基于“随手取材”物理实验的课堂教学设计
——评“力的作用是相互的”教学设计与实施

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210023)

1 教材分析

苏科版初中物理教材把“力的作用是相互的”放在第八章的第四节，而不是第一节，主要考虑了初中学生的认知特点，力求体现“学科、认知建构与心理发展的统一”的理念.力的概念看似简单，实际上是相当抽象的.学生在对力的认识上的非科学的前概念较为普遍，也很顽固.教材采取了从具体到抽象、分散难点的策略.第一节首先从经验出发，让学生初识力的概念，再讨论弹力(奠定了对力的大小和测量的认识基础)；第二、三节分别讨论重力(介绍了力的三要素和图示法)和摩擦力.这三节中的弹力、重力、摩擦力主要是从受力对象发生的效果来讨论的.第四节再讨论施力体与受力体间作用的关系问题.

学生根据生活经验，如施力者把受力者打倒，钉锤把钉子钉进板内等，潜意识地认为只有受力者才受力，而施力者是不会受力的，或者受到较小的力，有的力是相互的、有的力不是相互的.对于这种非科学的前概念，最好的策略是让其暴露出来，用实验来使学生产生认知冲突.另外，让学生经历建构的过程，会使他们发现问题，寻找足够的证据，有更深入的思考，从而提高创新意识、得到科学方法的训练.

这节教材的另一个重要特点就是相互作用原理在生活、生产、科研中有广泛的应用，是进行STS和创新教育的重要资源.

2 对申洁老师课堂教学的评价

申洁老师上的这节课，使学生感到愉悦、兴奋、惊讶，印象深刻.这节课的重要特点是“做中学”，13个小型实验贯穿其中，且多是随手取材的非常规实验(如表1).

随手取材的非常规物理实验有这样的特点：(1)材料易得，实施便利；(2)贴近生活，亲切感强；(3)程式多变，新奇有趣；(4)物具它用，体现自创；(5)结构简单，体验性强.

正因为随手取材的非常规实验资源具有以上的特点，所以，我们倡导利用这类资源进行教学，从一定意义上讲，这类资源具有不可替代的作用.由于“力的作用是相互的”这节课，内容不复杂，总体是定性的，不需要涉及全程性探究要素的探究活动，而在这种类型的课堂中，运用一些小型的随手取材的实验，有利于激发认知冲突，构建科学概念.实际效果证明，申洁老师的这种选择是正确的.从现实和学生的长远发展来看，让学生喜爱物理学，进而热爱科学，这是完全必要的.

表1

申洁老师在选择和设计这些实验时，经过了精心的思考，例如：

(1)根据不同的主题和教学目的，选择不同的实验和教学方式.如在第一主题中，要激发学生的认知冲突，转变错误的前概念，她选择了“手压笔尖”、“甲推乙”、“磁铁吸铁块”的实验.为了使学生认识力的作用是相互的是自然界普遍存在的规律，她选择的实验覆盖弹力、摩擦力、磁力、静电力等，从而使归纳法的应用更合理.在第二主题中，她把实验设计权交给学生，让学生自己选择器材，进行实验，并解释观察到的现象，概括力的相互作用的特点.在第三主题中，选择的实验围绕着力的作用相互性的实际应用，让学生感受“力的作用是相互的”在实际中的应用，参与动手制作过程，体会技术创新的魅力.

(2)精心设计演示实验，加强学生的观察和思考.如磁铁对铁块的作用，先按住磁铁不动，吸引铁块运动；再按住铁块不动，吸引磁铁运动；让磁铁和铁块同时释放，一起运动.她所做的“长气球的反冲”实验，效果非常好，为了让学生感受看不见的空气的运动，她用纸屑来显示.再如，让四位同学上台做推滑车的实验，其中两位同学做好保护工作.

(3)让学生动手、动脑和动口，这是“做中学”的关键.13个实验中有8个是让学生自主或参与的，让学生站在滑车上推前面的学生，让学生控制飞机模型等，学生的积极性很高.学生的活动还延伸到课外，她鼓励学生制作动力小车或动力小船，有利于发挥学生的个性特长.

这样的教学设计，对培养学生学习物理的兴趣、实践的意识和习惯，以及手脑并用解决问题的能力是有益的.此外，这节课在应用多媒体创设情景方面也是值得推崇的，如展示了拳击、足球赛、划船、游泳、火箭等的视频、图像.

申洁老师的这节课有不少值得学习的闪光点，但对这些随手取材的非常规实验的组织，整体和深层次的思考显得不足，我想提下面的建议，以起到锦上添花的作用.

3 教学设计建议

从表面上看，这节课的主题是很简单的：一个物体对另一个物体施加力的作用，另一个物体是否对这个物体有力的作用？只要列举许多实例，结论就可以得出.如果按这样的想法设计教学过程，学生实现的目标就只限于对知识的一般认识，较深层次的目标就难以达到.为了挖掘教学过程中深层次的教育功能，应当关注激发学生的兴趣和学习动机；让学生自然流露错误的前科学概念，不断激发认知冲突；积极参与实验设计、收集证据和反复论证的过程；主动地开拓知识应用的领域，领会其创造的思想.针对这节课的特点，老师选择了系列“随手取材”非常规物理实验，学生的参与度和积极性提高了，但选择哪些实验、如何组织学习过程，仍然需要精心地考虑和设计，并且根据学生在课堂中的行为反映，有效实施和调整教学方案.

(1)创设情景，让学生暴露原始想法

通常，老师们在引入课题时，也会关注“创设问题情境”，但指导思想上却是“明确学习目标”，而不是“激发认知冲突”.例如，申洁老师用生动的视频展示拳击运动员把对手击倒的情境，提出了小明的观点：“只有对手才受到力的作用”，引起学生短暂的疑惑，但很快就又展示了足球场上场景，提出了小华的观点.其结果是学生的观点都倒向了小华.似乎这节课的结论已经明确，余下的工作就是收集更多的证据，做一系列的随手取材实验来验证已经确认的观点.

激发学生的认知冲突，说起来容易，做起来难.特别是在中国，因为我们的传统教育比较注重知识，而缺少对知识的怀疑，鼓励“超前学习”，所以很容易一边倒.看似学生早已掌握知识，但实际上未经自主建构，知识的理解也只是字面上的.要真正激起认知冲突，关键要让学生的原始想法暴露出来.首先教师的意识中要更关注学生的错误认识，不要急于展示正确的观点(足球的视频场景和小华的观点)，在询问学生是否赞成小明观点时，要给那些持错误想法的学生以说话的机会，并鼓励他们.还可以请学生举出更多支持小明观点的实例，例如，用铁锤打钉子，钉子被打进木板中去了，当然是钉子受到了力的作用，我们并不知道锤子也受到力的作用.教师创设的教学氛围，不只是让学生说出一个简单的判断，还应当让他们说出原始想法，为什么你认为被打的物体没有对打击者施力？在这种充分暴露的基础上，再让不同意见者阐述自己的观点.教师同样不要肯定哪一观点是正确的，让学生带着问题进行探究.

(2)根据学生原始的想法，与学生一起选择和设计实验，逐渐深化探究过程，实现科学认知的建构.

认识“力的作用是相互的”的过程，是一个实验归纳的过程，但在教学中，教师不应当把它设计成一个由大量事实堆砌的简单归纳过程，应当考虑学生心理建构和科学方法应用的特点.

把学生原始的想法暴露出来，就可为进一步探究奠定基础.首先可以梳理一下几种不同的观点：①施力者必然是受力者；②施力者不会成为受力者；③有的情况下，施力者会受到对方力的作用；有的情况下，施力者不会成为受力者.④主动施力者不受到被动受力者的作用.

为什么我们会认为施力者不一定会成为受力者呢？因为我们没有感觉到施力者受力的效果.我们能否针对这个原因来选择和设计一些小实验，用证据来说明问题？

①当我们用手压气球时，明显地看到气球形变；当我们拉橡皮筋时，也明显地看到橡皮筋伸长了；当物体挂在弹簧测力计下，明显地看到弹簧伸长了.能否设计一组实验，把原本不明显的现象显示出来？

提供的器材有：气球，橡皮筋，弹簧测力计等.

在学生讨论设计后进行实验：用一个气球挤压另一个气球；用一根橡皮筋拉另一根橡皮筋；用一个弹簧测力计拉另一个弹簧测力计.

②我们上面收集了一些证据，支持施力者也是受力者的观点.但有没有一些反例说明这个观点不一定正确？例如，拳击手的例子，我们能否使证据更明显和更充分？

提供的器材有：旱冰鞋2双，气球等.

讨论后让学生实验：两个同学穿着旱冰鞋，一个同学从另一个同学背后推他，会发生什么现象？试一试，说明什么问题？(为什么不推墙壁？为什么不让学生面对面地推？)

有的学生提出模拟拳击，用气球打击另一学生，结果气球被打破了，说明拳击手也会受到对方的作用.

③力的作用是相互的，这是力学中普遍的规律，弹力、摩擦力、重力都遵循这个规律，静电力和磁力是否也遵循这个规律呢？

图1

观察实验：如图1，把一只球形灯泡放在玻璃杯口上，将一把塑料直尺放在玻璃泡的顶端，使其处于水平状态，用另一把经摩擦带静电的塑料直尺接近塑料直尺的一端，使它绕支点转动，说明带电的塑料直尺对架在支点上的塑料直尺有静电的吸引作用.

把带电的塑料直尺放在玻璃泡上，用不带电的塑料直尺接近带电塑料直尺的一端，猜一猜，带电的塑料直尺是否会转动？试一试，说明什么问题？

同学们熟知，磁铁能吸引铁，那么铁是否能吸引磁铁呢？能否用实验来说明磁铁与铁块间的作用也是相互的？……

大量的实验表明，一个物体对另一个物体有力的作用时，另一个物体也同时对这个物体有力的作用，即力的作用是相互的.不管是主动施力还是被动受力，施力者一定会受到受力者对它的作用.

(3)联系生活和科技的实例，让学生感受力的相互作用原理的应用，体验科学创造的魅力

生活中应用的实例是很多的，教师在这部分教学中，不应是简单罗列事实，应当从简单到复杂进行归类，并恰当地说明它的原理，从而使学生更好地了解所学的知识.这部分内容既是知识的拓展，又是对学习的评价.为了激发学生的兴趣，直观地了解应用的原理，配合做一些小实验或演示是很好的.可以这样引导：

①有一种儿童室外游戏的滑板车，人站在车上，用一只脚向后蹬地，小车就可以向前进了.使小车前进的力是怎样产生的？施力的物体是什么？(或者用运动员起跑器助跑的实例，可播放视频.)

②游泳和划船，前进的力是怎样产生的？施力的物体是什么？(可播放视频.)

③演示直升飞机模型，说一说，是什么力使它能悬在空中？这个力是怎样产生的？看一看，直升飞机的螺旋桨旋转工作时，空气是怎样流动的，是否支持你的解释？

上述实例中，车、船、飞机分别用力作用于地面、水和空气，根据相互作用的原理，地面、水和空气就会对车、船、飞机施加作用，从而使它们前进或悬于空中.

④当人类要实现飞天梦时，遇到了一大难题，周围没有陆地、水和空气，没有可借助的物体，怎么才能获得飞出去的力呢？

演示：长气球的反冲现象，观察与解释.

火箭：使人类探索太空的梦想得以实现.(可播放视频.)

小结：科学家通过探究发现物理的规律和原理，发明家利用物理原理进行技术设计，在生活、生产、科研领域应用，从而推动人类文明的发展和社会的进步.

也可以借助教材中的阅读材料“奇思妙想”，设置幻想的奇境，并穿插有趣的实验，与学生共同讨论，从而使学生获得创造的启示.

最后布置作业或综合实践活动：制作动力小车、动力小船等.

参考文献：

1.张伟，郭玉英，刘炳昇.非常规物理实验：有待深入开发的重要物理课程资源.物理教师，2005，(9).

2.刘炳昇，李容.义务教育教科书 物理八年级下册.南京：江苏科学技术出版社，2013.