“牛顿第三定律”中的教学问题研究

“牛顿第三定律”中的教学问题研究

邓钦文

贵州师范大学550025

摘要：本研究对初、高中课程标准及教材进行对比分析结合文献研究提出了有价值的中学物理教学问题，并提出了这些教学问题的合理解决方案。

关键词：教学问题；牛顿第三定律；中学物理

1.初、高中课程标准对比分析

由于初、高中学生的身心发展水平不同，故在“牛顿第三定律”这一节的内容要求上，初中和高中的课程标准分别提出了不同的要求。

初中课标并未对“牛顿第三定律”提出直接或明确的要求，教科书上也并没有安排与牛顿第三定律有关的具体内容。课标原文为“例3通过实验，认识力的作用是相互的”，除此之外，对作用力和反作用以及“牛顿第三定律”并没有要求。

高中阶段学生的身心发展水平趋于成熟，同时也积累了一些基本的物理概念和物理规律等知识，因此课标在该阶段的要求比初中阶段更高。课标对这个部分的内容要求为“理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。”

对比发现初中阶段并未提出作用力和反作用力以及牛顿第三定律的概念，在初中作用力和反作用力的关系属于超纲知识。但到了高中就要求学生要对牛顿第三定律达到“理解”即最高的学习层次要求，二者的要求是截然不同，完全是一个从无到有的过程，而不是一个“同化与顺应”的过程。

2.教材与教学要求层次分析

2.1初中教材分析

初中教材中虽然并未直接提到相互作用力以及牛顿第三定律，但在人教版八年级下册第七章第一节的“力的作用是相互的”小标题下有提到“可见，不但手对水桶施加了力，水桶也对手施加了力。”然后教材通过两个小实验，得出了这样的结论：“实验结果表明，一个物体对另一个物体施力时，另一个物体也同时对它施加力的作用。也就是说，物体间力的作用是相互的。”除此之外并无其他描述，教材中并未提及作用力与反作用力更没厘清二者之间的具体关系，即对学生教学层次要就仅仅停留在让学生知道“力的作用是相互的”即可并不需要学生掌握其他的知识。但后续内容确有直接用到作用力和反作用力大小相等方向相反的结论，如人教版第九章“压强”中就有大量使用作用力和反作用力大小相等方向相反且在同一条直线上的这一结论，具体例如第一节中的例题解答示例中“书对桌面的压力等于它所受的重力，即F=G”，这里题目中只告诉了书的重力，并未告诉书对桌面的压力，实际上运算过程应是：书受到的重力等于桌对书的支持力，书对桌的压力等于桌对书的支持力，从而得知书对桌的压力等于书的重力，但学生并不知道该结论，吊诡的是从初中“压强”到高中“摩擦力”等章节，教材都是直接运用“相互作用力大小相等”概念[1]。

2.2高中教材分析

人教版的“牛顿第三定律”被安排在必修一的第三章第三节中，单独用一节内容对其进行了详细的阐述。本节教学重点是一对相互作用力的特点，难点是一对相互作用力与一对平衡力的区别和联系[2]。现在着重关注实验部分，新教材中的实验上做出了较多的改变：基于实验的事实，教材还提出了类比猜想（摩擦力和非接触力是否有同样的关系）、实验验证（设计摩擦力和非接触力实验验证猜想）、总结归纳、演绎提升等环节，对实验内容更加重视，使实验内容更加丰富。新教材将“大量事实表明”改为了“牛顿经过研究指出”，我们知道实验是无穷尽，不能通过一个实验现象和结果就直接下定论，“大量事实”对学生来说是一种灌输，是让其进行强行接受、被动输入知识，而现在教材中的实验新增加了如此多的内容虽然不能穷尽实验，但是可以更加接近牛顿的研究过程，让学生更能体会物理学家的科研过程和精神，更能接受知识，而不是由教材和教师将知识“灌进”学生的脑袋里。由此可见“牛顿第三定律”对于学习中学物理来说十分重要。

下面对初中高中以及大学在教材的安排做一个更加清晰的对比，见表1。

表1“牛顿第三定律”在三个阶段教材中的对比

3.提出教学问题

初中与牛顿第三定律相关的知识很少虽明确了“力的作用是相互的”与“一个物体对另一个物体施力时，另一个物体也同时对它施加力的作用”，但没有与牛顿第三定律甚至是作用力与反作用力的概念等相关内容，学生无法运用“等大、反向、共线”的结论进行解题，但上文提到在后续章节中（“压强”章节）计算压力时其实是运用了该结论，则在初中到底需不需要对该知识进行系统的教学？如果对该部分内容进行讲解不全面会不会导致学生产生错误前概念从而加重高中学习负担？如果不讲解又如何让学生在后续章节运用该知识？

高中牛顿第三定律主要是通过观察实验现象，对实验现象进行分析总结得出结论最后结合牛顿的研究成果给出牛顿第三定律，已有较多学者也对本节的实验进行了研究，实验旨在初步培养学生的分析和解决力学的基本思路和基本能力

[3]。但对于“摩擦力、不相互接触的力、不同物态下的相互作用力、不同性质的力是否都有反作用力以及作用力与反作用的性质是否一定相同”等这些问题的探究是否一定有必要都进行实验来探究？高中阶段是否需要对该定律像大学那样但以更为简单的方式进行理论上的佐证？

4.解决教学问题

由于在后续“压强”等章节中由于要求物理对另一个物体的压力而题目只告诉重力，这要求必须要用到“等大、反向”这个结论，笔者认为教师可以只对“等大、反向”的结论进行讲解。教师讲解到“压强”的时候可用弹簧测力计做一个简单的实验：教师用两个弹簧测力计连接在一起然后拉动弹簧测力计至有一定示数后保持静止让学生观察实验现象，让其知道一个物体对另一个物体施加力的作用另一个物体也必然会对这个物体施加力的作用且这两个力的大小是等大的。这样通过一个小实验既让学生知道了这个简单的结论以至于可以用于后面的计算之后，又为高中的牛顿第三定律探究实验奠定了基础，同时仅此一个小实验得出一个简单的结论也并没超出学生的认知范围不会加重学生的学习负担，更不会造成错误的前概念，这巧妙地避免了生搬硬套地让学生直接用重力等于压力而学生却不知道为什么这两个力相等的弊端。

高中可以利用现代化的实验给学生更清晰的认识，教材中既有传统物理实验，也有数字化物理实验，二者各有优势应相互补充而并非相互排斥[4]，对于从理论上对定律进行证明、验证需要用到微积分和动量等知识，对高一学生来说是一个比较难理解的知识，在高中阶段对牛顿第三定律的理论证明可以不作要求，仅从实验现象与牛顿第三定律契合即可，不必加深难度让学生在理论证明上进行理解。

参考文献：

[1]李坤,詹伟琴.基于突出科学本质的教学设计研究——以“牛顿第三定律”为例[J].物理教师,2023,44(01):8-11.

[2]耿宜宏,王志刚.基于问题探究式教学在高中物理课堂的实践与思考——以“牛顿第三定律”一课的教学为例[J].物理教师,2015,36(11):27-30.

[3]丁洪良.基于情境体验建构培养运动和相互作用观念——以“牛顿第三定律”深度备课为例[J].物理教学,2021,43(01):41-43.

[4]曾双维,石红,王晓迪,苟小毅.依据教材编排安排教学实验——以“牛顿第三定律”为例[J].中学物理教学参考,2022,51(05):1-3.