基于物理核心素養的《牛頓第一定律》教學設計

蔣煒波

《牛頓第一定律》是連接運動學與力學的紐帶，是運動與力的物理觀念的基礎，在中學物理中有著極為重要的地位。首先，要學習力和運動的關系，初步培養學生從力和運動的關系角度去認識客觀世界;其次，要掌握“可靠的實驗+合理的推理”的科學推理法，完成現實中無法完成的理想實驗;再次，要通過實驗探究力與運動的關系，培養學生的科學探究意識。最后，要聯系社會實際，體會牛頓第一定律在生產生活中的應用。

基于此，我在本節課的設計中將牛頓第一定律的探究問題一分為二，通過兩個問題著重突出實驗探究環節，并結合具體問題的分析，啟發學生思考探討，為將來學習牛頓第二定律留下伏筆。

教學分析

本節內容選用教材為北師大版八年級物理（下冊）第七章《運動和力》中的第7節。教材的情景素材豐富，注重科學探究和聯系生活實際，符合學生的思維能力水平和已有的認知基礎。

教學以學生為主體，引導學生利用科學探究的方法解決實際問題，注重對學生的激勵和啟發。為了保證課堂的連續性和高效性，本節課只針對牛頓第一定律進行教學，用實驗探究的方法充分地突破學習難點。教學中充分運用實驗創設情境，通過學生參與體驗的方式，讓學生親身感受牛頓第一定律的建立過程。最后通過案例分析討論，幫助學生體會牛頓第一定律的局限性。

在知識與技能上，期望學生學習牛頓第一定律，并能利用牛頓第一定律去解釋生產生活中的現象。在過程與方法上，期望學生完整經歷科學探究的過程，學習科學推理的方法。在情感態度價值觀上，期望學生感受牛頓第一定律在實踐中的應用，認識到物理規律都有一定的適用范圍。

這節課的教學重點是力與運動的關系的認識及科學推理法的應用，教學難點是讓學生親身體驗力與運動的關系，從而培養基本的動力觀。

教學過程

環節1：創設情境—初識運動和力

以生活中的常見現象為素材創設情境，通過設問引起學生的關注和思考。同時，明確本節課的探究主題，學生對于探究問題的猜想將直接為后續的探究學習作好鋪墊。

教學中，教師先設問，如果用手推動小車，你會看到什么現象，手松開后又會看到什么現象？然后教師演示實驗——推動靜止在地面上的輪椅小車。學生發現用力推動小車，小車運動了起來;手松開后，小車繼續運動一段距離后停了下來。此時引導學生猜想小車從靜止到運動、從運動到靜止的原因，引入對運動與力的關系研究。通過分析將研究問題拆分成兩部分：一是運動的物體為什么會停下來;二是靜止的物體為什么會運動起來。

環節2：實驗探究—運動的物體為什么會停下來？

通過“彈射小車實驗”驗證學生“摩擦力讓小車停下來”的觀點，引導學生發現軌道表面的粗糙程度影響小車的滑行距離，進而思考不受力的小車將會怎樣，科學推理水到渠成。

教學中，讓學生用“彈射小車實驗”驗證“小車停下來是因為受到接觸表面的摩擦力”的猜想，更換不同粗糙程度的軌道表面重復試驗，學生發現小車最終都能夠停下來。此時教師設問，在不同粗糙程度的軌道表面上，小車受到的摩擦力一樣嗎，滑行的距離一樣嗎，有什么規律？于是，學生開始關注和思考摩擦力的大小對小車滑行距離的影響。教師幫助學生坐在小車上體驗“彈射小車實驗”，并引導學生注意對變量的控制。學生比較后得出結論：在相同條件下，小車受到的摩擦力越大，滑行距離越小。教師引導學生在實驗基礎上，經過科學推理得到結論：不受力的物體可以處于勻速直線運動狀態。

環節3：實驗探究—靜止的物體為什么能運動起來？

通過拉動物塊的實驗，強化學生練習應用科學推理法。此外，得到“不受力的物體可以處于靜止狀態”的結論，與上一環節的實驗結論相呼應，有利于學生正確得出牛頓第一定律，形成完整的動力觀。

教學中，先讓一名學生展示他拉動物塊的過程，教師設問，在拉動物塊的過程中，彈簧測力計的示數是如何變化，為什么開始有拉力的作用物塊卻沒有運動？學生交流彼此的想法。教師設問，在不同的材料表面是否都是這樣？并讓學生在不同的材料表面用測力計將同一個物塊從靜止逐漸拉動，觀察物塊剛好要運動時的測力計示數。學生發現，當物體受到的拉力不超過某一個臨界值時，物塊都是處于靜止狀態，而且在粗糙程度不同的表面，拉力的臨界值也不一樣，越光滑的表面臨界值越小。教師再設問，完全光滑的表面，物塊要保持靜止，拉力不能超過多少？學生自然地回答出“0牛”。

最后利用科學推理的方法引導學生得到結論：不受力的物體可以處于靜止狀態。同時，教師還要結合拉動物塊的實驗引導學生分析，此處的不受力也可以理解為受合力為零。

環節4：歸納總結—牛頓第一定律

讓學生在真實情境中體驗和經歷牛頓第一定律的建立過程，通過歸納總結進一步加深學生對運動與力的關系的理解。

教學中，通過對問題“物體為什么會停下來”和“物體為什么會運動起來”的實驗探究，學生已經掌握了豐富的用于得出牛頓第一定律的素材，教師引導學生順利得到牛頓第一定律：一切不受力的物體保持靜止狀態或者勻速直線運動狀態，直到有外力使它改變狀態為止。同時，教師引導學生認識到，物體不受力的情況是不存在的，因此，通常將不受力弱化為合力為零。

環節5：課堂延伸—科學態度與責任的培養

以牛頓第一定律在中國高鐵建設中的應用為例，一方面增強學生對科技力量的認識，培養學生對國家民族的自豪感和榮譽感，另一方面分析出牛頓第一定律的不足，激發學生學習興趣。

教學中，通過閱讀材料向學生介紹中國高鐵建設取得的成就，引導學生分析，如何才能讓質量這么大的高鐵列車達到那么快的運動速度？學生大都能想到需要施加給列車一個很大的力。教師設問，在運動過程中除了增大動力，還能做些什么？學生會迅速想到減小阻力，如地面摩擦、空氣阻力等。

教師再設問，時速2000km/h和4000km/h的超 級列車，其空氣阻力已經非常大，摩擦生熱很可能 讓列車燃燒起來，怎么辦？學生交流討論后提出大膽的設計，如利用磁懸浮技術將列車懸浮起來，讓列車在真空管道中行駛等。

教師最后設問，如果高鐵列車速度達到超高速運行，究竟需要多大的力？牛頓第一定律能告訴我們嗎？學生發現牛頓第一定律只是一個定性的定律，不能定量計算，教師啟發并鼓勵學生繼續深入學習。

教學反思

本節課在實驗設計和教學設計方面著重突出物理核心素養的培養，以實驗探究為主線，較好地達成教學目標。不論是動力觀養成方面，還是科學探究、科學思維和科學態度與責任方面，都落實了學生核心素養的培養。創新的同時不可避免會產生一些問題，如教材中的演示實驗并沒有在教學中展示和使用;實驗探究雖然充分但耗時較多，因此慣性知識只能在另一節課完成等。

專家點評

丁光成（清華大學附屬中學物理教師，北京市正高級教師、特級教師）

設計者在教學目標上大膽提出了核心素養的落實任務，并以此調整了教學設計。設計中抓住了科學探究這一核心要素，做到了學生真正自己去進行探究和自己去尋找答案。

為了能在有限的教學實踐中透徹地進行實驗探究，設計者調整了教學切入角度，從“物體為什么會停下來”和“物體為什么會運動起來”兩個問題來展開。這種大膽創新的設計避免了直接研究不受力物體的運動情形所帶來的突兀，使教學變得更加自然順暢。學生也為牛頓第一定律的得出積累了更加充分的素材，有利于學生全面深刻理解牛頓第一定律的本質。

真人體驗彈射小車的實驗，既引起了學生對這節課的極大興趣與關注，又為學生創設了生動的、可感受的運動與力的情景，有利于學生形成運動與力的基本觀念。最后通過案例分析以及學生的交流討論，將科學態度與責任的培養滲透在教學之中，讓學生感受到了祖國的日益強大和科技的力量，也初步認識到牛頓第一定律的局限之處，較好地培養了學生的科學態度與責任。

整體上這節課的教學設計非常有創意，是一個符合物理核心素養培養要求的典范設計案例，其設計經驗值得借鑒。

編輯 _ 湯灝