統(tǒng)僅有教師示范，而學(xué)生僅能被動觀察的局面，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主動權(quán)交于學(xué)生.而為讓學(xué)生少走彎路，教師可在學(xué)生實(shí)驗(yàn)前首先講述實(shí)驗(yàn)所包含的物理理論知識及實(shí)驗(yàn)過程應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的事項(xiàng)，而后提出與之相關(guān)的問題，一來為學(xué)生留下想象空間，二來則為學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)假設(shè)提供方向.基于教師的指引，學(xué)生將明確自身實(shí)驗(yàn)的方向；其次則是要引導(dǎo)學(xué)生對此前的猜想加以驗(yàn)證；最后再指導(dǎo)學(xué)生自主整理并歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論.通過學(xué)生自主的實(shí)驗(yàn)及反思，將能讓學(xué)生認(rèn)清自身的不足并促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力的提升.

4 師生合作探究，提高學(xué)科探究能力探究作為人類了解自然科學(xué)最主要的方法，亦是培養(yǎng)學(xué)生問題意識最有效的途徑.當(dāng)然，基于任何結(jié)論均需輔以有力的證據(jù)方能得到廣泛認(rèn)可，故在提出問題后，便需設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)來加以佐證.如針對牛頓對物體間相互作用的研究，其所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)便是圍繞了物體碰撞的問題.而笛卡爾作為較早研究碰撞問題的科學(xué)家，他的諸多做法及思想也深深影響了牛頓，也正是基于笛卡爾的研究，方為牛頓提供了諸多極具價(jià)值的研究思路.當(dāng)然，兩者研究亦有明顯的差異，牛頓的研究主要圍繞物體間的相互作用力，而非為動量及動量守恒.對此，教師在教學(xué)牛頓第三定律時(shí)，亦當(dāng)為學(xué)生介紹演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路.

演示實(shí)驗(yàn)1：如圖2所示，在氣墊軌道的前端放置兩個(gè)裝有彈簧碰撞圈的滑塊，后每隔一段距離放置兩個(gè)光電門，通過撥動滑塊，使其在軌道上相向運(yùn)動，以此發(fā)生碰撞.

問題1：兩滑塊在碰撞過程中受到的力分別來自于哪個(gè)方向？

教師引導(dǎo)：假設(shè)滑塊于氣墊上的運(yùn)動不存在摩擦力，則兩滑塊碰撞時(shí)受到的力則等同于起各自受到的合力，而根據(jù)牛頓第二定律F=ma，故若要求出兩滑塊在滑動過程中分別收到的撞擊力大小，僅需分別測出兩滑塊質(zhì)量m以及碰撞瞬間的加速度a即可.其中，針對加速度a的求解，根據(jù)運(yùn)動學(xué)設(shè)光條寬度為d，則可基于公式v=d/t得出碰撞后各自的速度.

實(shí)驗(yàn)原理，在借助加速度計(jì)算公式得出兩滑塊在滑動過程中各自的加速度后，再運(yùn)用公式F=ma便可計(jì)算出兩滑塊在碰撞后各自將受到的撞擊力大小，而后再比較撞擊力便能得出最終結(jié)論.

由于兩滑塊在相互碰撞后還將往反方向運(yùn)動，故此間有關(guān)加速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式也應(yīng)為a=（d/t₂+d/t₁）/T，后因兩滑塊遮光條寬度d、碰撞時(shí)間T以及質(zhì)量m相等，故次表達(dá)式最終可轉(zhuǎn)化為md/T[（t₁+t₂）/t₂t₁].

總之，力是物體之間的相互作用，我們把物體間相互作用的這一對力叫做作用力與反作用力，它們之間的關(guān)系遵循牛頓第三定律.牛頓第三定律在我們的日常生活和工程技術(shù)中的應(yīng)用非常廣泛.學(xué)完本節(jié)知識后，我們一定要理論聯(lián)系實(shí)際，讓物理走進(jìn)生活，會運(yùn)用我們學(xué)過的這些物理知識科學(xué)地解釋發(fā)生在我們身邊的這些物理現(xiàn)象.

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[責(zé)任編輯：李 璟]