基于核心素養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討
——以“牛頓第一定律”教學(xué)為例

(江蘇省常州市第二中學(xué),江蘇 常州 213003)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育的過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分,是落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要途徑,是提高物理教學(xué)質(zhì)量的核心手段,基于核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體現(xiàn)了物理課程目標(biāo)的價(jià)值追求。

如何行之有效地開展高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升？是每一位物理教師值得深思的問(wèn)題。牛頓第一定律是牛頓力學(xué)體系的基礎(chǔ),是學(xué)生理解和掌握整個(gè)動(dòng)力學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ),但牛頓第一定律一直以來(lái)都是教學(xué)的難點(diǎn)。本文以“牛頓第一定律”為例,探討在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提升學(xué)生核心素養(yǎng)的策略。

1 制造認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

實(shí)驗(yàn)1:如何使靜止在課桌上的小車開始運(yùn)動(dòng)?

生:用手推著或拉著小車使其運(yùn)動(dòng)。

師:靜止的小車為什么會(huì)動(dòng)起來(lái)?

教師引導(dǎo)學(xué)生思考此現(xiàn)象中力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,學(xué)生很容易得出:有力才有運(yùn)動(dòng),物體的運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持。

師:再做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，看能否還得到同樣的結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)2:輕推小車,小車由靜止開始運(yùn)動(dòng),但離開手之后，小車仍能在桌面上運(yùn)動(dòng)一段距離才會(huì)停下。

教師由此現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,學(xué)生得出:物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持。

師:為什么通過(guò)實(shí)驗(yàn)會(huì)得出完全相反的結(jié)論呢?

學(xué)生們一臉疑惑,接下來(lái)教師順勢(shì)拋出亞里士多德和伽利略的觀點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖:從實(shí)驗(yàn)入手,使學(xué)生初步了解力與運(yùn)動(dòng)之間存在著一定的聯(lián)系,并能使學(xué)生從運(yùn)動(dòng)學(xué)的學(xué)習(xí)平穩(wěn)過(guò)渡到動(dòng)力學(xué)的學(xué)習(xí),符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。

2 以史為鑒,體驗(yàn)核心概念的形成過(guò)程

人們對(duì)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的認(rèn)識(shí)過(guò)程是一個(gè)漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程,可以追溯至公元前四世紀(jì)的亞里士多德。亞里士多德由生活經(jīng)驗(yàn)得出:力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，這種生活經(jīng)驗(yàn)形成的背景知識(shí)幾乎存在于每個(gè)人的頭腦中。伽利略通過(guò)理想斜面實(shí)驗(yàn)推翻了亞里士多德的觀點(diǎn),證明了“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”,并指出了亞里士多德得到錯(cuò)誤結(jié)論的原因。教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧兩位科學(xué)家的思路,并通過(guò)兩組實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生對(duì)觀察到的不同現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比分析,讓背景知識(shí)在課堂教學(xué)中發(fā)揮它的價(jià)值。

設(shè)計(jì)意圖:物理學(xué)史在物理教學(xué)中再現(xiàn)有助于學(xué)生活躍思維,增強(qiáng)科學(xué)意識(shí),體會(huì)科學(xué)家對(duì)物理問(wèn)題的推理過(guò)程、科學(xué)的研究方法,最終達(dá)到深入領(lǐng)會(huì)牛頓第一定律的教學(xué)目標(biāo)。

3 運(yùn)用伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn),建構(gòu)物理觀念

3.1 從粗糙到光滑

師:利用軌道和小球演示小球從A點(diǎn)滾下后，從另一個(gè)斜面滾上去(如圖1)。

圖1

第一次實(shí)驗(yàn)在右邊軌道上鋪了較粗糙的紗布,記錄小球達(dá)到的最高點(diǎn)位置D。

師:可以發(fā)現(xiàn),小球在右邊到達(dá)的最高點(diǎn)低于原來(lái)的高度,為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的結(jié)果呢?

生:小球與粗糙的紗布之間存在摩擦。

師:如果我們還是將小球從A點(diǎn)滾下,第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)減少紗布鋪的長(zhǎng)度,記錄達(dá)到最高的位置E,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是否會(huì)有所不同呢?

通過(guò)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)小球的高度增加,但還是沒(méi)有達(dá)到與A等高的高度。

師:第三次做實(shí)驗(yàn),如果撤去粗糙的紗布,小球在較光滑的軌道上直接滾動(dòng),記錄最高的位置F,此時(shí)小球能到達(dá)什么樣的高度呢?

生:小球基本上能到達(dá)與A等高的高度。

師:比較三次對(duì)比實(shí)驗(yàn),能得出什么樣的結(jié)論?

生:如果沒(méi)有摩擦,那么小球就會(huì)回到與A等高的位置。

3.2 從傾斜到平坦

3.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M演示

師:如果將BC軌道放平坦些,軌道光滑,小球滾動(dòng)情況有什么特點(diǎn)(如圖2)?

圖2

生:小球幾乎仍能滾到與A等高的位置,而與原來(lái)相比滾動(dòng)的距離變大了。

師:直接將BC軌道放至水平,小球運(yùn)動(dòng)的情況又怎樣?

生:小球?yàn)榱四軡L到最高點(diǎn),將一直運(yùn)動(dòng)下去。

師:小球在水平面上的運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持嗎?

生:小球的運(yùn)動(dòng)并不需要力來(lái)維持。

3.2.2 理論驗(yàn)證

圖3

設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)與理論驗(yàn)證,使學(xué)生體會(huì)到:我們不能消除一切阻力,也不能把第二個(gè)斜面做得無(wú)限長(zhǎng),所以伽利略斜面實(shí)驗(yàn)是“理想實(shí)驗(yàn)”,是將實(shí)驗(yàn)與邏輯推理相結(jié)合的一種研究方法。我們對(duì)物理規(guī)律概念的認(rèn)識(shí)是一個(gè)由淺到深、逐步深入的過(guò)程,教師可以通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生參與體驗(yàn)實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生重演物理概念的形成過(guò)程,來(lái)感悟問(wèn)題的本質(zhì),這對(duì)學(xué)生培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式是非常有益的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與牛頓第一定律的教學(xué)銜接

伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)牛頓第一定律、領(lǐng)會(huì)科學(xué)推理的重要實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行理想化推理,這正是伽利略斜面實(shí)驗(yàn)的魅力所在。教師可以引出牛頓第一定律: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),除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。

師:“除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)”說(shuō)明力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。

牛頓第一定律表明,物體具有保持原來(lái)勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì),這種性質(zhì)就是慣性。這個(gè)定律給出了慣性的概念,所以人們說(shuō)它是牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)。下面通過(guò)實(shí)例分析，用慣性解釋現(xiàn)象。

實(shí)例一:如圖4所示,木塊豎立在小車上隨小車一起向前慢速運(yùn)動(dòng),當(dāng)小車遇到障礙物突然停下時(shí),木塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何?你能解釋上述現(xiàn)象嗎?

圖4

教師引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論:小車遇到障礙物前,木塊和小車一起作勻速直線運(yùn)動(dòng),并且木塊和小車具有共同的速度;當(dāng)小車遇到障礙物突然停下來(lái)時(shí),木塊的底部由于受阻力而隨即停止運(yùn)動(dòng),上部由于慣性仍要保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此木塊向前傾倒。

實(shí)例二:如圖5所示,在紙杯里裝滿水,放在一張白紙上,然后迅速地把紙抽出來(lái),紙杯會(huì)不會(huì)移動(dòng)位置,水會(huì)不會(huì)灑出來(lái)(標(biāo)注線的作用是為了觀察裝滿水的水杯是否移動(dòng))?

圖5

教師引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論:當(dāng)紙迅速抽出時(shí),由于慣性，紙杯和水保持原來(lái)的靜止?fàn)顟B(tài),所以紙杯不會(huì)移動(dòng)位置,水也不會(huì)灑出來(lái)。

教師可以讓學(xué)生利用身邊的物體做“慣性”實(shí)驗(yàn),列舉生活中的“慣性”實(shí)例,并運(yùn)用慣性的知識(shí)加以解釋。

設(shè)計(jì)意圖:對(duì)于慣性的解釋,一般在教學(xué)中的處理方式是向?qū)W生說(shuō)明物體具有保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)叫做慣性，并指出質(zhì)量是慣性大小的量度。但對(duì)大多數(shù)學(xué)生而言還是難以理解,只是單純進(jìn)行文字記憶。通過(guò)有關(guān)慣性的實(shí)驗(yàn)演示,讓慣性的概念進(jìn)入學(xué)生的內(nèi)心世界,實(shí)現(xiàn)自主構(gòu)建。

5 結(jié)語(yǔ)

基于學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是進(jìn)一步提高物理教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵途徑,可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。教師通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、規(guī)范實(shí)驗(yàn)的操作以及學(xué)生親身演示實(shí)驗(yàn),來(lái)提高學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力、解決問(wèn)題的能力、探尋事物本真的能力、適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的關(guān)鍵能力。