以“牛頓第一定律的教學設計”為例談三維教學目標的和諧達成＊

李哲君 吳楊柳 蔡水珍 陳 波 伍山林 羅君平 李科敏

（湖南理工學院光電技術及應用物理創新訓練中心 湖南 岳陽 414006）

1 引言

教學設計是教師確定教學目標、建立解決教學問題策略、實行解決教學問題方案、評價試行結果和修改方案的過程，目的是希望獲得最優的教學方案.傳統教學設計主要關注學科知識的傳授和相關技能的訓練，往往忽視科學方法的訓練和學生心理品質的培養.現代教學設計，強調三維教學目標（“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態度與價值觀”）的和諧達成，認為一個良好的教學設計要注重結合學生的生活實際和年齡特點，選擇合適的教學方法和構建有效的教學過程，注重給學生創建“實踐體驗”和“合作交流”的學習環境，做到在向學生有效傳授知識和技能的同時，還要注重培養學生的學習興趣和創新能力，注重引導學生學習科學方法和提高實踐能力，使學生的心理品質和學科知識實現同步健康成長.

2 牛頓第一定律的教學設計

在人類發展史上，“牛頓第一定律”首次正確回答了“物體為什么會保持勻速直線運動狀態或靜止狀態”這一重大問題，它抓住了物體保持勻速直線運動狀態或者靜止狀態的本質，糾正了自亞里士多德以來統治人類長達近2 000年的錯誤觀點，它是牛頓力學的基石，是高中學生繼續深入學習力學知識的基礎，它涉及到的伽利略理想實驗法也是人們經常使用的一種科學研究方法.但是，由于生活中錯誤觀念的干擾，高中學生在正確理解牛頓第一定律和慣性的過程中經常會遇到很多困難.下面，我們通過設計一系列的相關實驗和學習活動，引導高中學生在“實踐體驗”和“合作交流”的過程中，正確把握牛頓第一定律和慣性的本質內容，并在這個過程中和諧達成三維教學目標.

2.1 創設情境 分組討論

學生討論：將全班學生分成若干個學習小組，每組4～6人，討論和思考以下3類問題，歸納討論的結果并把它們寫下來.

（1）要使一個靜止的物體運動起來，你有哪些辦法？從這些具體作法中，你認為物體的運動和它受到的力有何關系？

（2）一個靜止在水平面上的足球，分別用較小的力、較大的力去踢它，足球在哪一種情況下跑得更快？從這兩種作法中，你認為物體的運動和它受到的力有何關系？

（3）學生現場體驗：在水平桌面上，用力推一原來靜止不動的課本，課本會運動起來；停止用力，被推動的課本又會靜止下來.學生思考：從這兩個現象中，你認為物體的運動狀態和它受到的推力有何關系？

設計意圖：構建討論交流的環境，讓學生根據自己的生活經驗，通過討論交流和歸納總結，暴露學生在日常生活中的錯誤經驗，培養學生討論交流能力和歸納總結能力，并為學生樹立正確的運動觀點做準備.

2.2 歸納意見 展開辯論

教師引導：針對學生對上述3類問題的不同回答，教師引導學生進行歸納和分類，可以把學生的觀點分成以下兩大類：

第一類，物體受力才會運動；受力越大，物體運動越快；停止對物體施加作用力，物體就會靜止下來.也就是說，物體的運動和它受到的力是緊密相關的.

第二類，改變物體的運動狀態（即改變物體運動速度的大小或方向）需要力的作用，但物體運動不需要力來維持.

學生辯論：教師將支持以上兩類觀點的學生分成甲乙兩組，并使他們為維護自己的觀點展開辯論，即要求他們從生活中例舉更多的事例來支持或證明自己的觀點，并設法推翻對方的觀點.通過辯論，最終將辯論的焦點集中到以下兩點.第一，物體在運動的過程中到底是否需要力來維持？第二，作用在物體上的力，會對物體的運動速度產生什么樣的結果？并通過進一步的辯論和分析，讓學生初步明白下面兩點內容.

（1）要使一個靜止的物體運動起來必須給物體施加作用力；作用在物體上的力越大，物體速度改變也越大.

（2）運動的物體在不受推力或者拉力作用時也能運動下去，即物體在運動的過程中不需要力來維持.

設計意圖：構建學生辯論的學習環境，引導學生利用自己的生活經驗，通過分析和辯論，揭示各種現象的本質，得出正確的結論，從而培養學生的分析綜合和思辨能力.

2.3 觀察實驗 展開思考

教師指導學生利用“伽利略理想斜面演示器”開展以下學習活動.

學生活動：探究小球在斜面上做向上滾動和做向下滾動，如圖1所示.

圖1

學生實踐體驗：在小球滾動的斜面上鋪上粗糙的布料，讓小球從左端斜面與某一條水平線相交的位置開始沿斜面由靜止開始下滾，標記小球在右端斜面上升最大高度的位置；撤掉斜面上的布料（讓小球在相對光滑的斜面上運動），使小球仍然從左端斜面的同一高度沿斜面由靜止開始下滾，再次標記小球在右端斜面上升最大高度的位置；觀察并記錄小球在向上滾動和向下滾動的過程中速度的變化.

學生討論和思考：

（1）小球在斜面上受到的摩擦力越小，它在右端斜面上上升的最大高度有何變化趨勢？你是如何理解這一結論的？

（2）如果小球在斜面上受到的摩擦力為零，按照邏輯推理，小球在右端斜面上上升的最大高度，與小球在左端斜面由靜止開始下滾的高度相比，它們有何關系？（相等）

（3）基于“小球在斜面上向上滾動時速度減小，向下滾動時速度增大”這一事實，討論：如果小球在光滑的水平面上滾動（即小球不向上滾動也不向下滾動），按照邏輯推理，它的速度應該是怎樣的？（它的速度應該是“不減也不增”的，即小球做勻速運動.）

學生活動：探究小球在傾角不同的斜面上做上升滾動，如圖2所示.

圖2

使小球從左端斜面與圖1中相同的高度處沿斜面由靜止開始下滾，先后減小右端斜面與水平面的傾角，分別標記小球在右端斜面上移動的最大距離對應的位置，如圖1和圖2所示，根據觀察到的實驗現象，學生探討以下問題：

（1）繼續減小右端斜面與水平面的傾角，小球在右端斜面上移動的最大距離有何變化趨勢？你是如何理解這一結論的？

（2）如果右端斜面與水平面的傾角為零，且小球在運動中受到的摩擦力也為零，按照邏輯推理，小球在演示器右端斜面上移動的最大距離將會是怎樣一個結果？你是如何理解這一結論的？

設計意圖：構建學生交流討論的學習環境，引導學生利用自己觀察到的現象，結合邏輯推理，思考小球在摩擦力為零的水平面上、小球在傾角和摩擦力同時為零的斜面上等理想情況下的運動過程，培養學生的邏輯推理能力，使學生在學習新知識的過程中學習科學的研究方法—— 邏輯推理研究法.

教師演示：教師展示氣墊導軌，演示物體在水平氣墊導軌上的運動.讓學生觀察和體驗：在摩擦力很小的水平氣墊軌道上，幾乎不受合外力的運動物體接近做勻速直線運動！

設計意圖：給學生提供實踐體驗的機會，加深學生對“物體運動不需要力來維持”的理解.

2.4 總結結論 深入體驗

師生互動：教師引導學生總結，并表達出以下結論：

（1）若要改變物體的運動狀態（即改變物體的速度，包括改變物體速度的大小或方向），必須給物體施加作用力；推力可以增大物體的速度，阻力可以減小物體的速度.

（2）若物體不受力或者受到的合外力為零，物體保持勻速直線運動狀態或者靜止狀態.

（3）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.（這就是牛頓第一定律）

學生活動：利用上述結論，分析上文2.1中3類問題中研究對象的運動狀態與受力的關系.

師生互動：分析和體驗牛頓第一定律內容中“或”、“一切”、“總”、“迫使”的深刻含義：“或”表示物體可以保持勻速直線運動、靜止這兩種狀態中的某一種，具體取決于物體的初始狀態；“一切”、“總”表示保持勻速直線運動和靜止這兩種狀態是所有物體固有的屬性（即慣性），這兩種狀態的保持不需要力來維持；該定律中的“迫使”表示“力”是改變物體運動的根本原因.

設計意圖：引導學生歸納總結，培養學生的歸納總結能力和語言表達能力.

2.5 回顧歷史 分享過程

教師講授：公元前300多年，偉大的哲學家、科學家亞里士多德根據“要使一個物體運動必須推它或者拉它”的生活經驗，得出“必須有力作用在物體上，物體才能運動；沒有力的作用，物體就要靜止在一個地方”.這一錯誤觀念在人類歷史上竟然延續了近2 000年！直到300多年前，偉大的數學家、物理學家、天文學家伽利略借助于“實驗”這一科學研究的武器，利用實驗事實和邏輯推理，向人們展示了“力不是維持物體運動的原因”，首次糾正了亞里士多德的這一錯誤論斷；接著，由法國科學家笛卡兒對伽利略的觀點做了進一步的補充和完善，認為“除非物體受到力的作用，物體將保持靜止或運動狀態”；只有牛頓才首次將上述研究結果進行了系統總結和合理發展，從而得到今天學習的“牛頓第一定律”.可見，像亞里士多德這樣的偉人也會犯錯誤，所以在生活中不要迷信權威，要像伽利略一樣認真思考和勇于探索，并借助于科學的方法尋求真理.同時，也要像伽利略、笛卡兒、牛頓一樣，學會歸納和推理，做到透過表面現象去把握現象背后的本質.

設計意圖：利用物理學史，對學生進行情感教育.

2.5 示慣性 參與比賽

教師展示：取兩個完全一樣的乒乓球A 和B，用注射器把球A注滿水，或者將球A內部裝滿河沙，然后用等長的細線把它們分別懸掛在鐵架臺上長水平棒的兩端，如圖3所示.

圖3

學生比賽：組織男女學生若干名，開展用口吹乒乓球的比賽，男生吹球A，女生吹球B，看誰吹的乒乓球擺動的幅度最大；再讓男生吹球B，女生吹球A，對比乒乓球擺動的幅度.（乒乓球A 都很難吹動.）

學生活動：學生討論、交流和思考為什么乒乓球A 很難吹動.

學生猜想其中的原因后，再讓學生用左、右手分別提起乒乓球A 和B，感受乒乓球A 和B 有何不同？（乒乓球A的重力大，質量大，這讓學生理解“在相同力的作用下，質量大的物體難以改變它的運動狀態，即質量大的物體慣性大.”）

師生互動：教師引導學生得出：一切物體都具有保持其原有運動狀態不變的性質（原來靜止的物體保持靜止，原來運動的物體保持這個速度做勻速直線運動），這就是慣性，它是一切物體固有的屬性.物體的質量越大，它的慣性就越大.

設計意圖：構建學生參與比賽和交流討論的學習環境，讓學生在親身體驗和交流討論中，學習新知識、感受新知識，激發學生參與探討的主動積極性和學習興趣.

2.6 鞏固知識 學生小結

（1）學生練習：每個學生根據自己的生活經驗，例舉一個與物體慣性有關的事例，再和同桌同學一起討論并作出解釋，然后結合具體事例說明“如何利用有用的物體慣性或者如何減小有害的物體慣性？”

設計意圖：目的是引導學生從物理走向社會，讓學生感到新學到的知識親切、有用、有趣.

（2）學生小結本節課學習的主要內容.

2.7 布置作業 繼續研討

以“假如生活中沒有慣性”為題，寫一篇小論文，并把你的小論文貼在墻報上，向全班同學報告你的研究成果，供大家參觀學習.

設計意圖：提供展示平臺，激發學生深入探究的興趣，培養學生科學探究的能力.

3 我們的體會

在本節教學設計中，我們注重結合學生的生活實際，給學生構建一系列“實踐體驗”和“合作交流”的學習機會.這個教學設計，我們已經在岳陽市第十一中學進行了教學實踐，學生們普遍認為這種教學設計親切、易懂、有用、有趣.總之，教學設計要注重給學生構建“實踐體驗”和“合作交流”的學習環境，既要關注物理知識的傳授和實驗技能的訓練，又要關注學生學習興趣的培養和創新能力的提高；要注重引導學生學習科學方法和提高實踐能力，并從中感受到自然科學的美妙和合作交流的快樂，從而做到三維教學目標的和諧達成.

1 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書《物理1》（必修）第2版.北京：人民教育出版社，2006