單元視域下科學(xué)思維的教學(xué)設(shè)計
——以“牛頓第一定律”為例

顧炳峰

(無錫市東絳實驗學(xué)校，江蘇 無錫 214000)

物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度和責(zé)任”4個方面構(gòu)成.物理觀念的形成、科學(xué)探究的實施、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的養(yǎng)成,都是離不開科學(xué)思維的.科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式;是基于經(jīng)驗事實構(gòu)建理想模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運用;是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點的結(jié)論提出質(zhì)疑、批判、檢驗和修正,進(jìn)而提出創(chuàng)造性間接的能力和品格.

“牛頓第一定律”是蘇科版初中物理教材8年級下冊第9章第2節(jié)教學(xué)內(nèi)容,單元目標(biāo)在《義務(wù)教育初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》一級主題運動和相互作用下二級主題機械運動和力中的內(nèi)容要求是:通過實驗,認(rèn)識牛頓第一定律.用物體的慣性解釋自然界和生活中的有關(guān)現(xiàn)象.

會運用慣性,解釋當(dāng)汽車急剎車、轉(zhuǎn)彎時,車內(nèi)可能發(fā)生的現(xiàn)象.

分解為基于核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)如下.

物理觀念目標(biāo):知道力不是維持物體運動的原因;認(rèn)識牛頓第一定律;用物體的慣性解釋自然界和生活中的有關(guān)慣性現(xiàn)象.

科學(xué)探究目標(biāo):經(jīng)歷“探究阻力對物體運動的影響”探究過程,掌握探究方法.

科學(xué)思維目標(biāo):訓(xùn)練科學(xué)推理、遷移、質(zhì)疑、總結(jié)等思維能力.

科學(xué)態(tài)度和價值觀目標(biāo):了解科學(xué)家們關(guān)于尋求“力和運動”關(guān)系的探索歷程,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,實事求是的科學(xué)精神.

在該課例的學(xué)習(xí)過程中,科學(xué)思維貫穿始終,是典型的培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的課例.圖1為此課例中學(xué)生思維發(fā)展歷程.

圖1 思維發(fā)展

1 創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突、鼓勵歸納總結(jié),培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑和創(chuàng)新能力

質(zhì)疑創(chuàng)新是科學(xué)發(fā)展的動力,質(zhì)疑又是創(chuàng)新的基礎(chǔ).本節(jié)課中最大的質(zhì)疑就在于“物體的運動要不要力來維持”.古希臘哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為“物體的運動需要力來維持”,而2000多年后伽利略則提出“物體的運動不需要力來維持”.教學(xué)中師生要多展示這兩類場景,凸顯出矛盾.

例如,教師緩慢推講臺上的小車,小車動了,撤去推力,小車停了;教材上有“風(fēng)吹樹搖、風(fēng)停樹靜”,由此絕大部分學(xué)生會說出“物理的運動是因為有力作用在物體上”的觀點.再加上亞里士多德也說過“物體的運動需要力來維持”,這時學(xué)生們沉浸在自信的喜悅中.但是,真的是這樣嗎?教師再次迅速用力推動小車,小車在離開手之后,繼續(xù)向前運動.教師問學(xué)生:“此時運動的小車有沒有受到手的推力?”學(xué)生統(tǒng)一回答:“沒有”.教師追問“那為什么小車還在繼續(xù)運動呢”.學(xué)生陷入思考,部分學(xué)生認(rèn)為“物體的運動不需要力來維持”.教師展示伽利略的觀點“物體的運動不需要力來維持”.截然相反的觀點,必有一方是錯誤的,此時學(xué)生肯定會產(chǎn)生質(zhì)疑.看來科學(xué)家們的觀點也不一定全是正確的,需要進(jìn)一步論證.

圖2 產(chǎn)生質(zhì)疑

科學(xué)是不斷進(jìn)步的,理論也是在逐步修正和完善之中.從亞里士多德提出“物體運動需要力來維持”的觀點之后的2000多年里,不斷有科學(xué)家提出質(zhì)疑,最終由伽利略通過理想實驗的方法論證亞里士多德的觀點是錯誤的,得出“運動的物體如果不受力,將做勻速運動”.之后,笛卡爾對伽利略的觀點進(jìn)行了修正,得出“運動的物體如果不受力,將做勻速直線運動”.他們針對的是“運動的”物體不受力將會……,生活中常見物體靜止,如果“靜止的”物體不受力,將會怎樣呢?如果把運動和靜止這兩種前提情況都考慮進(jìn)去,這樣的結(jié)論是否就更具備普遍性呢?教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步推理聯(lián)想,學(xué)生很自然地會認(rèn)為,“靜止的物體如果不受力,它將保持靜止”.結(jié)合“運動的物體不受力,它將做勻速直線運動”,就很自然地得出了牛頓第一定律的內(nèi)容:一切物體,在沒有受到力的作用時,總保持靜止或勻速直線運動狀態(tài).這就是創(chuàng)新.

圖3 總結(jié)和創(chuàng)新

2 巧用方法遷移,培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型的能力

遷移是指一種學(xué)習(xí)對另一種學(xué)習(xí)的影響,或習(xí)得的經(jīng)驗對完成其他活動的影響.本課例中,無法尋找“物體運動,但是又不受力”的場景來支持伽利略的觀點.因為現(xiàn)實生活中,根本找不到“不受力”的場景.怎么辦呢?其實8年級上學(xué)期也有這樣的情形,無法通過實驗或事實來直接證明“真空不能傳聲”,因為當(dāng)時在課堂上無法得到“真空”.當(dāng)時是怎么做的呢?我們雖然無法使玻璃罩實現(xiàn)真空狀態(tài),但是我們可以通過使玻璃罩中空氣越來越少,并發(fā)現(xiàn)聽到的聲音越來越小,由此推斷真空不能傳聲.這個方法是“實驗+推理”法.同樣的,我們無法找到物體不受力的情況,但是我們可以使物體受力越來越小,并根據(jù)物體受力越來越小時物體的運動趨勢來推理得到物體不受力時會是怎樣的運動情況.有了前面的探究經(jīng)驗,通過方法遷移,可以很順利地找到探究的方向.

圖4 方法遷移

圖5 受力分析

學(xué)生已經(jīng)明確了探究方向——讓物體受力越來越小,同時觀察物體運動變化情況,由此再推理物體不受力時,會使怎么樣的運動情況.那么,讓哪個力越來越小呢?

如果以水平面上運動的小車為研究對象,學(xué)生通過受力分析發(fā)現(xiàn):小車受到3個力的作用:小車受到的重力G,桌面對小車的支持力F支持,桌面對小車的摩擦阻力f,如圖5所示.學(xué)生發(fā)現(xiàn)F支持與G是作用在同一物體上的大小相等、方向相反且作用在同一直線上的兩個力(二力平衡),其作用效果相互抵消,也就是說豎直方向上相當(dāng)于不受力,那么就只剩下水平方向上桌面對小車的摩擦阻力f了,所以要減小就只要減小小車受到的阻力f,再觀察小車運動的變化情況.所以說,接下來就要探究“阻力對物體運動的影響”了.

圖6 建構(gòu)模型

3 設(shè)置并解決關(guān)鍵問題,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證的能力

科學(xué)論證是學(xué)生通過實驗,為自己的觀點提供支持,并批駁相異的觀點,解決問題并獲取知識的能力．實驗探究是科學(xué)論證的重要組成部分．本課中為了要證明“物體的運動不需要力來維持”,就要經(jīng)歷 “阻力對物體運動的影響”的探究過程,教師可引導(dǎo)學(xué)生思考幾個問題:

(1) “如何減小小車運動時受到的阻力?”

(2) “實驗中比較哪個物理量可以直觀地反映阻力對物體運動的影響呢?”

(3) “除了阻力,還有其他因素會影響小車運動的距離嗎?如果有,該怎么控制變量呢?”.

學(xué)生通過思考,發(fā)現(xiàn)第1個問題還是很容易解決的.要減小阻力也就是要減小摩擦力,在小車對水平面壓力一定的條件下,只要減小接觸面的粗糙程度即可.根據(jù)實際情況,可以讓小車通過棉布、木板、玻璃板(即所受阻力越來越小).

關(guān)于第2個問題,小車運動過程中由于受到阻力會停下來,那么小車受到阻力不同,就會停在不同的位置.實驗中比較小車運動的距離即可體現(xiàn)阻力對物體運動的影響.

關(guān)于第3個問題,學(xué)生可能一時間想不出來.教師可以通過實驗操作啟發(fā)學(xué)生.在同一個水平面上,小車所受阻力一定,教師慢推、快推小車,使小車獲得不同的速度,松手后,小車運動的距離不同.學(xué)生就會發(fā)現(xiàn):原來小車的初始速度會影響小車的運動距離.所以說,實驗中我們要控制小車的初始速度相同.如何控制小車的初始速度一定呢?使推力相同?顯然不易操作.該怎么辦呢?根據(jù)生活經(jīng)驗,自行車從坡上沖下來,就能獲得一定的速度,而且,不同高度處沖下來的自行車獲得的初始速度不同.教師展示給小車準(zhǔn)備的斜坡——斜面,然后操作不同高度處的小車由靜止開始沖下,發(fā)現(xiàn)到達(dá)水平面的速度不同.由此學(xué)生馬上就能想到,只要讓小車從同一斜面的不同高度處滑下,就能保證速度相同.教師隨及用兩輛相同的小車,從斜面的同一高度處同時靜止滑下,發(fā)現(xiàn)兩輛小車到達(dá)水平面的速度是一樣的.所以,讓同一小車分別從斜面同一高度處靜止滑下,即可控制小車到達(dá)水平面的速度相等.(這期間不能改變斜面的傾斜程度,否則也會影響小車所處的高度)

解決以上幾個問題之后,學(xué)生通過實驗就可很快地得到實驗現(xiàn)象,探究出阻力對物體運動的影響．

圖7 科學(xué)論證

4 基于事實、大膽假設(shè),培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力

圖8 實驗現(xiàn)象

科學(xué)推理是科學(xué)思維的核心組成部分．在探究阻力對物體影響的實驗中,實驗現(xiàn)象是非常明顯的:從斜面同一高度處靜止滑下,小車在棉布上運動的距離更近,在玻璃上運動的距離更遠(yuǎn),如圖8所示.同時學(xué)生能夠輕松的得出結(jié)論:支持面越光滑,小車受到的阻力越小,小車運動的路程越遠(yuǎn).

試想,如果接觸面比玻璃面還要光滑,該小車受到的阻力將還要小,運動的距離還要遠(yuǎn).如果接觸面絕對光滑呢?即運動的小車將不受阻力,小車運動的距離會多遠(yuǎn)?學(xué)生非?？隙ǖ幕卮稹巴２幌聛怼保盁o限遠(yuǎn)”.速度會減小嗎?“不會”.此時,教師可以引入物理學(xué)史關(guān)于伽利略也通過實驗和推理的方法得出了運動的物體不受力會做勻速運動.同時期的笛卡爾進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)運動的物體不受力時,不僅是運動速度不變,運動方向也是不變的.通過這個推理的過程,學(xué)生就可以得出推論:如果小車在絕對光滑的水平面上運動,即不受阻力的作用,那么它將做勻速直線運動.

進(jìn)一步推理,如果運動的物體不受力,它將是一個怎樣的運動情況呢?通過上述的小車分析,小車受到的3個力中,重力G和支持力F支持相互抵消,相當(dāng)于不受力,如果再假設(shè)不受阻力,也相當(dāng)于此時小車不受任何力的作用.所以說運動的小車不受力,它將做勻速直線運動.由此推廣至運動的物體不受力將做勻速直線運動.

至此,學(xué)生已經(jīng)分析得到運動的物體“不受力”,“做勻速直線運動”的情況,也就是說物體的運動不需要力來維持,伽利略的觀點是正確的,亞里士多德的觀點則是錯誤的.而亞里士多德之所以得出錯誤的結(jié)論,其實是他忽視了阻力對物體運動的影響.

圖9 科學(xué)推理

5 結(jié)語

從亞里士多德“問題的提出”到伽利略“問題的破解”,再到牛頓“問題的歸納”,《牛頓第一定律》的學(xué)習(xí),是跨越時空的高強度的科學(xué)思維訓(xùn)練.注重科學(xué)思維訓(xùn)練,有助于形成物理觀念(牛頓第一定律)、訓(xùn)練科學(xué)探究(探究阻力對物體運動的影響)、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任(事實求是,敢于質(zhì)疑等科學(xué)精神).物理課堂教學(xué)設(shè)計,應(yīng)把培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力放在更高的地位,是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)必由之路.