任虎虎

(江蘇省太倉高級(jí)中學(xué) 江蘇 蘇州 215411)

學(xué)習(xí)進(jìn)階是“對(duì)學(xué)生在一個(gè)時(shí)間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)和探究某一主題時(shí)，依次進(jìn)階、逐級(jí)深化的思維方式的描述”．學(xué)習(xí)進(jìn)階理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)是一個(gè)不斷積累、不斷發(fā)展的過程，學(xué)生對(duì)某一主題或核心概念的理解不是一蹴而就的，而是要經(jīng)歷許多個(gè)不同的中間狀態(tài)，逐層進(jìn)階，從“淺表”走向“深度”．

牛頓第三定律是力學(xué)三大基本定律，同時(shí)也是兩個(gè)普適規(guī)律之一——?jiǎng)恿渴睾愣傻幕A(chǔ)，促進(jìn)對(duì)牛頓第三定律深度學(xué)習(xí)能有效幫助學(xué)生建立相互作用觀念．筆者認(rèn)為對(duì)牛頓第三定律的實(shí)驗(yàn)過程可以分為4個(gè)層次，讓學(xué)生在探究中完成思維的深度進(jìn)階，發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)．

1 從定性到定量

在初中學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，高中需要進(jìn)一步研究作用力和反作用力間的關(guān)系．讓學(xué)生通過具身體驗(yàn)，定性感知作用力和反作用力的可能關(guān)系，然后再借助彈簧測力計(jì)進(jìn)行定量探究．

如圖1所示，引導(dǎo)學(xué)生用左右兩個(gè)食指對(duì)壓，學(xué)生在體驗(yàn)和觀察的基礎(chǔ)上很自然地發(fā)現(xiàn)兩根食指的形變幾乎相同，進(jìn)而生成有意義的猜想：作用力和反作用力的大小相等，方向相反，作用在同一條直線上．

學(xué)生的上述猜想是否正確呢？引導(dǎo)學(xué)生用所給的兩個(gè)彈簧測力計(jì)進(jìn)行研究.學(xué)生將兩個(gè)彈簧測力計(jì)進(jìn)行對(duì)拉，觀察讀數(shù)，驗(yàn)證猜想．然后讓兩個(gè)學(xué)生一起向某一方向快速移動(dòng)，再來讀數(shù)，此時(shí)學(xué)生發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，彈簧測力計(jì)讀數(shù)遇到困難．

圖1 食指對(duì)壓體驗(yàn)相互作用

2 從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)

對(duì)于上述問題，學(xué)生想到了一種解決方案，可以用相機(jī)的連拍功能，通過照片來觀察讀數(shù).教師表揚(yáng)學(xué)生的方法，嘗試操作一次，發(fā)現(xiàn)是可行的．然后介紹DIS平臺(tái)的力傳感器及其圖像在時(shí)間軸上下兩側(cè)的意義：反映力的方向．

將一個(gè)力傳感器固定在小車上，另一力傳感器握在手中在水平面上拉動(dòng)，讓整個(gè)裝置一起運(yùn)動(dòng)起來，如圖2所示,在電腦上得到的圖像如圖3所示.

圖2 用力傳感器研究相互作用力的裝置示意圖

圖3 作用力和反作用力的圖像

師：作用力和反作用力的圖像有什么特點(diǎn)？你能得出哪些結(jié)論？

生甲：圖像關(guān)于時(shí)間軸對(duì)稱，說明作用力和反作用大小相等，方向相反．

生乙：對(duì)稱還可以說明作用力和反作用力同時(shí)產(chǎn)生，同時(shí)變化，同時(shí)消失．

師：物塊的初速度為多少？末速度為多少？物塊的運(yùn)動(dòng)可以分為幾個(gè)過程？可以得出什么結(jié)論？

生丙：初速度和末速度都為零，物塊的運(yùn)動(dòng)可以分為兩個(gè)過程，加速過程和減速過程．說明在有加速度的運(yùn)動(dòng)過程中物體間的相互作用力仍大小相等，方向相反，同時(shí)產(chǎn)生，同時(shí)變化，同時(shí)消失．

3 從接觸力到非接觸力

從力的分類角度出發(fā)，力可以分為接觸力和非接觸力.上面研究的都是接觸的情況，接下來用兩個(gè)大小和磁性都不相同的磁鐵來研究非接觸力間的相互作用關(guān)系.可以先引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案．

在學(xué)生和教師的相互協(xié)商和共同努力下得出如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖．

圖4 非接觸力的相互作用實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

實(shí)驗(yàn)器材：DIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(數(shù)據(jù)采集器、力傳感器2個(gè)、計(jì)算機(jī))，兩個(gè)不同的磁鐵，鐵架臺(tái)2個(gè)，光滑桿，細(xì)線，小圓環(huán)2個(gè)，橡皮筋2個(gè)，銅絲．

裝置介紹：首先，將兩個(gè)相同的鐵架臺(tái)對(duì)稱放置，兩個(gè)力傳感器固定在鐵架臺(tái)下方，在兩鐵架臺(tái)的上端焊接兩個(gè)光滑的小圓環(huán)，將一根光滑的鐵桿穿過兩個(gè)小圓環(huán)，在光滑鐵桿中間套兩個(gè)活動(dòng)的小圓環(huán)，在鐵桿兩端各套兩個(gè)橡皮筋(防止鐵桿滑落)；其次，通過兩根細(xì)線將活動(dòng)的小圓環(huán)和兩個(gè)不同的磁鐵懸掛起來，通過調(diào)節(jié)讓兩個(gè)磁鐵保持水平并盡可能讓它們的軸線在同一直線上；最后，通過細(xì)線將兩磁鐵和力傳感器分別連接．為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，將力傳感器前段的鐵質(zhì)掛鉤擰下來，將細(xì)線和銅質(zhì)部分連接，為了后續(xù)實(shí)驗(yàn)，可以制作銅質(zhì)掛鉤讓一個(gè)磁鐵方便取下來，如圖5所示．

圖5 裝置的細(xì)節(jié)

該裝置在豎直方向上磁鐵重力和細(xì)線拉力平衡，兩力傳感器的示數(shù)反映兩磁鐵間的非接觸力大小，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以將兩個(gè)鐵架臺(tái)向外移動(dòng)，改變兩鐵架臺(tái)間的距離從而改變兩磁鐵間的距離，觀察運(yùn)動(dòng)過程中非接觸力間的相互大小關(guān)系．當(dāng)兩磁鐵的距離變大時(shí)細(xì)線不再豎直，如圖4中的虛線所示，此時(shí)光滑桿上的活動(dòng)小圓環(huán)就會(huì)自動(dòng)發(fā)生移動(dòng)，從而保證細(xì)線始終處于豎直狀態(tài)．自制的實(shí)驗(yàn)實(shí)物裝置如圖6所示．

圖6 非接觸力間的相互作用自制實(shí)驗(yàn)的裝置

4 從“主動(dòng)”施力到“被動(dòng)”受力

為了幫助學(xué)生進(jìn)一步理解磁鐵對(duì)鐵釘和鐵釘對(duì)磁鐵間的相互作用關(guān)系，將上述自制實(shí)驗(yàn)裝置中的活動(dòng)磁鐵換為鐵釘，原理如圖7所示．

圖7 磁鐵和鐵釘間的相互作用

此時(shí)調(diào)節(jié)兩細(xì)線使其保持豎直狀態(tài)，接下來改變兩鐵架臺(tái)間的距離，研究運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下“主動(dòng)”施力物體和“被動(dòng)”受力物體間的相互作用定量關(guān)系，實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，得到的實(shí)驗(yàn)圖像如圖9所示．

圖8 磁鐵和鐵釘間作用自制實(shí)驗(yàn)裝置

圖9 磁鐵和鐵釘間作用DIS實(shí)驗(yàn)圖像

實(shí)驗(yàn)得到的圖像仍然關(guān)于時(shí)間軸對(duì)稱，說明“主動(dòng)”施力物體和“被動(dòng)”受力物體間作用力和反作用大小相等，方向相反，同時(shí)產(chǎn)生，同時(shí)變化，同時(shí)消失．

經(jīng)歷上面層次化的實(shí)驗(yàn)探究過程，學(xué)生對(duì)牛頓第三定律的內(nèi)涵有了深刻的認(rèn)識(shí)，并為后面理解不同質(zhì)量物件間的萬有引力關(guān)系和不同電荷量帶電體間的庫侖力關(guān)系打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．

深度學(xué)習(xí)過程是思維品質(zhì)不斷進(jìn)階的過程，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)需要借助學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的指導(dǎo)．深度學(xué)習(xí)蘊(yùn)含在從身體體驗(yàn)、情感體驗(yàn)到思維體驗(yàn)并不斷深化的過程中；蘊(yùn)含在從單一知識(shí)點(diǎn)到多元整合解決問題的過程中；蘊(yùn)含在從外顯學(xué)習(xí)行為到反思內(nèi)化為觀念的過程中．