激活思维的学生学习活动设计
———以“作用与反作用 牛顿第三定律”为例

◇ 上海 王 健

物理学科核心素养的提出为现阶段的物理课堂教学带来了新的挑战,教学中应体现“学生为主体,教师为主导”的理念,通过教师的引导,打开学生的思维,通过问题探索、实验探究、团队合作等来解决问题,体会物理观念的形成过程,培养本学科特有的科学态度与责任.因此,学生的学习活动应围绕物理思维的激活而展开.有效的学习活动设计能够激活学生的思维,提升课堂效率.笔者以沪教版高一上册第三章“牛顿运动定律”中的“作用与反作用 牛顿第三定律”为例,针对本节课的重点、难点设计学生的学习活动,激活学生思维.

1 以学生学情为基础,从知识点的考量逐渐扩散到单元教学设计

要激活学生在课堂上的物理思维,首先要了解学生现有的学习情况,才能在教学内容和解决教学难点的设计中有的放矢.

1.1 牛顿第三定律的学情分析

学习牛顿第三定律前,学生通过初中物理学习已经初步建立了相互作用的观念.在高中阶段已具备运动学、静力学、牛顿第一定律和牛顿第二定律的基本知识,并初步掌握了使用DIS进行实验的方法.本节课强调学生在已有知识的基础上,通过自主活动、DIS实验方案设计及探究,对结果进行比较与归纳.学生体会到物体在静止时、运动时甚至做曲线运动时都满足规律,最后才能提炼出定律.在应用牛顿第三定律分析问题时,通过受力分析与比较,感受作用力与反作用力和平衡力之间的不同之处.现有的教学设计应以本课时的教学内容为出发点,并考虑它和本单元其他知识点之间的联系,打通知识脉络,促使学生形成清晰的物理知识构图,在应用物理规律时能联系已有的学习内容.因此,在教学活动设计中,我们可以从对本节课知识点的考量逐渐扩散到单元教学设计.

1.2 从知识点的考量逐渐扩散到单元教学设计

牛顿第三定律是牛顿运动定律的第三个内容,整个单元将力和运动联系起来.牛顿第一定律是力学的基石,正因为物体有保持运动状态不变的性质,才能谈得上什么情况会改变物体的运动状态.牛顿第二定律是核心,它定性且定量地揭示了力是改变运动状态的原因.而牛顿第三定律在前两个定律的基础上,将研究对象的个数从单个增加到两个或两个以上,通过对作用力与反作用力之间关系的归纳,完善了牛顿运动定律体系.它揭示了自然界中一切作用都是相互的这一特性.从知识体系上看,牛顿三大定律间存在递进关系.

2 以激发思维为主旨,通过流程图梳理和设计学生的学习活动

“作用与反作用 牛顿第三定律”这节课的设计内容包括三个方面:一是作用力与反作用力之间的关系以及牛顿第三定律;二是区分一对作用力和反作用力与一对平衡力;三是分析解决问题时不仅要考虑到作用力与反作用力,还要选择研究对象,根据力和运动的关系进行受力分析.因此,流程图的设计要以其为主线,通过各种学习活动的设计将这条线串起来.图1是这节课的流程图.

图1

对于其中的学生活动,我们可以在流程图后进行注释或者说明,图文对应,直观显示整个课堂教学中各个环节之间的关系,体现学习活动设计过程中的逻辑性和层次性.比如流程图中的活动1,通过学生活动感受相互作用力,我们可以这样注释.

活动1:提供器材,使小汽车自发运动

(提供气球、电风扇、胶带、小汽车等)学生通过交流合作,选择合适的器材使小汽车能自发地运动起来.

活动后,提出问题:

(1)你是如何使小车运动起来的?

(2)你觉得小车为什么会运动起来?

(3)小车为什么往这个方向运动?

通过引导与回顾,得出力的作用是相互的.

接着提问:我们生活中还有哪些现象用到了力的相互作用?

通过学生举例(手压弹簧、踢球、螺旋桨、直升机等),了解各种现象中力的相互作用,引导得出:力总是成对出现的,其中任意一个力叫作作用力,另一个就是反作用力.学生的学习活动有的是为了知识点的引入,有的是为了加深理解,还有的是为了引发认知冲突.只看流程图并不能了解学习活动的方式和内容,每个活动的注释可以对流程图有很好的补充.以流程图中的活动2为例.

活动2:请两位同学用手互拉,模拟拔河比赛.一位大个子,一位小个子.

提出问题:两位同学谁的力气大?(可能有的说是赢的同学力气大,有的说一样大.)

继续请两位同学再进行一次拔河比赛,这次让赢的同学站在滑板上,结果他输了.

提问:两位同学谁的力气大?

在对比中产生认知冲突,为了解决“两位同学互相拉的力,哪个力大?”这个问题,需要探究一对作用力和反作用力之间的关系.

通过活动1和活动2的比较,可以看出,要激发学生的物理思维,活动设计中不仅需要流程图,也需要必要的注释和说明.

3 学习活动设计层层递进,激活学生思维

要让学生的物理知识脉络清晰,首先教师的活动设计思路要清晰.将流程图中的学生学习活动有序开展,知识内容由浅入深、由定性到定量、层层递进.通过这样的学习活动,学生的思维可以慢慢地被激活,理解新知识点自然而又深刻.

本节课中,活动3是学生实验探究作用力与反作用力的关系,对两位同学拔河这个过程可以建立物理模型.在所给的弹簧测力计、细绳、力传感器、砝码、木块、轨道等器材中,选择自己需要的器材,设计实验,找出一对作用力与反作用力,并研究它们的大小关系.学生可通过弹簧测力计互拉得到一对力的大小、方向、作用点,也可以通过DIS系统互拉或互压力传感器得到一对作用力和反作用力的大小、方向的关系.实验中,对于研究对象静止和运动两种情况,分别观察力传感器与时间的图象.

图2

图3

通过几个小组代表发言,归纳实验结论:一对作用力与反作用力大小相等,方向相反,同时变化.

在活动3学生探究得到结论的基础上,教师可以用演示实验来证明作用力与反作用力的关系的普遍规律.在活动4中,教师可以依次演示曲线运动情况下和场之间相互作用情况下作用力与反作用力的关系.如通过演示磁场之间的相互作用,既证明牛顿第三定律的普适性,又能够区别作用力与反作用力和平衡力之间的区别.活动设计如下:

用电子台秤分别测量两块磁体的重力,先将一块磁体置于台秤上,然后在它正上方放置另一块磁体,使它受到斥力的效果处于悬浮状态,通过前后两次比较台秤示数,请学生对磁体进行受力分析,发现前后两次示数差为悬浮磁体的重力大小,也为磁体间的相互作用力大小,得到作用力与反作用力之间的关系.通过这个活动,不仅可以讨论它们之间的相互作用及个体的受力情况,还可以分析出一对作用力和反作用力与一对平衡力的相同点和不同点.

激活学生思维的活动设计不仅仅是获取新知,更重要的是体现物理知识在实际情境中的应用,这也是本节课学生活动的最后一层递进.首先可以就上课引入的“拔河”情境进一步互动:既然作用力与反作用力大小相等,那么拔河为什么还会有胜负之分,引发学生思考.接着通过观看火箭发射视频,分析为什么在没有空气的环境下也能加速,加速过程中还需要注意哪些环节?在解决这些问题的过程中感受牛顿三大定律之间的联系、受力分析的注意事项,为下节课做好铺垫.甚至还可以拓展,某个质点持续加速,当它的速度接近光速时,是否还能用牛顿运动定律来分析问题,引出牛顿运动定律应用的局限性,拓宽学生视野.

上述活动先通过学生得到物理规律,再由教师展示此物理规律的普遍性,得到结论,最后基于这个物理规律来解决生活中的一些问题,增强应用能力.这样的学习活动设计层层递进,更有利于激活学生的物理思维,从而提高学生的物理学科核心素养.