高中物理課堂模擬的科研過程

王麗姜

摘 要：本文以《牛頓第一定律》教學(xué)為案例，闡述物理課堂教學(xué)是個模擬的科研過程，可以展現(xiàn)科研的縮影，體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會”。本節(jié)課從學(xué)生出發(fā)，結(jié)合物理學(xué)史、演示實(shí)驗(yàn)及多媒體等素材，精心設(shè)計(jì)授課過程；課堂設(shè)計(jì)注重學(xué)生的思維特點(diǎn)和發(fā)展、注重學(xué)生體驗(yàn)知識的獲得過程、關(guān)注學(xué)生的情感體驗(yàn)。授課過程中，學(xué)生不僅僅只是聽課，更是參與到問題的解決過程，規(guī)律的獲得過程，雖然是一節(jié)課高中物理課，更準(zhǔn)確說是關(guān)于“力和運(yùn)動關(guān)系”課題的模擬科研過程，一節(jié)課一個微科研。

關(guān)鍵詞： 高中物理課堂；物理學(xué)史；模擬科研；微科研；問題串；支架教學(xué)；學(xué)生體驗(yàn)

引言

自古以來生活生產(chǎn)的需要產(chǎn)生了物體受力和運(yùn)動的關(guān)系的研究課題。老祖宗早在春秋戰(zhàn)國時期在《考工記》中就提出了“馬力既竭，輈猶能取也”的描述。意思是說，在馬拉車時，馬不走了，即馬對車不施力了，車子還可以前進(jìn)一小段路。這是關(guān)于車受力和車運(yùn)動情況的觀察記錄，人們在生活實(shí)際中發(fā)現(xiàn)了需要研究的物理問題。經(jīng)過亞里士多德、伽利略、笛卡爾、牛頓幾代科學(xué)家歷經(jīng)2000多年的研究，最終獲得的牛頓第一定律也稱慣性定律，定律明確了每個物體與生俱來具有慣性，想改變其運(yùn)動狀態(tài)需要施加外力。慣性定律問世在社會中產(chǎn)生了極大的應(yīng)用，人們遵循規(guī)律行事懂得開車需要系安全帶、懂得飛行員需要進(jìn)行黑視和紅視適應(yīng)等；人們利用規(guī)律設(shè)計(jì)了慣性制導(dǎo)系統(tǒng)等應(yīng)用。《牛頓第一定律》這節(jié)課教師從人們長期的生活經(jīng)驗(yàn)引發(fā)力和運(yùn)動關(guān)系物理課題的產(chǎn)生，讓學(xué)生面對原始問題，通過引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷、參與到大師們的科研過程從中逐漸獲得定律并體會大師們留下的啟發(fā)；經(jīng)歷知識的遷移過程，實(shí)現(xiàn)物理到社會的升華，極大激發(fā)學(xué)生求知欲望和學(xué)習(xí)興趣，體現(xiàn)從生活走向物理，從物理走向社會的理念。學(xué)生在課堂上經(jīng)歷課題的產(chǎn)生、研究過程并將研究結(jié)果應(yīng)用到生活中去，雖是高中課堂，更是一個模擬的科研微過程。

1 教學(xué)過程

1.1 力與運(yùn)動關(guān)系獲得過程，體現(xiàn)從生活走向物理的過程，學(xué)生參與到課題的研究中

首先演示一個生活現(xiàn)象，引出課題，關(guān)于力和運(yùn)動關(guān)系。教師：一個靜止的物體，想讓它動，怎么辦呢？生：用力推。撤去推力，觀察到什么？生：物體停止。【演示：靜止木塊，手推，動起來；手撤去，物體停止】生活中類似現(xiàn)象很多，哲學(xué)家亞里士多德憑借觀察和直覺提出的觀點(diǎn)是：有力才有運(yùn)動，力撤去運(yùn)動就停止。①他認(rèn)為力在運(yùn)動中起到何作用呢？學(xué)生：“力是維持物體運(yùn)動的原因”。生活經(jīng)驗(yàn)有力地支持他的觀點(diǎn)。大家都認(rèn)為眼見為實(shí)，這個觀點(diǎn)延續(xù)了很長的時間，直到伽利略。伽利略是怎么推翻的呢？重演剛才的實(shí)驗(yàn)（演示時手停在撤去的位置）生：物體沒有立即停止，運(yùn)動一段才停止。 ②“物體沒有立即停止”說明什么？生：力撤去物體還會運(yùn)動。師：這段運(yùn)動并沒有力在維持，亞里士多德派學(xué)說是錯的，力撤去，物體并沒有立即停止。③伽利略關(guān)注什么原因?qū)е挛矬w最終停下來呢？生：摩擦力。師：伽利略的觀點(diǎn)跟同學(xué)們是一致的，他領(lǐng)悟到水平面運(yùn)動的物體之所以停下來是摩擦的緣故，不是沒有力的作用，恰恰是摩擦的作用。所以力不是維持運(yùn)動，是改變運(yùn)動狀態(tài)。這是2000多年來的最大的突破。【板書】

伽利略進(jìn)一步觀察到一些現(xiàn)象，我們來模擬一下（flash模擬同樣小車以相同速度分別在毛巾、棉布、木板、玻璃上運(yùn)動）。現(xiàn)象包含什么規(guī)律呢？平面越光滑，小車將運(yùn)動越遠(yuǎn)。④如果我們觀察到此現(xiàn)象，接下去會怎么想象呢？生：若摩擦力為零，物體則會一直運(yùn)動下去。師：老師欣賞大家的想象力，這種想象力正是伽利略提供的。為了向世人證明他的觀點(diǎn)，他還假想了一個思想實(shí)驗(yàn)。結(jié)合課件詳細(xì)介紹理想斜面實(shí)驗(yàn)：將兩個光滑斜面對接，讓一個小球從一個斜面的頂端靜止釋放，接著又滾上另一個對接的斜面等高處；如果減小對接斜面的傾角，小球仍會達(dá)到同一高度，需要經(jīng)過更長的路程；如果再減小對接斜面的傾斜度，小球經(jīng)過的路程就會越來越長。傾斜角越小，經(jīng)過的路程越長，接下去你有何突破性推理？學(xué)生：若傾斜角為零，則路程為無窮遠(yuǎn)，為了達(dá)到無限長，小球?qū)⒁恢边\(yùn)動下去。[板書提煉伽利略的研究方法]師：我們知道伽利略并沒有做個這個實(shí)驗(yàn)，這只是個假想的實(shí)驗(yàn). ⑤任何想象都不能憑空產(chǎn)生，這個理想實(shí)驗(yàn)靈感來源何處？這個想象的實(shí)驗(yàn)主要依據(jù)什么現(xiàn)實(shí)呢？教師結(jié)合模擬裝置介紹伽利略針和單擺實(shí)際實(shí)驗(yàn)。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注其中一個結(jié)論，那就是擺球運(yùn)動到右邊時，能達(dá)到等高度的位置嗎？演示：擺球拉到左邊，與尺子同高度的地方，靜止釋放小球，小球運(yùn)動到右邊等高的地方嗎？接著，當(dāng)球往右邊擺動時，碰到針，他還會擺到相同的高度嗎？學(xué)生觀察、記錄實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象；師生共同用課件模擬現(xiàn)象并引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象中找規(guī)律。⑥除了ABCD四點(diǎn)等高度這個結(jié)論外，大家比較這三次運(yùn)動，還看出什么規(guī)律？生：針的位置越高，擺球運(yùn)動軌跡越長，運(yùn)動越遠(yuǎn)。⑦這個實(shí)驗(yàn)給你什么啟發(fā)？（ppt從上而下展示斜面試驗(yàn)示意圖與擺球軌跡的比較）他將這個現(xiàn)象與斜面運(yùn)動聯(lián)系在一起。伽利略指出，對于斜面會得出同樣的結(jié)論。任何有意義的想象來源于長期可靠而有意義的積累。[板書] ⑧大家覺得伽利略憑什么推翻亞里士多德的觀點(diǎn)呢？生：觀察——實(shí)驗(yàn)積累——邏輯推理。師：我們佩服他的想象力，基于事實(shí)，經(jīng)過思維抽象，將研究事物理想化。師生共同學(xué)習(xí)理想化模型對科學(xué)研究仍然具有重要的意義。接著提到笛卡爾、詳細(xì)學(xué)習(xí)牛頓比前人看的遠(yuǎn)體現(xiàn)在哪些方面。

1.2 學(xué)習(xí)牛頓第一定律

牛頓在前人基礎(chǔ)上提出牛頓第一定律： 一切物體總保持勻速直線運(yùn)動或靜止，直到外力迫使它改變運(yùn)動狀態(tài)為止[2-4]。⑨關(guān)于力和運(yùn)動的關(guān)系，牛頓與前人的相同之處？⑩牛頓比前人看的更遠(yuǎn)，體現(xiàn)在哪呢？引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)笛卡爾強(qiáng)調(diào)保持運(yùn)動狀態(tài)是有條件的，而牛頓則認(rèn)為保持是無條件的，一切物體與生俱來的本能。首先，指出力是改變運(yùn)動狀態(tài)的原因；[板書：力：改變運(yùn)動狀態(tài)（繼承前人）] 其次，第一次明確、完整指出一切物體都有的屬性——慣性。[板書：慣性：保持原來運(yùn)動狀態(tài)]牛頓認(rèn)為保持是無條件的，內(nèi)在的；而改變是需要受力為條件，不能自動改變，不能口頭說改變就改變。二者是內(nèi)在和外因，是對立的，但又統(tǒng)一在牛頓第一定律里面。牛頓更進(jìn)一步揭示力和運(yùn)動的本質(zhì)。牛頓將前人的研究，統(tǒng)一起來思考，從中找到一個適合一切物體的規(guī)律，正如他對萬有引力定律的研究涉及的也是一切物體，他善于從不同現(xiàn)象中找到共同的規(guī)律。牛頓第一定律是邏輯的產(chǎn)物，不是從實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)論，有人問牛頓如何發(fā)現(xiàn)定律，他回答：靠不停地思考。■大家覺得大師們留下了什么？學(xué)生：要觀察、要實(shí)驗(yàn)和邏輯推理，還要不停思考。這些大師們都是西方的學(xué)者，其實(shí)中國早在亞里士多德之前的春秋戰(zhàn)國時期的著作《考工記》有“馬力既竭，輈猶能取也”的描述，這是關(guān)于慣性現(xiàn)象最早的闡述，比同時代的世界的思想超出近2000年。我們的心中除了驚訝和自豪于老祖宗的智慧外，不禁反問既然我們的祖宗最早觀察并準(zhǔn)確記錄了慣性現(xiàn)象，但慣性定律卻不是我們提出的。引導(dǎo)學(xué)生反思自己：也許我們是缺少了實(shí)驗(yàn)、推理和不斷地思考，所以未能發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象背后的真相，這是我們學(xué)習(xí)物理的重要方法。

1.3 慣性及其應(yīng)用授課，體現(xiàn)從物理走向社會，呼應(yīng)課題引入

慣性：保持靜止或者勻速直線運(yùn)動的狀態(tài)的性質(zhì) [1-3 ]，是物體的固有的、本能的、內(nèi)在的天然屬性。■你經(jīng)歷過慣性現(xiàn)象嗎？■慣性有利還是有弊呢？下面我們一起來看幾個視頻，關(guān)注幾個生活現(xiàn)象：2013年某省新出爐交通規(guī)則： 駕駛機(jī)動車在高速公路和城市內(nèi)的快速路上不系安全帶將被記3分，同時罰款100元； 副架不系安全帶被記1分，罰款50元。師：網(wǎng)友稱這是史上最嚴(yán)厲的教規(guī)，管理部門為何如此嚴(yán)厲呢？播放剎車模擬錄像，緊急剎車時，車內(nèi)人由于慣性仍保持向前，砸碎車玻璃。剎車時存在哪些安全隱患？并提出你的意見來防止這些隱患。理智提醒：副架也應(yīng)系安全帶；管理部門如此嚴(yán)厲，是為了人的安全，體現(xiàn)以人為本。同學(xué)們今天放學(xué)回家，坐在副架上第一件事情就該系安全帶。2012年9月25日中國自己的航空母艦遼寧號面世，殲15于2012年11月25日第一次從遼寧號上成功起飛和成功急降。各大網(wǎng)站、報(bào)紙具有報(bào)道：航母甲板僅機(jī)場1/10，阻攔索鉤住飛機(jī)尾鉤，在短時間內(nèi)速度從3×105m/h減為0，當(dāng)艦載機(jī)在鉤住阻攔索的瞬間，飛行員經(jīng)歷紅視。紅視時感覺佩戴一副紅色眼睛，周圍世界一片紅色，產(chǎn)生原因是眼部充血。■大家思考分析下，是什么原因?qū)е卵鄄砍溲兀俊狙菔荆杭t視產(chǎn)生的可能原因】

2 本節(jié)課的教學(xué)方法和教學(xué)手段幾點(diǎn)討論

2.1 物理學(xué)史授課可以讓學(xué)生參與、經(jīng)歷、體驗(yàn)知識的獲得過程，是微科研過程

物理學(xué)史是物理學(xué)科發(fā)展的重要紀(jì)錄，體現(xiàn)了人類探索和認(rèn)識世界的現(xiàn)象、規(guī)律和本質(zhì)的過程，包含了認(rèn)識論和方法論的因素。物理學(xué)研究史，他不僅僅有科學(xué)家故事，更是一部科學(xué)觀念、科學(xué)思想和方法的變化史；本節(jié)課的第一部分我們就借著力與運(yùn)動關(guān)系的這段研究史，帶著學(xué)生面對課題，身臨其境到參與到亞里斯多德到伽利略至牛頓所面對的原始問題、對問題的討論、研究、獲得結(jié)論；同時感悟大師們研究方法和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科研態(tài)度，自然而然實(shí)現(xiàn)三維教學(xué)目標(biāo)，即獲得了知識、經(jīng)歷研究過程、領(lǐng)悟科研方法、同時感受物理大師們科研素養(yǎng)。這個部分設(shè)計(jì)注重學(xué)生“參與、體驗(yàn)”、經(jīng)歷定律的獲得過程。讓學(xué)生面對原始問題，重點(diǎn)經(jīng)歷體驗(yàn)伽利略的研究過程，領(lǐng)受伽利略的精心觀察、實(shí)驗(yàn)、思索、理想實(shí)驗(yàn)、合理外推、得到結(jié)論的經(jīng)典物理研究方法。教師引導(dǎo)著學(xué)生一步步經(jīng)歷知識點(diǎn)的獲得，重要節(jié)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生自主獲得知識。

雖是物理課堂學(xué)習(xí)，更是一個模擬的科研過程，老師主導(dǎo)提出課題，學(xué)生全程經(jīng)歷課題的研究過程：首先從生活和生產(chǎn)需要產(chǎn)生課題研究的必要，接著經(jīng)歷課題的開展中遇到的困難，困難的解決過程，最終師生共同得到規(guī)律，共同經(jīng)歷將規(guī)律應(yīng)用到生活中去。本節(jié)課本是陳題，學(xué)生在初中已經(jīng)有所涉及，本沒有好奇成分，不感興趣；但筆者的授課經(jīng)驗(yàn)表明本節(jié)課堂深受學(xué)生歡迎。老師給學(xué)生機(jī)會，讓學(xué)生體驗(yàn)到自己若處在當(dāng)時的環(huán)境中，通過不斷的思考和實(shí)驗(yàn)、推理、努力也能得到相同的結(jié)論，成為科學(xué)大師，極大激勵學(xué)生學(xué)習(xí)動力，引導(dǎo)學(xué)生物理學(xué)習(xí)當(dāng)注重實(shí)驗(yàn)和思考，提升思維能力也培養(yǎng)了科學(xué)素養(yǎng)，為將來的學(xué)習(xí)、科研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

培根曾說讀史使人明智，老師在課堂上引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷知識的獲得過程，正是讓學(xué)生體驗(yàn)探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅，亦讓學(xué)生吸取前人的精華，避免前人的失敗。類似的教學(xué)方法可以應(yīng)用在自由落體、萬有引力定律、電磁感應(yīng)現(xiàn)象、庫侖定律、場概念的建立過程、奧斯特實(shí)驗(yàn)、惠更斯原理、光的折射定律、原子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)過程、原子核結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)過程等課例。

2.2 有效問題串設(shè)計(jì)旨在培養(yǎng)和提升學(xué)生的思維能力，進(jìn)入思維的最近發(fā)展區(qū)

瑞士心理學(xué)家皮亞杰認(rèn)為“發(fā)展是一建構(gòu)的過程”，蘇聯(lián)心理學(xué)家維果斯基關(guān)于教學(xué)和發(fā)展的關(guān)系，提出最近發(fā)展區(qū)理論，把學(xué)生的潛在發(fā)展水平變成實(shí)際的發(fā)展水平，同時不斷創(chuàng)造新的最近發(fā)展區(qū)。蓋一座大廈，建筑人員要先搭起手架。類似地，在學(xué)生把“最近發(fā)展區(qū)”轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的發(fā)展過程中，教師需要為他搭建支架 [4 ]。在物理課堂教學(xué)中，老師常圍繞著某一教學(xué)目標(biāo)，設(shè)置一系列有針對性的問題引導(dǎo)學(xué)生，教師在識別學(xué)生反應(yīng)的基礎(chǔ)上，采取有效指導(dǎo)促進(jìn)學(xué)生不斷達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，即“問題串”教學(xué)。筆者認(rèn)為有效的問題串就是一種“學(xué)習(xí)的腳手架”，可以幫助學(xué)生基于已有知識逐漸往前一步，進(jìn)入一個個最近發(fā)展區(qū)，逐漸實(shí)現(xiàn)思維能力的提升。本節(jié)課設(shè)計(jì)基于學(xué)生已有的知識結(jié)構(gòu)和思維特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)十四個有效問題，逐漸引導(dǎo)學(xué)生自主開展“微科研”；利用學(xué)生已有的知識，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)目標(biāo)情境，主動進(jìn)行思考、表達(dá)對問題的看法；老師根據(jù)學(xué)生的回答，識別學(xué)生對問題的認(rèn)識程度，繼續(xù)提問引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理解，學(xué)生感覺是他們自己找到問題的答案，找到了現(xiàn)象背后的規(guī)律并將規(guī)律應(yīng)用到生活中去。這樣的設(shè)計(jì)符合建構(gòu)主義理論，關(guān)注學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)。

2.3 課堂設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)注重創(chuàng)設(shè)情境，給學(xué)生體驗(yàn)的機(jī)會

本節(jié)課結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)、視頻、課件模擬等多種媒體，充分讓學(xué)生多感官體驗(yàn)。 利用這些媒體化抽象為形象，創(chuàng)設(shè)容易引發(fā)學(xué)生參與和引發(fā)思考的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)氛圍，充分關(guān)注教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)對課堂教學(xué)的積極意義。另外課堂氛圍和諧，借著師生間的交互、同學(xué)間的交互合作進(jìn)行社會性建構(gòu)知識，達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。筆者曾于今年暑假帶學(xué)生赴英國圣安德魯斯大學(xué)參加暑期課程，課程中物理和天文學(xué)講座會有很多的演示實(shí)驗(yàn)，借著演示整個講座形象活潑生動起來，大家感受到物理不是那么高冷難。即使介紹冰，也輪流讓大家體驗(yàn)冰的溫度。有個天文講座給我們介紹彗星的組成，介紹后用這些成分加上液氮冷卻模擬極冷環(huán)境當(dāng)場制作一個彗星樣本，然后用電吹風(fēng)吹來模擬彗星經(jīng)過太陽時產(chǎn)生彗星尾巴，非常形象。演示實(shí)驗(yàn)、視頻及課件等資源能給學(xué)生提供情境性的學(xué)習(xí)環(huán)境，能化抽象為形象，有體驗(yàn)，有參與，多感官結(jié)合獲取知識能高效實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

3 結(jié)束語

一切為了學(xué)生，教師在設(shè)計(jì)每節(jié)課時應(yīng)從學(xué)生出發(fā)，精心設(shè)計(jì)才能在課堂上游刃有余地引導(dǎo)學(xué)生參與到知識的獲得過程。給學(xué)生參與、體驗(yàn)的機(jī)會，多讓學(xué)生明白物理在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用，能將所學(xué)知識遷移應(yīng)用到學(xué)生的身邊和真實(shí)的生活中。本節(jié)課設(shè)計(jì)還特別關(guān)注學(xué)生的情感體驗(yàn)，從物理學(xué)家們身上看出科研的魅力，體會他們?yōu)樘剿髡胬矶巫尾痪耄粩嗨伎迹蟮谜嫦啵ぐl(fā)學(xué)生敬畏之心；在獲得知識的同時，領(lǐng)悟方法，產(chǎn)生對科學(xué)大師們的敬畏之心。這樣的課堂極大激發(fā)學(xué)生可持續(xù)學(xué)習(xí)的興趣和動力。物理課堂能夠給學(xué)生的不止是知識，更是思維能力的提升，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會做學(xué)問、逐漸擁有自行獲取新知識的能力，擁有可持續(xù)學(xué)習(xí)的潛能，為終身學(xué)習(xí)和真正科研奠定重要夯實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社物理室編 .物理第一冊[M].北京：人民教育出版版，2000.

[2]保宗悌.物理必修1[M].廣州：廣東教育出版社，2005.

[3]陳熙謀，吳祖仁. 物理必修一[M] .濟(jì)南：山東教育出版社，2004.

[4]陳琦，劉儒德.教育心理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.