基于核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要：牛頓第一定律是經(jīng)典力學(xué)的基石，是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)動(dòng)與相互作用觀的重要一環(huán).以價(jià)值導(dǎo)向、課標(biāo)引領(lǐng)、問題導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、情境導(dǎo)向、評(píng)價(jià)反饋?zhàn)鳛樵O(shè)計(jì)思路，力爭(zhēng)以“牛頓第一定律”的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，摸索出一些可行的方法和途徑.

關(guān)鍵詞：牛頓第一定律;核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）01-0050-03

作者簡(jiǎn)介：湯玉林（ 1972-） ，男，湖南瀏陽人，碩士，中學(xué)正高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)研究.

牛頓第一定律是經(jīng)典力學(xué)的基石，是力學(xué)的第一原理.牛頓第一定律揭示了慣性是物體的固有屬性和力是迫使物體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因.本節(jié)教學(xué)的知識(shí)目標(biāo)包括：對(duì)歷史的相關(guān)研究歷程進(jìn)一步細(xì)化和評(píng)價(jià);深入地實(shí)驗(yàn)和推理形成牛頓第一定律;了解物體慣性的大小與其質(zhì)量有關(guān);認(rèn)識(shí)牛頓第一定律是經(jīng)典力學(xué)的基石等.更重要的是在教學(xué)設(shè)計(jì)完成上述知識(shí)目標(biāo)的同時(shí)，要關(guān)注運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念的形成與發(fā)展，要關(guān)注科學(xué)推理、科學(xué)論證的科學(xué)思維的培養(yǎng)，要關(guān)注證據(jù)、解釋、交流的探究能力的提高，要認(rèn)識(shí)科學(xué)發(fā)展及科學(xué)本質(zhì)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的提升.

1 基于核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)框架

物理教育的價(jià)值就是把人類社會(huì)積累的知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生個(gè)體的知識(shí)和觀念，把前人從事智力活動(dòng)的思想、方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力和思維方式，把蘊(yùn)含在知識(shí)載體中的觀念、態(tài)度轉(zhuǎn)化為學(xué)生的行為準(zhǔn)則.所以物理教學(xué)的總體目標(biāo)就是幫助學(xué)生從物理學(xué)的視角認(rèn)識(shí)自然，理解自然，建構(gòu)關(guān)于自然界的物理圖景;引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會(huì)科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力;引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)，形成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)世界觀和正確的價(jià)值觀.而教學(xué)設(shè)計(jì)就是指教師為達(dá)成上述目標(biāo)，對(duì)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行的系統(tǒng)規(guī)劃、安排與決策.

根據(jù)核心素養(yǎng)及物理教學(xué)的總體目標(biāo)制定了基于核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)框架如圖1所示.

在上述框架的制定中堅(jiān)持以價(jià)值導(dǎo)向，課標(biāo)引領(lǐng)、問題導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、情境導(dǎo)向、評(píng)價(jià)反饋?zhàn)鳛樵O(shè)計(jì)思路，從輸出端開始思考教學(xué)，從預(yù)期結(jié)果開始思考教學(xué)，思考為了達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)生需要什么，由關(guān)注知識(shí)的“講授”轉(zhuǎn)向關(guān)注學(xué)生的“學(xué)”.

2 “牛頓第一定律”的教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)上述框架制定牛頓第一定律的教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）通過對(duì)歷史的相關(guān)研究歷程進(jìn)一步細(xì)化和評(píng)價(jià)，認(rèn)識(shí)科學(xué)是不斷發(fā)展的，科學(xué)是可證偽的，也能正確評(píng)價(jià)每一位科學(xué)家所作出的貢獻(xiàn).

（2）通過對(duì)伽利略對(duì)運(yùn)動(dòng)與相互作用的研究，體會(huì)理想實(shí)驗(yàn)在科學(xué)研究中的重要作用，培養(yǎng)科學(xué)推理和科學(xué)論證的思維能力.

（3）通過對(duì)牛頓第一定律的分析與解讀，逐步滲透運(yùn)動(dòng)與相互作用的觀念，認(rèn)識(shí)牛頓第一定律是經(jīng)典物理學(xué)的基石，是人類整個(gè)自然觀的基石.

（4）通過探究慣性與質(zhì)量的關(guān)系，提升為獲取證據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力.

（5）通過不同質(zhì)量的物體慣性不同，所受重力也不同，但做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度都為重力加速度的對(duì)比培養(yǎng)問題意識(shí)，在猜想的基礎(chǔ)上培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

3 “牛頓第一定律”教學(xué)設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)及設(shè)計(jì)意圖

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，把牛頓第一定律一節(jié)的教學(xué)過程分成以下幾個(gè)環(huán)節(jié)，并對(duì)每一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行說明.

3.1 對(duì)運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系的歷程的細(xì)化和評(píng)價(jià)

3.1.1 亞里士多德及其研究

亞里士多德是古希臘文化的集大成者，他關(guān)于物理學(xué)的思想深刻地塑造了中世紀(jì)的學(xué)術(shù)思想，其影響力延伸到了文藝復(fù)興時(shí)期.教學(xué)中通過生活中司空見慣現(xiàn)象的觀察，比如用力推小車，小車就動(dòng)，不推，小車就會(huì)停下來，直覺告訴我們運(yùn)動(dòng)和相互作用之間有著緊密的聯(lián)系.對(duì)靜止的物體推或拉，物體就動(dòng);停止推拉的作用，原來運(yùn)動(dòng)的物體便歸于靜止.亞里士多德觀察了大量物體的運(yùn)動(dòng)，把地球上的運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和受迫運(yùn)動(dòng).其中關(guān)于受迫運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)就是物體的運(yùn)動(dòng)要靠推、拉等外界作用來維持.

設(shè)計(jì)意圖：回顧亞里士多德的研究過程，充分肯定亞里士多德所取得的成就.首先開始了對(duì)運(yùn)動(dòng)與力的研究，并且對(duì)其研究方法（如觀察、思辨）的現(xiàn)實(shí)意義提出思考.通過亞里士多德的研究回顧，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)是不斷發(fā)展和完善的，客觀公正地評(píng)價(jià)科學(xué)家及其貢獻(xiàn).

3.1.2 伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)

伽利略提出運(yùn)動(dòng)的物體之所以停下來，不是不受力，正好相反，是因?yàn)槭艿侥Σ亮蛘呖諝?、水等流體的阻力的影響.伽利略第一個(gè)發(fā)現(xiàn)摩擦力，找到了解決問題的突破口.據(jù)此伽利略提出猜想，水平面運(yùn)動(dòng)的物體如果不受摩擦等阻力的作用，將一直運(yùn)動(dòng)下去.

為了更好地論證自己的觀點(diǎn)，伽利略設(shè)計(jì)了斜面實(shí)驗(yàn).讓一個(gè)球沿斜面滾下，在重力的作用下球的速度將增大，球沖上斜坡時(shí)，在重力作用下它會(huì)慢下來.這樣在水平面上運(yùn)動(dòng)的物體，將不加速也不減速，因?yàn)樗矫媸窍缕潞蜕掀碌闹虚g情形.如圖2所示.

為了使思路更明晰，將兩個(gè)斜面平滑地連接起來，小球可以在上面運(yùn)動(dòng).在對(duì)接斜面上鋪上瑜伽帶和濕棉布條，讓學(xué)生觀察小球在濕棉布上、瑜伽帶、金屬軌道上的運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上推理得出：如果沒有摩擦，小球?qū)⑦_(dá)到和釋放等高的位置.如圖3所示.接下來在這個(gè)推理等高的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，減小對(duì)接斜面的傾斜角，再次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步減小斜面的傾斜角，再實(shí)驗(yàn).引導(dǎo)學(xué)生觀察并推理得出：如果沒有摩擦阻力、流體阻力的影響，水平面上運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去.如圖4所示.

設(shè)計(jì)意圖：回顧伽利略的研究過程，通過觀察實(shí)驗(yàn)和推理得出如果沒有摩擦阻力、流體阻力的影響，水平面上運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去的結(jié)論.逐步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力，體會(huì)實(shí)驗(yàn)和推理的研究方法.

3.1.3 亞里士多德的研究與伽利略的研究對(duì)比

再回顧一下亞里士多德和伽利略在研究方法上的不同，亞里士多德的研究方法為“觀察”加“思辨”，而伽利略的研究方法為“實(shí)驗(yàn)”加“推理”.可以看出兩者研究方法不同，認(rèn)識(shí)層次不同，獲得的結(jié)果也不同.

設(shè)計(jì)意圖：充分肯定兩者在研究過程中所起的作用，同時(shí)體會(huì)“理想實(shí)驗(yàn)”是在真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，突出主要因素，忽略次要因素，通過抽象思維來深刻揭示自然規(guī)律的科學(xué)研究的重要方法.

3.1.4 笛卡爾的貢獻(xiàn)

與伽利略同時(shí)代的法國(guó)著名哲學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家笛卡爾也對(duì)運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系進(jìn)行了研究.他進(jìn)一步指出：如果運(yùn)動(dòng)中的物體沒有受到力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運(yùn)動(dòng)，既不停下來也不偏離原來的方向.對(duì)比笛卡爾和伽利略的觀點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生分析得出：其一，伽利略觀點(diǎn)中是一直運(yùn)動(dòng)下去，而笛卡爾進(jìn)一步明確了勻速直線運(yùn)動(dòng)下去;其二，伽利略觀點(diǎn)中的水平面在笛卡爾的觀點(diǎn)中并沒有提及，而只是說直線，沿任意方向的直線，拓寬了人們的視野.

設(shè)計(jì)意圖：介紹笛卡爾的研究成果，進(jìn)一步體會(huì)科學(xué)的研究歷程，認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì).

3.2 理解牛頓第一定律及其意義

牛頓在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上，通過自己的研究，發(fā)表了物理學(xué)哲學(xué)著作《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》，該書為經(jīng)典力學(xué)規(guī)定了一套基本概念，提出了力學(xué)三定律，從而使經(jīng)典力學(xué)成為一個(gè)完整的理論體系.該書的第一條定律寫道：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)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài).后人把該定律稱之為牛頓第一定律.牛頓第一定律雖只有短短三十幾個(gè)字，但歷經(jīng)兩千年，飽含了幾代科學(xué)家的智慧和心血.牛頓站在巨人們的肩膀上，站得更高，看得更遠(yuǎn).

3.2.1 牛頓第一定律的理解

從亞里士多德提出的推拉，再到伽利略認(rèn)識(shí)到的摩擦都是力.牛頓的高明之處在于把這些復(fù)雜多樣的相互作用抽象成了一個(gè)概念——力.力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因.描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量為速度，速度變化有快慢，用加速度來描述.所以，力是使物體產(chǎn)生加速度的原因.

慣性是物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的固有屬性.當(dāng)物體受到外力作用時(shí)，慣性的存在會(huì)阻礙物體自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化.也就是說物體具有抵抗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的本領(lǐng).不同物體抵抗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的本領(lǐng)并不相同.運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變難即本領(lǐng)大，改變?nèi)菀讋t這種本領(lǐng)小.

設(shè)計(jì)意圖：介紹牛頓的創(chuàng)新與突破，抽象出了力的概念和慣性的概念，正確評(píng)價(jià)牛頓的貢獻(xiàn).與此同時(shí)逐步培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)動(dòng)與相互作用的觀念.

3.2.2 牛頓第一定律的意義

首先，第一定律中提到的一切物體不僅包括地面上的所有物體，也包括天上的日月星辰，打破了人們?cè)械奶斓赜袆e的觀念;其次，人們以往總把“靜”和“動(dòng)”放在不同的維度，第一定律中將靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一在一起，即運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，而把運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變和不變加以區(qū)分;再次，人們以往認(rèn)為，力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，即力產(chǎn)生速度，而第一定律認(rèn)為力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因.即力產(chǎn)生加速度.通過以上分析就不難理解，人們?yōu)槭裁窗雅ｎD第一定律稱之為經(jīng)典力學(xué)的基石、人類整個(gè)自然觀的基石了.

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)一步介紹牛頓第一定律對(duì)人類自然觀的影響，分析牛頓第一定律的基石作用.通過以上介紹，培養(yǎng)學(xué)生正確的自然觀及面對(duì)科學(xué)的態(tài)度.

3.3 實(shí)驗(yàn)探究慣性與質(zhì)量的關(guān)系

慣性是物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的屬性.也可以說是物體具有抵抗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的本領(lǐng).運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變?cè)诫y，慣性越大，反之則越小.那么，如何使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變？又如何比較物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度？提供的實(shí)驗(yàn)器材有：一根彈簧，一個(gè)金屬球和一個(gè)高爾夫球，如圖5所示.引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來說明運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度與什么有關(guān).學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)有不恰當(dāng)?shù)模ū热绨褟椈闪⒃谧雷由?，把球往下壓然后釋放），有基本的（比如把兩個(gè)球放在壓縮的彈簧兩端并同時(shí)釋放），有創(chuàng)新的（比如直接讓兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的球發(fā)生碰撞），針對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和討論.最后得出慣性與質(zhì)量大小有關(guān)的結(jié)論.

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案的能力，基于證據(jù)得出結(jié)論并進(jìn)行交流、評(píng)估的能力.

3.4 提出新的問題

鐵球和高爾夫球慣性不同，質(zhì)量（m）不同，所受重力（mg）也不同.但同時(shí)釋放做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度均為重力加速度g.引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想，然后課下完成論證猜想的作業(yè).

設(shè)計(jì)意圖：把新的問題的解決作為作業(yè)，對(duì)本節(jié)課的素養(yǎng)能力要求進(jìn)行評(píng)價(jià).進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的探究能力.為下一節(jié)的教學(xué)打下伏筆.

新課標(biāo)的理念要求注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng).那么，在教學(xué)一線的實(shí)踐中如何更好地落實(shí)課標(biāo)的理念，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代和未來社會(huì)發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎(chǔ)將是一線教師必須回答的課題.在教學(xué)設(shè)計(jì)中，將不斷地用課標(biāo)引領(lǐng)我們的教育改革，通過物理教學(xué)逐步培養(yǎng)學(xué)生正確的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]林崇德.面向21世紀(jì)的學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2016.

[2]馮爽.教研員培訓(xùn)的探索與創(chuàng)新——以一次以名著閱讀為線的物理教研員培訓(xùn)為例[J].基礎(chǔ)教育課程，2020（12）：76-80.

[3]廖伯琴.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

（收稿日期：2020-11-07）