基于科學(xué)方法教育的物理教學(xué)設(shè)計——以“牛頓第一定律”為例

王 賽

(曲阜師范大學(xué)附屬中小學(xué)　山東 濟(jì)寧　273165)

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基于科學(xué)方法教育的物理教學(xué)設(shè)計
——以“牛頓第一定律”為例

王 賽

(曲阜師范大學(xué)附屬中小學(xué)山東 濟(jì)寧273165)

摘 要：本文以“牛頓第一定律”教學(xué)設(shè)計為例，合理利用“問題串”教學(xué)，設(shè)計了基于科學(xué)方法教育的教學(xué)目標(biāo)、活動評價、教與學(xué)的活動．在教學(xué)過程中有效滲透了科學(xué)方法教育，以此引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，取得一定成效．

關(guān)鍵詞：科學(xué)方法教育課程標(biāo)準(zhǔn)牛頓第一定律教學(xué)設(shè)計

1教學(xué)任務(wù)分析

1.1牛頓第一定律在物理學(xué)中的地位

牛頓第一定律是在實驗基礎(chǔ)上總結(jié)出來的．它揭示了力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因，破除了近兩千年來亞里士多德關(guān)于力的作用在于維持物體運(yùn)動的錯誤觀點(diǎn)，改變了人類的自然觀和世界觀，為進(jìn)一步探究力和運(yùn)動之間的定量關(guān)系指明了方向，導(dǎo)致了牛頓第二定律的得出，并使牛頓以新的視角看待引力，進(jìn)而令人信服地表明，天上和地上服從同樣的力學(xué)規(guī)律．與此同時，牛頓第一定律本身還包含著力、慣性和參考系這些概念，因此，牛頓第一定律被稱為牛頓物理學(xué)的基石，也被稱為力學(xué)的第一原理．

1.2高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求

課程標(biāo)準(zhǔn)[1]中要求“理解牛頓運(yùn)動定律，用牛頓運(yùn)動定律解釋生活中的有關(guān)問題”．在本內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)條目中要求學(xué)生理解牛頓運(yùn)動定律，包含了對牛頓第一、二、三定律的理解，而牛頓第一定律是基礎(chǔ)．與《全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗)》(2.2.5 通過實驗，認(rèn)識牛頓第一定律，能用物體的慣性解釋生活和自然中的有關(guān)現(xiàn)象)中的要求比較可知，高中的要求顯然提高了．

1.3教材體系與內(nèi)容安排

從人民教育出版社的教材[2]看：牛頓第一定律的前面安排的“運(yùn)動的描述”、“勻變速直線運(yùn)動的研究”、“相互作用” 3章內(nèi)容，為本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)；本節(jié)內(nèi)容后面緊跟著安排了“實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”，有利于學(xué)生加深對牛頓第一定律是物理學(xué)理論的基石的理解．因此，牛頓第一定律是力學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容.

2學(xué)生情況分析

在初中階段的學(xué)習(xí)中，學(xué)生雖然除了“慣性與質(zhì)量”這一問題沒有專門學(xué)習(xí)外，關(guān)于本節(jié)其他的知識都有了大致的了解．但是他們只知道亞里士多德的觀點(diǎn)是錯的；只知道伽利略做了個理想實驗就得出了牛頓第一定律；練得最多的是通過慣性程式化地解答相關(guān)的實際問題．同時，經(jīng)過初中階段的學(xué)習(xí)與日常生活經(jīng)驗的積累，學(xué)生頭腦中，也形成了一些錯誤的前概念，例如，“物體受到了慣性作用”、“產(chǎn)生了慣性”、“受到慣性力”．高中階段的學(xué)習(xí)，首先應(yīng)該在已有認(rèn)識的基礎(chǔ)上，糾正一些片面、不恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)識，進(jìn)一步深化和提高對相關(guān)問題的認(rèn)識[3]．

因此，正確形成慣性概念是教學(xué)的難點(diǎn)．

3教學(xué)目標(biāo)

(1)了解牛頓第一定律建立的歷史過程．

(2)知道伽利略關(guān)于力與運(yùn)動的關(guān)系的觀點(diǎn)．

(3)理解牛頓第一定律(慣性定律)與慣性．

(4)能舉例說明質(zhì)量是物體慣性大小的量度．

(5)經(jīng)歷研究力與運(yùn)動關(guān)系的過程，學(xué)習(xí)理想實驗法、控制變量法、觀察實驗與思維相結(jié)合的方法，提升猜想與假設(shè)、分析論證等能力．

(6)在學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)牛頓第一定律的歷史過程中，學(xué)習(xí)伽利略、牛頓等科學(xué)家的創(chuàng)造性思維品質(zhì)和不畏權(quán)威、敢于質(zhì)疑、堅持真理的科學(xué)精神．

4教學(xué)器材

多媒體課件、木塊、小車、斜面、木板、毛巾、棉布、氣墊導(dǎo)軌、光電門、彈簧、鉤碼、慣性演示儀(演示氣體、液體、固體具有慣性)等．

5評價活動設(shè)計[4]

依據(jù)評價活動設(shè)計先于教學(xué)活動設(shè)計的教學(xué)理念，設(shè)計了如下評價活動．

(1)通過問題1至3，任務(wù)1與任務(wù)2檢測教學(xué)目標(biāo)1的達(dá)成．

(2)通過任務(wù)1與任務(wù)2，問題3檢測教學(xué)目標(biāo)2的達(dá)成．

(3)通過“三、建立牛頓第一定律并討論”，問題4至7，作業(yè)1檢測教學(xué)目標(biāo)3的達(dá)成．

(4)通過問題5和7檢測教學(xué)目標(biāo)4的達(dá)成．

(5)通過問題1至5，任務(wù)1與任務(wù)2檢測教學(xué)目標(biāo)5的達(dá)成．

(6)通過問題1至3，任務(wù)1與任務(wù)2，作業(yè)2檢測教學(xué)目標(biāo)6的達(dá)成．

6教與學(xué)的活動設(shè)計

6.1利用生活與實驗現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入新課

列舉生活中常見的實例：用力推箱子，箱子運(yùn)動，停止用力，箱子不再運(yùn)動；錘子砸釘子，用力砸，釘子下陷，不再用力，釘子停止下陷[5]．

然后讓學(xué)生針對這些生活現(xiàn)象分組討論，并利用小木塊、小車等器材做演示實驗，就“力與運(yùn)動的關(guān)系”發(fā)表自己的見解，提出猜想．

問題1：在講臺上放一個小木塊，使它處于靜止?fàn)顟B(tài)．施加適當(dāng)推力使小木塊從靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)動，停止施力，小木塊從運(yùn)動狀態(tài)停下來．在小木塊整個運(yùn)動過程中，觀察推力起到了什么作用？

通過對實驗的觀察發(fā)現(xiàn)：給小木塊施加適當(dāng)推力能夠使其運(yùn)動起來，停止施力小木塊又處于靜止?fàn)顟B(tài)，你能夠猜想：力與運(yùn)動的關(guān)系是什么？小木塊的運(yùn)動遵循什么規(guī)律？

學(xué)生可能回答：要用力去推小木塊，就能使其運(yùn)動起來．所以物體運(yùn)動時需要力來維持，有力作用在物體上，物體就會運(yùn)動，沒有力作用時，物體就停止運(yùn)動．

教師總結(jié)：同學(xué)們的觀點(diǎn)與兩千多年前亞里士多德的觀點(diǎn)是一致的，并且這個觀點(diǎn)在科學(xué)界持續(xù)了2 000多年．

直到16世紀(jì)，意大利數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家伽利略(GalileoGalilei，1564～1642)，根據(jù)觀察到的其他現(xiàn)象，不畏權(quán)威，大膽質(zhì)疑，并進(jìn)行了認(rèn)真的研究．

問題2：將小木塊換成小車，對小車施加推力后馬上撤去推力，小車沒有立即停止，但是小車最終還是停了下來，在小車整個運(yùn)動過程中，觀察推力起到了什么作用？與問題1中的現(xiàn)象有什么不同？

通過對實驗的觀察發(fā)現(xiàn)在撤去推力后小車仍然可以繼續(xù)運(yùn)動一段時間，但是最終又停了下來．你能夠猜想：力與運(yùn)動是什么關(guān)系？小車的運(yùn)動遵循什么規(guī)律？

學(xué)生可能回答：物體的運(yùn)動并不需要力來維持，小車最終停下來是因為在運(yùn)動過程中受到摩擦力的緣故．教師進(jìn)行總結(jié)并對學(xué)生的回答予以肯定．引導(dǎo)學(xué)生猜想：物體在運(yùn)動過程中到底需不需要力來維持呢，可能遵循什么規(guī)律呢？

以觀察到的現(xiàn)象為基礎(chǔ)提出猜想：物體在運(yùn)動過程中，可能不需要力來維持．如果物體不受力的話，可能一直做勻速直線運(yùn)動．

設(shè)計意圖：通過聯(lián)系生活現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)情境，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，讓學(xué)生提出猜想，為實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)1與5做鋪墊．

6.2運(yùn)用理想實驗探索規(guī)律

提出問題：如何證明我們的猜想是否正確？

任務(wù)1：引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用控制變量法設(shè)計出探究方案．在小組討論交流的基礎(chǔ)上，完善實驗方案．

圖1　實驗器材

實驗探究方案：讓一輛小車從同一斜面的同一高度處由靜止下滑，分別在毛巾、棉布、木板表面上運(yùn)動，觀察小車的運(yùn)動情況，所用器材如圖1所示．將實驗現(xiàn)象填在表1內(nèi)．

表1　實驗記錄表格

通過實驗結(jié)果的分析，得出初步的實驗結(jié)論：小車在水平面上運(yùn)動，受到的摩擦力越小，運(yùn)動的距離就越長．

試分析：如果小車受到的摩擦力減小為零，它將怎樣運(yùn)動呢?

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行想象，并分組討論，教師指導(dǎo)，補(bǔ)充完善．

結(jié)論：小車受到的摩擦力減小為零時，小車將一直運(yùn)動下去，不會停下來，即力不是維持物體運(yùn)動的原因．

教師講授：當(dāng)年伽利略就是利用類似的方法對力與運(yùn)動的關(guān)系進(jìn)行了探索，得出了力與運(yùn)動的關(guān)系．

任務(wù)2：講授理想實驗，重現(xiàn)伽利略的科學(xué)思維過程

伽利略也認(rèn)為運(yùn)動的小車會在光滑水平面上一直運(yùn)動下去，但實際生活中既沒有完全光滑的水平面，也不可能將水平面做的無限長，于是，伽利略便通過理想實驗證實了他的觀點(diǎn)．

課件展示:

圖2　伽利略理想實驗

如圖2所示，伽利略將兩個斜面對接起來，使小球從一個斜面上由靜止釋放，先用事實實驗驗證了小球必將滾上另一側(cè)斜面，且軌道越光滑，小球就會越接近釋放高度．接著，伽利略假想軌道完全光滑，則小球一定會上升到另一側(cè)等高處．若減小另一側(cè)斜面的傾角，小球仍然要上升到同樣高度，所以會滾動得更遠(yuǎn)．將另一側(cè)斜面傾角減小到零，即軌道水平時，小球還企圖上升到相同的高度，它就一直運(yùn)動下去．

講授：在這個研究過程中，伽利略創(chuàng)造性地提出和應(yīng)用了理想實驗這種理想化方法．伽利略理想斜面實驗是不能在現(xiàn)實中實現(xiàn)的實驗，但是它反映了一種物理思想，并不是憑空臆想，而是建立在可靠的事實基礎(chǔ)之上的，以事實為依據(jù)，以科學(xué)抽象為方法，抓住主要因素，忽略次要因素，從而深刻地揭示了自然規(guī)律，這就是理想實驗的魅力．

結(jié)論：物體的運(yùn)動不需要力來維持．

問題3：演示氣墊導(dǎo)軌上的滑塊運(yùn)動

因為絕對沒有摩擦的情況不存在，因此，伽利略以客觀實驗為基礎(chǔ)提出與應(yīng)用的理想實驗無法實現(xiàn)．

現(xiàn)代技術(shù)為我們提供了阻力很小的設(shè)備(簡要介紹氣墊導(dǎo)軌的原理)．

如圖3所示，使滑塊懸浮在水平的氣墊導(dǎo)軌上面，滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦變得很小，然后推一下滑塊，讓學(xué)生觀察滑塊的運(yùn)動是否是勻速直線運(yùn)動．

試分析：如何驗證滑塊做勻速直線運(yùn)動？

圖3　氣墊導(dǎo)軌上的滑塊運(yùn)動

滑塊是否做勻速直線運(yùn)動，可以通過兩個光電門記錄滑塊在運(yùn)動過程中經(jīng)過光電門的時間進(jìn)行驗證，如果是勻速運(yùn)動，經(jīng)過光電門的時間相等．

結(jié)論：通過觀察滑塊經(jīng)過兩個光電門的時間，在誤差允許范圍內(nèi)近似相等．說明一旦物體具有某一速度，如果不受阻力，將保持這一速度勻速直線地運(yùn)動下去．

總結(jié)：通過對任務(wù)1和2與問題3的分析我們得到這樣的結(jié)論：力不是維持物體運(yùn)動的原因，而是改變物體速度的原因．這就是伽利略的觀點(diǎn)．

與伽利略同時代的法國科學(xué)家笛卡兒補(bǔ)充和完善了伽利略的觀點(diǎn)，明確指出：除非物體受到力的作用，物體將永遠(yuǎn)保持其靜止或運(yùn)動狀態(tài)，永遠(yuǎn)不會使自己沿曲線運(yùn)動，而是保持在直線上運(yùn)動．

設(shè)計意圖：通過問題1至3，任務(wù)1和2的學(xué)習(xí)讓學(xué)生經(jīng)歷牛頓第一定律的探究過程，落實教學(xué)目標(biāo)1，有利于對牛頓第一定律的理解．通過任務(wù)1和2與問題3，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)2，并為落實教學(xué)目標(biāo)3打下基礎(chǔ)．完成教學(xué)目標(biāo)5，落實教學(xué)目標(biāo)6．

6.3建立牛頓第一定律

英國科學(xué)家牛頓在伽利略、笛卡兒等前輩科學(xué)家研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)成動力學(xué)的一條基本定律，就是牛頓第一定律(Newton first law)．牛頓第一定律又叫做慣性定律(law of inertia)．

(1) 內(nèi)容：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)．

(2) 意義

1)牛頓第一定律揭示了一切物體都具有保持原來的勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)——慣性(inertia)．

2)牛頓第一定律正確揭示了力和運(yùn)動的關(guān)系，糾正了力是維持物體運(yùn)動的原因的錯誤觀點(diǎn)，明確指出了力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因．

(3) 運(yùn)動狀態(tài)變化的3種情況

1)速度的方向不變，只有大小改變；

2)速度的大小不變，只有方向改變；

3)速度的大小和方向同時發(fā)生改變．

設(shè)計意圖：在對前3個問題與任務(wù)1和2探究的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生深刻理解牛頓第一定律．為實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)3打下基礎(chǔ)．

6.4慣性以及對慣性的理解

(1)慣性與質(zhì)量

演示固體有慣性的實驗；播放客車啟動與停止時乘客身體后仰、前傾的視頻．

問題4：試分析為什么會出現(xiàn)以上現(xiàn)象？你還能舉出哪些關(guān)于慣性的實例，有液體與氣體的實例嗎？

學(xué)生回答問題．

教師演示：將盛滿水的燒杯放在小車上．首先，讓小車由靜止突然啟動，這時會看到燒杯中的水向車的后方潑了出去，如圖4所示，表明水靜止時有慣性；然后，讓正在運(yùn)動的小車突然停止，這時會看到燒杯中的水又向車子前方潑了出去，如圖5所示，表明水在運(yùn)動時有慣性．

圖4　由靜止加速向左運(yùn)動

圖5　向左運(yùn)動時突然停止

討論總結(jié)：實驗說明液體具有慣性．

教師演示：改造后的茶葉桶，封上橡皮膜，如圖6所示，讓小孔端對著燃燒的燭焰，手拍橡皮膜，發(fā)現(xiàn)燭焰被吹歪，吹滅．

圖6　自制氣體慣性演示儀

討論總結(jié)：實驗說明氣體具有慣性．

結(jié)論:慣性是物體的固有屬性，即一切物體都有慣性．

問題5:如圖7所示，不同質(zhì)量的小汽車在同一個壓縮彈簧的彈力下運(yùn)動，獲得的速度卻不同．

圖7　慣性與質(zhì)量

通過觀察演示實驗試分析：物體的慣性大小跟哪些因素有關(guān)系？

結(jié)論:質(zhì)量(mass)是物體慣性大小的量度．

設(shè)計意圖:通過問題4和5，讓學(xué)生經(jīng)歷探究過程，在初中學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步認(rèn)識慣性．實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)3，4，5．

(2)對慣性的理解

引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活實例討論、總結(jié)出如下結(jié)論，加深對慣性的理解．

1)慣性與質(zhì)量

①慣性是物體的固有屬性，一切物體都具有慣性．

②質(zhì)量是物體慣性大小的惟一量度，質(zhì)量越大，慣性越大．

2)慣性與力

①慣性不是力，而是物體本身固有的一種性質(zhì)，因此說“物體受到了慣性作用”、“產(chǎn)生了慣性”、“受到慣性力”等都是錯誤的．

②力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因，慣性是維持物體運(yùn)動狀態(tài)的原因．力越大，運(yùn)動狀態(tài)越易改變；慣性越大，運(yùn)動狀態(tài)越難改變．

③慣性與物體的受力情況無關(guān)．

3)慣性與速度

①速度是表示物體運(yùn)動快慢的物理量，慣性是物體本身固有的性質(zhì)．

②一切物體都有慣性，和物體是否有速度及速度的大小均無關(guān)．

4)慣性與慣性定律

①慣性不是慣性定律，慣性是物體的一種固有屬性．

②慣性定律反映的是物體不受外力作用時，物體所遵守的一條運(yùn)動規(guī)律．

設(shè)計意圖：結(jié)合學(xué)生生活中的現(xiàn)象進(jìn)行討論，得出由慣性導(dǎo)出的一些結(jié)論，可以加深對慣性這一概念的理解．

6.5當(dāng)堂練習(xí)深化理解

(1)運(yùn)用規(guī)律解決問題，加深對牛頓第一定律的理解

問題6：關(guān)于牛頓第一定律的理解正確的是

A．牛頓第一定律反映了物體不受外力作用時的運(yùn)動規(guī)律

B．在水平地面上滑動的箱子最終停下來，是因為沒有外力維持箱子運(yùn)動的結(jié)果

C．不受外力作用時，物體的運(yùn)動狀態(tài)可能變化

D．奔跑的小朋友，由于遇到障礙而被絆倒，這是因為他受到外力作用迫使他改變原來的運(yùn)動狀態(tài)

設(shè)計意圖：練習(xí)是在具體的情境中應(yīng)用定律解決問題．在前面學(xué)習(xí)討論的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生在具體生活情境中，分析問題，使學(xué)生從解決問題的過程中領(lǐng)會牛頓第一定律，進(jìn)一步鞏固教學(xué)目標(biāo)3．

(2)對慣性的理解及應(yīng)用

問題7：殲擊機(jī)在進(jìn)入戰(zhàn)斗狀態(tài)時，要丟掉副油箱，這樣做的目的是

A．減小慣性，使運(yùn)動狀態(tài)易于改變

B．增大速度，有利于運(yùn)動狀態(tài)的改變

C．增大加速度，使運(yùn)動狀態(tài)不易改變

D．減小重力，使運(yùn)動狀態(tài)保持穩(wěn)定

設(shè)計意圖：在具體情境中解決問題，進(jìn)一步加深對慣性的理解，檢測教學(xué)目標(biāo)3和4的達(dá)成情況．

6.6課堂小結(jié)梳理收獲

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)的牛頓第一定律、慣性等知識；理想實驗、控制變量法、觀察實驗與思維推理相結(jié)合等方法；科學(xué)家的創(chuàng)造性思維品質(zhì)，不畏權(quán)威、敢于質(zhì)疑、堅持真理的科學(xué)精神．

設(shè)計意圖：通過全面總結(jié)，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，了解目標(biāo)的達(dá)成情況，及時進(jìn)行教學(xué)反思．

6.7布置作業(yè)

(1)課本70至71頁“問題與練習(xí)”中1～3題．

(2)感興趣的同學(xué)閱讀課本70頁“慣性參考系”，并查閱相關(guān)資料，拓展知識面，完成課本71頁“問題與練習(xí)”中第4題．

7板書設(shè)計

板書設(shè)計如表2所示.

表2　板書設(shè)計

參 考 文 獻(xiàn)

1中華人民共和國教育部.物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2003年版)．北京：北京師范大學(xué)出版社，2012

2張大昌．普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書 物理·必修1. 北京：人民教育出版社，2015．68～71

3周譽(yù)藹．普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理·必修1教師教學(xué)用書. 北京：人民教育出版社，2015．121～125

4管延芝，李新鄉(xiāng)．基于問題串的“彈力”教學(xué)設(shè)計．物理通報，2015(8)：74～77

5李新鄉(xiāng)，張軍朋．物理教學(xué)論(第2版)．北京：科學(xué)出版社，2009．177～181,241～253

Physics Teaching Design Based

on Scientific Method Education

——Take “Newton First Law” as an example

Wang sai

(The School Attached to Qufu Normal University ,Jining,Shandong 273165)

Abstract:The education of scientific method has important significance for physics teaching. In this paper, "Newton first law" teaching design is taken as an example. In teaching ,"question string" is used rationally. Teaching aim，evaluation activity ,teaching and learning activities are designed originate based on the education of scientific method. In physics teaching, the education of scientific method effectively penetrate in order to lead students to learn, to improve students' scientific literacy.

Key word:scientific method education;course standard;newton first law;teaching design

收稿日期：(2015-08-31)