激情·探究·對話·生成——“牛頓第一定律”教學設計介紹

韋葉平

(江蘇省前黃高級中學,江蘇 常州 213161)

1 設計背景

2011年10月28日,筆者應邀參加在江蘇省天一中學舉行的全國第七屆“聚焦課堂——生長課堂”教學研討活動并開設示范課——“牛頓第一定律”.本設計從教師情感、教學方式、知識建構、課堂實驗等方面進行了改革創新,受到點評專家和與會同行的肯定.

(1)學生:新課標理念是教學應以教師為主導,學生為主體.因此,在教學時應充分發揮學生的主動性和積極性;激發學生的學習興趣,營造寬松、和諧的學習氣氛;在課堂上讓學生主動參與教學過程,使學生親歷思考和探究的過程;在知識的形成、聯系、應用過程中養成科學的態度、獲得科學的方法.

(2)教材:牛頓第一定律是物理學理論的支柱和基石.教學時,緊緊圍繞牛頓第一定律的產生過程,深入挖掘物理學史中的相關素材,將牛頓第一定律產生過程的幾個關鍵問題以原貌的形式展示給學生,讓他們作為各個歷史時期的“探究者”參與相關問題的討論;其次,引導學生領會牛頓第一定律的含義,明確運動和力的關系,同時提升對力、慣性、質量和慣性的關系等基本概念的理解.

(3)教師:本節的特點是教材內容以大量的文字陳述,沒有涉及到數學計算,教師更要注重物理學史教育、理想化實驗思想和堅持真理、不迷信權威的科學態度的熏陶;其次,本節內容在初中已經了解,此時,教師除了使學生保持新鮮感,還需加大思維強度,注意知識的深化和科學研究方法、情感態度的教育,讓學生對牛頓第一定律及慣性有更深的理解.

2 教學過程

2.1 新課引入

高爾基說:“好奇是了解的開端和引向認識的途徑.”筆者用“吹乒乓球的挑戰”引入新課.嬌小的女生輕易可以吹動乒乓球.

教師:我施加一些魔法,有哪位男生敢于來挑戰,將乒乓球吹得更高一些呢？高大的男生用最大的力卻也吹不動,如圖1所示.(筆者在學生無意間換成一個內部裝滿小鋼珠的乒乓球).

學生活動.

教師:雖然挑戰失敗,但是敢于挑戰的精神是值得我們學習的.希望大家在接下來的學習中,大膽、敢于挑戰、敢于質疑.

圖1

點評:既增強了課堂的氣氛,又為伽利略敢于挑戰權威埋下伏筆.

教師:為什么同樣施加了力,但前后兩次乒乓球的運動狀態卻不同呢？力和運動到底是什么關系呢？我們帶著這個問題學習本節課“牛頓第一定律”.

點評:設計的小游戲,學生既熟悉又好奇,帶著懸念進入新課.這樣增強了學生的求知欲望、激發了學生的探索興趣.

2.2 歷史回顧

(1)體會亞里士多德的研究方法:直觀與經驗.

情境:馬拉雪橇(用圖片).

問題:根據生活的經驗說明,怎樣使雪橇持續地運動？怎樣使雪橇運動得更快？

學生:力和運動關系是維持的關系.

師生活動.亞里士多德認為,力是維持物體運動狀態的原因.并簡單介紹亞里士多德的事跡與貢獻.

(2)學生參與伽利略挑戰權威的全過程,感受理想實驗的魅力.

情境:引導學生觀察生活現實:當一個物體沿斜面向下運動時,它的速度增大,而向上運動時,它的速度減小.

教師:大膽的猜想:當物體沿水平面運動時,它的速度應該既不增大也不減小.

教師指出:“力不是維持物體運動的原因”,得出和亞里士多德截然不同的結論,伽利略向亞里士多德提出了挑戰.

教師:你支持誰呢？

現實:即使物體沿水平面運動,速度也越來越慢,最后停了下來.

伽利略的觀點仍然占了上風,但是伽利略沒有屈服于權威,而是繼續深入的觀察和分析,尋找原因.

學生:分析原因.伽利略認為這是摩擦阻力作用的結果.

情境:表面越光滑,物體將運動得越遠.

討論:你能根據生活經驗來幫助伽利略驗證他的觀點嗎？(請舉例說明)

問題:如果物體在更加光滑的水平面上運動,情況會怎么樣？

再次體現“推理”的重要思想方法,在真實實驗的基礎上進行合理外推.

問題:如果物體在絕對光滑(摩擦力為零)的水平面上運動,它會怎么樣呢？

產生經典質變.指出“摩擦力為零”在實際生活中很難實現,那么我們怎樣才能證明它呢？過渡到“理想實驗”.

點評:緊扣教材人教版《物理》必修1課本第68頁,突出教材在教學中的重要地位;體會伽利略不畏權威、細致觀察、追求真理的精神;學生討論的基礎上,以“問題串”的形式讓學生體會物理知識由“合理外推”向“經典質變”的演化過程.

教師介紹理想斜面實驗并演示實驗探究過程.

①先在軌道上放一塊棉布,釋放小球,記下小球到達的位置.

②撤去棉布,從同一高度釋放小球,記下小球到達的位置.

(讓學生比較兩次高度的不同,引導學生得出結論:如果忽略一切摩擦阻力,小球將回到等高的位置.提示學生記住這個結論.)

③減小第2個斜面的傾角,釋放小球,讓學生觀察小球在第2個斜面上移動的距離變化——為了達到等高,小球運動的路程更長了.

④繼續猜想:如果將第2個斜面的傾角逐漸減小,直到零度,會怎么樣呢？

師生活動.指出實際上軌道不可能絕對光滑,也不可能無限長,所以這也是我們在實驗基礎上的推理.教師和學生共同概括提升理想實驗的特點和意義:

①不是憑空捏造的實驗,它是以可靠的實驗事實為依據的.

②是一種邏輯推理活動,是人們在抽象思維中設想出來,而實際上無法做到的“實驗”.

③將實驗與邏輯推理相結合的方法有力地推動了科學的發展.這正是理想實驗的魅力所在！

愛因斯坦的評價:伽利略的發現以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上的最偉大的發現之一,而且標志著物理學的真正開端.

教師:伽利略就是采用這樣的方法得出結論:物體將永遠運動下去,卻不再需要力去推動它.力不是維持運動狀態的原因,這里用的是實驗和推理的方法.

點評:筆者主要對“伽利略理想斜面實驗”在實驗器材的改進、可視性、實驗效果、啟發性等方面作了精心設計,如圖2所示.

圖2

實驗器材:彩鋼板1塊(長約150cm,寬約10cm);木地板邊線2條(長約150cm);鋼球1個(直徑約2cm);棉布1塊(長約160cm,寬約6cm);書立2個(高約19cm);攝像頭1個(大約130萬像素)等.

實驗優勢:彩鋼板的韌性適中,斜面的傾斜角可以任意調節;2條邊線組成軌道,減小了摩擦力;利用豎立等高的特點規定了小球運動的等高線;攝像頭將實驗過程同時放大在屏幕上,現象明顯直觀,效果很好.此實驗得到點評專家的高度評價.

(3)笛卡爾的貢獻:補充完善.

法國科學家笛卡兒指出:如果運動中的物體沒有受到力的作用,它將繼續以同一速度沿同一直線運動,既不停下來也不偏離原來的方向.(明確勻速直線運動;指出了勻速直線運動的條件.)

2.3 牛頓的貢獻:形成體系

牛頓在伽利略和笛卡兒等人的工作基礎上,提出了動力學的一條基本定律.

牛頓第一定律:一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態.(引導學生分段解析,幫助理解)

現場贈書《自然哲學的數學原理》,并介紹牛頓關于運動的3條定律和《自然哲學的數學原理》一書的價值.

師生活動.

(1)對牛頓第一定律的理解.(以下內容都由教師引導學生回答)

后半句話的意義——力是改變物體運動狀態的原因,而不是維持物體運動狀態的原因.

討論:哪些情景說明物體的運動狀態發生了改變？

總結:運動狀態由速度決定,速度發生了變化,就說物體的運動狀態發生了變化.(注意:速度是一個矢量.)

指明:力是改變速度的原因.(引導學生看課本第68頁中的小字內容,體會“牛頓的高明”——提出了重要的科學概念“力”.)

(2)慣性的溫故而知新.

前半句話的理解——慣性:物體具有保持原來靜止狀態或勻速直線運動狀態的性質,我們把這個性質叫慣性.

教師:哪些物體具有慣性？在什么時候具有慣性？(請舉例說明)

教師:既然生活中一切物體,任何狀態下都具有慣性,你能不能舉例說明哪些現象體現了慣性？

討論:我國《道路交通安全法》的規定,在小型車輛前排乘坐的乘客必須系好安全帶,為什么要這樣規定？

視頻:讓我們來看一看司機朋友和警察叔叔是怎么講的.

教師:大家再來思考:慣性是物體具有保持原來靜止狀態或勻速直線運動狀態的性質,其中的關鍵詞是“保持”,而力又是改變物體運動狀態的原因.慣性和力是一對矛盾統一體,那我們是不是可以這樣理解慣性:慣性是物體抵抗運動狀態變化的本領.本領有大小,那慣性有大小嗎？

學生:設計小實驗或列舉生活中的實例,說明質量越大,慣性越大.

教師:展示上課前學生吹的乒乓球,挑戰失敗的男生體會兩個球質量的差異,解釋為什么質量大,難以吹動？

教師進一步實驗:輕的乒乓球撞重的乒乓球,觀察并解釋現象.

學生:分組實驗.引導學生做“單手撕紙條競賽”,如圖3所示.主要流程是:引起思維沖突(筆者捏住A處甩紙片,很難將紙條B甩斷.)→學生分組實驗(要求:用最省力的方式,最快速度將A與B甩斷.)→分析總結→拓展延伸(用鐵夾夾住B處,有異曲同工的效果.)

圖3

總結:質量是慣性大小的唯一量度.

點評:時刻關注教材的圖片及說明,滲透人文精神的教育;注意前后呼應,用所學知識解決問題,如“吹乒乓球的挑戰”;由安全帶的使用體現生命教育:珍愛生命、遵守法律、尊重科學;設計新穎的分組實驗“單手撕紙條競賽”,全員參與、氣氛活躍,課堂進一步升華.

教師:這些小實驗是不是都很簡單而且很巧妙啊？生活中,還有哪些體育娛樂項目體現了質量和慣性之間的這種關系嗎？

教師引導:為什么乒乓球做得質量比較小,保齡球的質量比較大？(展示圖片)

學生:質量越大,慣性就越大,保持原來運動狀態的“本領”越大,運動狀態越難改變.質量越小,慣性就越小,保持原來運動狀態的“本領”就越小,運動狀態就容易改變.

教師:生活中像這樣的事例還很多,可見,牛頓把慣性作為一個科學概念提出的重要性,牛頓第一定律也叫慣性定律.同學們在課后可以繼續體會.

2.4 課堂小結

師生活動:牛頓第一定律我們初中已經學過,現在我們又學了一遍,那么,你這節課學習了哪些內容？

點評:這個環節是本節課畫龍點睛之筆,通過學生自由舉手回答,基本概括了本節課所有知識點、科學精神和思想方法,如圖4所示.

圖4

3 教學反思

3.1 關于知識與技能

筆者認為物理學史的介紹是本節課的重點之一,特別是對伽利略理想斜面實驗的理解以及實驗的設計、改進、探究過程、分析引導、得出結論等科學探究思想是這堂課的一個亮點;對牛頓第一定律的理解和應用是本節內容的另一個重點和難點.通過以上內容的學習使學生知道理想實驗的實驗基礎、推理過程和對推斷結果的分析,以及培養學生理論聯系實際,靈活運用所學知識的能力.

3.2 關于過程與方法

通過學生對歷史演變過程的“親身”參與,培養學生在實驗的基礎上通過推理得到結論的方法以及深度分析、思考問題的能力,使學生受到科學方法論的教育.

教學形式上,筆者注重“以趣促學”,用最簡單的器材完成最有說服力的創新實驗,如“吹乒乓球的挑戰”、“單手撕紙條競賽”等,為學生創設了生動的物理學習情境;同時,在演示實驗中教師提供示范,培養了學生良好的實驗技能和實驗作風.教學內容上,筆者注重知識的首尾呼應,體現物理源于生活,回歸生活的特征;精心處理課堂預設與生成的關系,特別善于抓住與學生“對話”過程中的有用資源并與之產生思維碰撞,達到深入理解知識,應用知識的目的.

3.3 關于情感、態度與價值觀

通過對物理學史的簡介,對學生進行嚴謹的科學態度的教育;了解人類認識事物的曲折性,感受科學之美;培養學生敢于質疑、堅持真理的科學探究和創新精神.筆者借助豐富的人文修養和知識儲備,以激情飽滿的姿態吸引學生,誘導學生主動學習、探究學習、合作學習;不斷為學生設置成功的臺階,讓學生體會成功的喜悅及運用物理知識解決實際問題的成就感.特別值得一提的是,筆者在傳授物理知識的過程中滲透德育,如通過了解《道路交通安全法》,培養學生珍愛生命、遵守法律、尊重科學的健康心理.

當然,本節課還有一些地方需要深思或改進,如教師的提問能否在考慮學生最近發展區的基礎上更加有深度;能否體現現代科技對物理教學的輔助作用,如氣墊導軌、數字毫秒儀、光電門等傳感器的使用,進一步使課堂教學得到升華.