基于核心素養(yǎng)的“牛頓第一定律”教學(xué)探索

林 萍劉 明

（1.福建省莆田第二中學(xué)，福建 莆田 351131；2.福建省廈門(mén)第六中學(xué)，福建 廈門(mén) 361012）

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）指出，學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面.課堂是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的主陣地，要讓學(xué)科核心素養(yǎng)在課堂教學(xué)中平穩(wěn)落地，需要教師基于核心素養(yǎng)的培育來(lái)設(shè)計(jì)、組織和優(yōu)化課堂教學(xué).本文以魯科版（2019版）高中物理必修1第五章第1節(jié)“牛頓第一定律”為例，淺談基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)探索的實(shí)踐與思考.

1 基于核心素養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容分析

1.1 課標(biāo)內(nèi)容要求

課標(biāo)中“相互作用與運(yùn)動(dòng)定律”的1.2.3內(nèi)容要求為：“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究物體運(yùn)動(dòng)的加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系.理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律，能用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決有關(guān)問(wèn)題.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象”［1］.課標(biāo)中沒(méi)有單獨(dú)提到牛頓第一定律，說(shuō)明牛頓運(yùn)動(dòng)定律的整體性.能用牛頓定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象和解決有關(guān)問(wèn)題，其學(xué)業(yè)質(zhì)量水平應(yīng)達(dá)到水平4的要求.

1.2 高、初中教材內(nèi)容比較

牛頓運(yùn)動(dòng)定律是整個(gè)力學(xué)體系的基石，牛頓第一定律又是這個(gè)“基石”中的“基石”，它定性地揭示了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，提出慣性的概念，為定量研究力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系拉開(kāi)了序幕.初中階段學(xué)生對(duì)牛頓第一定律進(jìn)行了初步學(xué)習(xí)，知道了牛頓第一定律的內(nèi)容和慣性的概念.在教學(xué)前對(duì)初高中教材內(nèi)容進(jìn)行比較分析，有利于幫助學(xué)生在已有知識(shí)體系的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的闡釋和深入，實(shí)現(xiàn)知識(shí)體系的進(jìn)一步建構(gòu)和完善，挖掘知識(shí)體系建構(gòu)過(guò)程中素養(yǎng)提升內(nèi)涵和知識(shí)的教育價(jià)值.高中教材與初中相比，主要有三方面的不同.

（1）定律內(nèi)涵的理解要求不同：初中教材敘述為“一切物體在沒(méi)有受到外力作用的時(shí)候，總是保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”；高中教材敘述為“一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非有外力迫使它改變這種狀態(tài)”.高中教材中的表述具有更為豐富的內(nèi)涵，它強(qiáng)調(diào)了力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，突出了第一定律的獨(dú)立性和重要意義，也為學(xué)習(xí)牛頓第二定律做了一定的鋪墊，凸顯物理觀念的發(fā)展和完善.

（2）實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、探究及思維深度不同：初中為斜面小車(chē)實(shí)驗(yàn)；高中為伽利略理想實(shí)驗(yàn)，突出科學(xué)思維和科學(xué)探究，彰顯理想實(shí)驗(yàn)這種科學(xué)方法的價(jià)值.

（3）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的體現(xiàn)不同：初中對(duì)牛頓第一定律建立歷史一語(yǔ)帶過(guò)，高中教材將歷史回顧作為重點(diǎn)內(nèi)容，呈現(xiàn)較為完整的研究歷程，讓學(xué)生體會(huì)一個(gè)規(guī)律的獲得是經(jīng)過(guò)一代又一代人努力，不斷糾正、補(bǔ)充完善后才能得到的.不僅能夠激發(fā)學(xué)生追求科學(xué)，勇于質(zhì)疑創(chuàng)新的情感，更重視物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中學(xué)科精神的教育價(jià)值.

2 基于核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)分析

本節(jié)課通過(guò)伽利略理想實(shí)驗(yàn)來(lái)揭示運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，讓學(xué)生在充分感悟科學(xué)思想方法的過(guò)程中，深刻理解核心規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)展和完善物理觀念，是提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的極好素材.結(jié)合課標(biāo)仔細(xì)研讀教材，制定基于核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)如表1.

表1 牛頓第一定律教學(xué)目標(biāo)分析

3 基于核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)思路

圖1 牛頓第一定律教學(xué)設(shè)計(jì)思路

4 基于核心素養(yǎng)的主要教學(xué)環(huán)節(jié)及反思

4.1 情境引入有趣味，啟發(fā)思考

（1）播放小狗滑滑板車(chē)視頻，如圖2所示.

圖2

（2）問(wèn)題引導(dǎo)：小狗怎么讓滑板車(chē)動(dòng)起來(lái)？（小狗蹬地有動(dòng)力）小狗上了滑板車(chē)后為什么能一起運(yùn)動(dòng)？（慣性）小狗和滑板車(chē)為什么停下來(lái)了？（有阻力）

（3）實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)：輕推一下桌面上的小車(chē)和用力推一下桌面上的小車(chē)對(duì)比，哪種情況小車(chē)滑行的遠(yuǎn).

教學(xué)反思：視頻激發(fā)興趣，問(wèn)題引導(dǎo)邏輯，實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)體驗(yàn).經(jīng)歷感知→思維→體驗(yàn)的過(guò)程，喚醒學(xué)生頭腦中的前概念，初步意識(shí)到力和運(yùn)動(dòng)的定性關(guān)系：運(yùn)動(dòng)不需要力，力可以使物體從靜止到運(yùn)動(dòng)，也可以使物體從運(yùn)動(dòng)到靜止.

4.2 理想實(shí)驗(yàn)多維度，激活思維

（1）提出問(wèn)題：亞里士多德根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)得出物體的運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持的觀點(diǎn)，如果你是伽利略，如何反駁亞里士多德的觀點(diǎn)？（大部分學(xué)生能想到阻力使物體停下來(lái)）

（2）伽利略的思考：如圖3，當(dāng)一個(gè)球沿斜面向下滾動(dòng)時(shí)，它的速度增大；向上滾動(dòng)時(shí)，速度減小.由此猜想：當(dāng)球沿水平面滾動(dòng)時(shí)，它的速度應(yīng)該不增不減，然而實(shí)際情況球沿水平面滾動(dòng)會(huì)越滾越慢，最后停了下來(lái).伽利略認(rèn)為這是摩擦作用的結(jié)果，他由此猜想：若沒(méi)有摩擦，球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.

圖3

（3）演示伽利略針和單擺實(shí)驗(yàn)：如圖4所示，利用自制的實(shí)驗(yàn)裝置演示，將擺球用細(xì)線懸掛在O點(diǎn)，讓擺球從圖示位置的A點(diǎn)由靜止釋放，幾乎能到達(dá)等高的D點(diǎn).改變針的位置，重復(fù)剛才的實(shí)驗(yàn)，小球還是能到達(dá)等高的位置.在示意圖中把伽利略針和單擺實(shí)驗(yàn)擺球運(yùn)動(dòng)軌跡用矩形框出來(lái)，啟發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生將該實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有接觸面情境轉(zhuǎn)換成有接觸面的情境，從而得到伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)的雛形.

圖4

（4）模擬演示理想斜面實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示.

圖5

演示1：控制斜面的傾斜角度不變，改變斜槽表面的粗糙程度，依次為不放紙條、放置切割好的寬度略小于斜槽寬度白紙條（表面較光滑）和地毯紙條（表面很粗糙）3種情況，從斜面同一位置釋放小球，觀察并對(duì)比小球運(yùn)動(dòng)所到達(dá)的高度.［2］

現(xiàn)象：表面越光滑，小球上升的高度越高.

推理：如果是光滑斜面，沒(méi)有阻力，小球?qū)⑸仙脚c釋放點(diǎn)等高的位置.

演示2：依次降低右邊斜面的傾斜角度，直至軌道水平，讓小球從左邊斜面同一高度釋放，觀察運(yùn)動(dòng)的距離.

現(xiàn)象：小球運(yùn)動(dòng)得越來(lái)越遠(yuǎn).

推理：將斜面變?yōu)樗角覜](méi)有摩擦阻力，小球?qū)?huì)永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.

（5）總結(jié)伽利略理想實(shí)驗(yàn)：引導(dǎo)分析哪些是實(shí)驗(yàn)事實(shí)？→進(jìn)行了怎樣的理想化處理？→科學(xué)的邏輯推理→實(shí)驗(yàn)結(jié)論.總結(jié)出理想實(shí)驗(yàn)＝可靠的實(shí)驗(yàn)事實(shí)＋科學(xué)的邏輯推理.愛(ài)因斯坦的評(píng)價(jià)“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法是人類(lèi)思想史上最偉大的成就之一，它標(biāo)志著物理學(xué)的真正開(kāi)端.”

教學(xué)反思：相比于教材中理想實(shí)驗(yàn)的理論分析和“頭腦”實(shí)驗(yàn)，通過(guò)給學(xué)生呈現(xiàn)豐富的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，多維度還原伽利略的思考和研究過(guò)程，并利用自制實(shí)驗(yàn)儀器的輔助演示，讓學(xué)生經(jīng)歷物理知識(shí)發(fā)生發(fā)展過(guò)程，經(jīng)歷科學(xué)思維、科學(xué)推理的過(guò)程，掌握科學(xué)思想和科學(xué)方法.

4.3 歷史評(píng)價(jià)有高度，彰顯價(jià)值

回溯力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系跨越2000年的研究歷程，充分挖掘物理學(xué)史的教育價(jià)值，通過(guò)客觀高度地評(píng)價(jià)科學(xué)家在力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系研究進(jìn)程中的貢獻(xiàn)，感悟科學(xué)思想和方法，培養(yǎng)批判質(zhì)疑的科學(xué)精神和團(tuán)隊(duì)合作精神.［3］如表2所示.

表2 力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的研究歷史及評(píng)價(jià)

續(xù)表

教學(xué)反思：以物理學(xué)史為重要的教學(xué)資源豐富物理課堂，不僅讓學(xué)生領(lǐng)悟物理知識(shí)背后隱藏的科學(xué)思想和方法，也讓學(xué)生學(xué)會(huì)用辯證的眼光評(píng)價(jià)科學(xué)的發(fā)展，讓學(xué)生從中體會(huì)物理的科學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任.

4.4 規(guī)律理解有深度，強(qiáng)化觀念

（1）牛頓第一定律的內(nèi)容：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非有外力迫使它改變這種狀態(tài).

（2）利用表3引導(dǎo)學(xué)生對(duì)牛頓第一定律的內(nèi)容關(guān)鍵詞句進(jìn)行剖析，并進(jìn)行定律內(nèi)涵理解的辨析：指明了物體不受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（理想化情況）；揭示了物體的一個(gè)固有屬性——慣性；闡明了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系——力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因.

表3

教學(xué)反思：讓學(xué)生解讀定律表述文本，剖析重點(diǎn)字詞語(yǔ)，抓住要點(diǎn)，提升學(xué)生文本解讀能力和自主分析能力，理解物理規(guī)律表達(dá)的簡(jiǎn)潔性、嚴(yán)密性，通過(guò)定律的剖析進(jìn)一步強(qiáng)化物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀和相互作用觀.

4.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有梯度，突破難點(diǎn)

（1）空氣炮演示實(shí)驗(yàn)：如圖6所示，利用紙箱和干冰自制空氣炮實(shí)驗(yàn)裝置，紙箱六面封閉，其中一面剪一個(gè)圓形的開(kāi)口，在紙箱中放入干冰，用加熱器加熱后產(chǎn)生霧化效果，用不同的力氣拍紙箱，學(xué)生觀察在空中霧化圓圈的運(yùn)動(dòng)情況，在課堂中演示氣體慣性.

圖6

（2）吹乒乓球?qū)嶒?yàn)：如圖7，黃、白兩個(gè)顏色不同的乒乓球，懸掛在一起，請(qǐng)一學(xué)生上臺(tái)，用幾乎相同的力吹，觀察哪個(gè)球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易改變.最后用手掂掂乒乓球，發(fā)現(xiàn)白色球比較輕，黃色球比較重.質(zhì)量小的物體慣性小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易改變.

圖7

（3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：慣性大小與物體速度無(wú)關(guān)

①問(wèn)題引導(dǎo)，初步建立感性認(rèn)識(shí)：速度為10 m/s的乒乓球和速度為5 m/s的鉛球，哪個(gè)更容易接?。?/p>

② 演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：實(shí)驗(yàn)裝置如圖8，實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)表格及分析結(jié)果如圖9.

圖8

圖9

在軌道上輕推小車(chē)，給同一小車(chē)不同的初速度，小車(chē)的位移不同.小車(chē)初速度不同，滑行距離也不同，那么它們運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度一樣嗎？用提問(wèn)方式引導(dǎo)學(xué)生理解運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度可以用加速度描述.

利用DIS測(cè)出小車(chē)上的擋光片經(jīng)過(guò)光電門(mén)的遮光時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算出小車(chē)的瞬時(shí)速度v.記錄光電門(mén)到小車(chē)最后停止的距離，根據(jù)v2＝2as算出加速度，圖9數(shù)據(jù)表明加速度幾乎相等.由此得出結(jié)論：慣性大小與物體運(yùn)動(dòng)速度大小無(wú)關(guān).

③ 邏輯推理，反證錯(cuò)誤認(rèn)知：如果速度越大，慣性越大，那么速度越小，慣性就越小，速度為0，慣性也為零，顯然這是不符合實(shí)際的.

教學(xué)反思：實(shí)驗(yàn)一增加感性認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生完善一切物體都有慣性的觀念，并以此為基礎(chǔ)引出關(guān)于慣性大小與什么因素有關(guān)的猜想；實(shí)驗(yàn)二強(qiáng)化實(shí)踐體驗(yàn)，讓學(xué)生在探究體驗(yàn)中深化理解慣性與物體的質(zhì)量的關(guān)系；實(shí)驗(yàn)三突出探究驗(yàn)證，讓學(xué)生走出“速度大、慣性大”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，同時(shí)理解加速度可以描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度，為定量探究力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系奠定基礎(chǔ).通過(guò)進(jìn)階式的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使學(xué)生經(jīng)歷喚醒→完善→重構(gòu)認(rèn)知體系的過(guò)程，讓學(xué)生在深度體驗(yàn)中完成知識(shí)體系的重構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)難點(diǎn)的有效突破，更有助于學(xué)生科學(xué)思維能力提升和科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí).

4.6 應(yīng)用拓展有生活，格物致知

（1）讓學(xué)生自主例舉慣性在生活中的應(yīng)用實(shí)例：跳遠(yuǎn)時(shí)的助跑，釘釘子，拍打棉被上的灰塵……

（2）以風(fēng)車(chē)篩選水稻為例，水稻收割后，要曬干、篩選出干凈、飽滿的稻谷保存，去除空心稻谷及其雜質(zhì).播放視頻（如圖10），請(qǐng)同學(xué)們利用所學(xué)的知識(shí)解釋原理并提出技術(shù)改進(jìn)建議.

圖10

（3）播放中國(guó)航母上的艦載機(jī)著陸訓(xùn)練視頻，阻攔繩勾住艦載機(jī)的瞬間，飛行員會(huì)出現(xiàn)紅視現(xiàn)象.自制實(shí)驗(yàn)儀器（如圖11），模擬紅視現(xiàn)象，通過(guò)手機(jī)慢鏡拍攝，觀察橡皮筋勾住滑塊使滑塊減速運(yùn)動(dòng)，在滑塊減速為0的瞬間，紅色墨水會(huì)往前傾最厲害.

圖11

教學(xué)反思：知識(shí)應(yīng)用與拓展，應(yīng)聯(lián)系注重生活生產(chǎn)實(shí)際，盡可能展現(xiàn)生活中的物理現(xiàn)象，讓學(xué)生理解物理與生活，物理與生產(chǎn)實(shí)踐，物理與社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的聯(lián)系.選擇風(fēng)車(chē)實(shí)例不僅讓學(xué)生了解水稻的篩選原理，更重要的是讓學(xué)生了解我國(guó)勞動(dòng)人民在勞動(dòng)生產(chǎn)實(shí)踐中的偉大智慧結(jié)晶，滲透勞動(dòng)觀念和勞動(dòng)意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生民族自豪感.選取中國(guó)航母上艦載機(jī)訓(xùn)練視頻，視頻載體本身展現(xiàn)了我國(guó)現(xiàn)代科技進(jìn)步與發(fā)展現(xiàn)狀，有益于學(xué)生增強(qiáng)民族自信.案例的選取有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)到慣性的利與弊，引導(dǎo)學(xué)生從哲學(xué)的角度用辯證的觀點(diǎn)思考物理學(xué)發(fā)展和進(jìn)步，樹(shù)立正確的科學(xué)價(jià)值觀，有益于學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的養(yǎng)成.

5 結(jié)束語(yǔ)

教學(xué)實(shí)踐表明，基于核心素養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)分析，廣泛聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際，充分挖掘教學(xué)資源，優(yōu)化情境創(chuàng)設(shè)和問(wèn)題引導(dǎo)，強(qiáng)化探究實(shí)踐體驗(yàn)與交流，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)、質(zhì)疑、猜想、探究、分析、交流、應(yīng)用等重要環(huán)節(jié)，在深化知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程中發(fā)展完善物理觀念、感悟科學(xué)思維、體會(huì)科學(xué)方法、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，才能真正實(shí)現(xiàn)從物理學(xué)科知識(shí)教學(xué)向物理學(xué)科核心素養(yǎng)培育的轉(zhuǎn)變.