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牛顿第三定律是牛顿运动定律的重要组成部分,学生在初中是从“物体关系”即施力物体与受力物体的角度来认识力的相互性的;在高中则要从“相互作用”即作用力与反作用力的关系再次学习其服从的规律.因为有了初中的基础,记忆甚至应用牛顿第三定律并不难,但笔者认为,学生对牛顿第三定律的接受过程,才是教学的重点,因为,仅凭对日常现象的归纳和对已有经验的总结,都只是对力的关系的“定性”判断,对于“定量”的牛顿第三定律的形成说服力不足.教学中,笔者通过设计一个精巧的小实验,帮助学生深入理解相互作用力关系,并学习与之相关的科学知识,取得很好的效果.
实验设计
(1)在弹簧秤下悬挂了一个重物,秤的读数为重物的重力,即弹簧受到的拉力等于重物的重力.再将盛水的烧杯放在台秤上称量计数.
(2)接着将弹簧秤悬挂着的重物全部浸入装了水的烧杯中,学生可以看到弹簧秤的读数明显“减小”,可知水对重物产生一个向上的浮力,浮力的大小可以通过两次弹簧秤的读数差值求出.
(3)教师提出问题:重物对水有作用力吗?怎么知道呢?有多大?等学生思考后,再将烧杯放置于台秤上,重复第2步骤.可以看出浸入物体前后,台秤的示数明显“增大”,如图1所示.
(4)实验分析,水对重物产生一个向上的作用力使弹簧秤的读数变小,同时重物也对水产生一个向下的作用力使台秤的读数变大,计算表明两个数的变化量相等.
实验评价
实验的教育意义奥苏伯尔提出的“先行组织者”理论指出,在学习新知识的过程中,应使学生从原有的知识结构里提取出最易于与新知识联系的旧知识,在头脑中“同化”、“重组”,帮助学生理理解接受新的知识,从而产生有意义的学习.重物受到水的浮力是每个学生都可以大胆给出结论,但重物是否给水“压力”,学生就不敢轻易下结论了.倘若是固体间的相互作用,学生依据经验仍可给出答案,面对固、液关系,学生陷入了沉思.不过,学生生活中经历过的游泳、划船等鲜活的经验,为该实验中“重物对水是否也有作用力”这个问题的思考搭建了桥梁,而本实验也立即解答了学生的疑难.用已知促进对未知的学习,并能立即给予验证,是一种高效的教学方法.
实验的借鉴意义信息技术与教育技术的发展对教育的促进作用有目共睹,DIS技术有着先天的优势但并非万能.笔者在两个不同班级分别通过应用DIS传感器和上述传统实验做过对比教学,前者在图形化显示“大小相等、方向相反”这一结论上具有优势,而后者让学生亲眼看到“重物对水有压力”这一现象所引发的震撼是可想而知的.从科学探究以及引发学生思考的角度来看,后者更符合教育的一般规律,毕竟实验的目的在于探究而非演示,这也是传统实验设计的价值所在.
实验的美学意义艺术家在创作艺术作品时常常使用一条重要的准则——对称,这也是自然界中普遍存在而又奇妙有趣的规则.对称蕴寄美感,呼应衍生瑰丽,不仅许多动植物有独特的对称形式,物理世界中也有许多典型的对称:作用力与反作用力、正电与负电、振动与波、吸引和排斥等,物理学家们已经把对称性作为科学研究的强有力工具,甚至把它作为一种标杆,一个不可或缺的准星.本实验也体现了这一主题,弹簧秤与台秤的示数始终保持一增一减,且增加量与减少量总相等,正是自然规律在具体实践中的显现,强调这一点,可以丰富实验的教育功能,引领学生对物理美、自然美的体验.
实验的哲学意义物质世界是普遍联系和对立统一的,作用力和反作用力这对矛盾彼此相关产生联系,核心在于互相作用在“对方”身上,而不仅是方向相反与大小相等,而这也常常引发学生对力与物质关系的深入思考并涉及到对物质本源的思考.相互作用力的对立性统一性则体现在它们虽然作用于两个物体上,却必然是同时产生、同时变化、同时消失,且性质相同,这一情景在实验中有十分具体的显现.
物理知识具有个体性和情境性的特点决定了物理知识应该来自于自我建构,借助身边简单的实验器材引导学生探究科学规律、激发探索热情并使学生做到学有所依,学有所思,学有所用,由衷的产生热爱物理的强烈感情并能体验到物理学的美感,也是教育的应用之义,从这个意义上来说,牛顿第三定律的上述实验设计虽然器材简单,操作简便,但所具有的教育意义、借鉴意义、美学和哲学意义却可谓设计精巧寓意良多.
实验设计
(1)在弹簧秤下悬挂了一个重物,秤的读数为重物的重力,即弹簧受到的拉力等于重物的重力.再将盛水的烧杯放在台秤上称量计数.
(2)接着将弹簧秤悬挂着的重物全部浸入装了水的烧杯中,学生可以看到弹簧秤的读数明显“减小”,可知水对重物产生一个向上的浮力,浮力的大小可以通过两次弹簧秤的读数差值求出.
(3)教师提出问题:重物对水有作用力吗?怎么知道呢?有多大?等学生思考后,再将烧杯放置于台秤上,重复第2步骤.可以看出浸入物体前后,台秤的示数明显“增大”,如图1所示.
(4)实验分析,水对重物产生一个向上的作用力使弹簧秤的读数变小,同时重物也对水产生一个向下的作用力使台秤的读数变大,计算表明两个数的变化量相等.
实验评价
实验的教育意义奥苏伯尔提出的“先行组织者”理论指出,在学习新知识的过程中,应使学生从原有的知识结构里提取出最易于与新知识联系的旧知识,在头脑中“同化”、“重组”,帮助学生理理解接受新的知识,从而产生有意义的学习.重物受到水的浮力是每个学生都可以大胆给出结论,但重物是否给水“压力”,学生就不敢轻易下结论了.倘若是固体间的相互作用,学生依据经验仍可给出答案,面对固、液关系,学生陷入了沉思.不过,学生生活中经历过的游泳、划船等鲜活的经验,为该实验中“重物对水是否也有作用力”这个问题的思考搭建了桥梁,而本实验也立即解答了学生的疑难.用已知促进对未知的学习,并能立即给予验证,是一种高效的教学方法.
实验的借鉴意义信息技术与教育技术的发展对教育的促进作用有目共睹,DIS技术有着先天的优势但并非万能.笔者在两个不同班级分别通过应用DIS传感器和上述传统实验做过对比教学,前者在图形化显示“大小相等、方向相反”这一结论上具有优势,而后者让学生亲眼看到“重物对水有压力”这一现象所引发的震撼是可想而知的.从科学探究以及引发学生思考的角度来看,后者更符合教育的一般规律,毕竟实验的目的在于探究而非演示,这也是传统实验设计的价值所在.
实验的美学意义艺术家在创作艺术作品时常常使用一条重要的准则——对称,这也是自然界中普遍存在而又奇妙有趣的规则.对称蕴寄美感,呼应衍生瑰丽,不仅许多动植物有独特的对称形式,物理世界中也有许多典型的对称:作用力与反作用力、正电与负电、振动与波、吸引和排斥等,物理学家们已经把对称性作为科学研究的强有力工具,甚至把它作为一种标杆,一个不可或缺的准星.本实验也体现了这一主题,弹簧秤与台秤的示数始终保持一增一减,且增加量与减少量总相等,正是自然规律在具体实践中的显现,强调这一点,可以丰富实验的教育功能,引领学生对物理美、自然美的体验.
实验的哲学意义物质世界是普遍联系和对立统一的,作用力和反作用力这对矛盾彼此相关产生联系,核心在于互相作用在“对方”身上,而不仅是方向相反与大小相等,而这也常常引发学生对力与物质关系的深入思考并涉及到对物质本源的思考.相互作用力的对立性统一性则体现在它们虽然作用于两个物体上,却必然是同时产生、同时变化、同时消失,且性质相同,这一情景在实验中有十分具体的显现.
物理知识具有个体性和情境性的特点决定了物理知识应该来自于自我建构,借助身边简单的实验器材引导学生探究科学规律、激发探索热情并使学生做到学有所依,学有所思,学有所用,由衷的产生热爱物理的强烈感情并能体验到物理学的美感,也是教育的应用之义,从这个意义上来说,牛顿第三定律的上述实验设计虽然器材简单,操作简便,但所具有的教育意义、借鉴意义、美学和哲学意义却可谓设计精巧寓意良多.