激情·探究·對話·生成——“牛頓第一定律”教學(xué)設(shè)計介紹

韋葉平

(江蘇省前黃高級中學(xué),江蘇 常州 213161)

1 設(shè)計背景

2011年10月28日,筆者應(yīng)邀參加在江蘇省天一中學(xué)舉行的全國第七屆“聚焦課堂——生長課堂”教學(xué)研討活動并開設(shè)示范課——“牛頓第一定律”.本設(shè)計從教師情感、教學(xué)方式、知識建構(gòu)、課堂實驗等方面進行了改革創(chuàng)新,受到點評專家和與會同行的肯定.

(1)學(xué)生:新課標理念是教學(xué)應(yīng)以教師為主導(dǎo),學(xué)生為主體.因此,在教學(xué)時應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和積極性;激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,營造寬松、和諧的學(xué)習(xí)氣氛;在課堂上讓學(xué)生主動參與教學(xué)過程,使學(xué)生親歷思考和探究的過程;在知識的形成、聯(lián)系、應(yīng)用過程中養(yǎng)成科學(xué)的態(tài)度、獲得科學(xué)的方法.

(2)教材:牛頓第一定律是物理學(xué)理論的支柱和基石.教學(xué)時,緊緊圍繞牛頓第一定律的產(chǎn)生過程,深入挖掘物理學(xué)史中的相關(guān)素材,將牛頓第一定律產(chǎn)生過程的幾個關(guān)鍵問題以原貌的形式展示給學(xué)生,讓他們作為各個歷史時期的“探究者”參與相關(guān)問題的討論;其次,引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會牛頓第一定律的含義,明確運動和力的關(guān)系,同時提升對力、慣性、質(zhì)量和慣性的關(guān)系等基本概念的理解.

(3)教師:本節(jié)的特點是教材內(nèi)容以大量的文字陳述,沒有涉及到數(shù)學(xué)計算,教師更要注重物理學(xué)史教育、理想化實驗思想和堅持真理、不迷信權(quán)威的科學(xué)態(tài)度的熏陶;其次,本節(jié)內(nèi)容在初中已經(jīng)了解,此時,教師除了使學(xué)生保持新鮮感,還需加大思維強度,注意知識的深化和科學(xué)研究方法、情感態(tài)度的教育,讓學(xué)生對牛頓第一定律及慣性有更深的理解.

2 教學(xué)過程

2.1 新課引入

高爾基說:“好奇是了解的開端和引向認識的途徑.”筆者用“吹乒乓球的挑戰(zhàn)”引入新課.嬌小的女生輕易可以吹動乒乓球.

教師:我施加一些魔法,有哪位男生敢于來挑戰(zhàn),將乒乓球吹得更高一些呢？高大的男生用最大的力卻也吹不動,如圖1所示.(筆者在學(xué)生無意間換成一個內(nèi)部裝滿小鋼珠的乒乓球).

學(xué)生活動.

教師:雖然挑戰(zhàn)失敗,但是敢于挑戰(zhàn)的精神是值得我們學(xué)習(xí)的.希望大家在接下來的學(xué)習(xí)中,大膽、敢于挑戰(zhàn)、敢于質(zhì)疑.

圖1

點評:既增強了課堂的氣氛,又為伽利略敢于挑戰(zhàn)權(quán)威埋下伏筆.

教師:為什么同樣施加了力,但前后兩次乒乓球的運動狀態(tài)卻不同呢？力和運動到底是什么關(guān)系呢？我們帶著這個問題學(xué)習(xí)本節(jié)課“牛頓第一定律”.

點評:設(shè)計的小游戲,學(xué)生既熟悉又好奇,帶著懸念進入新課.這樣增強了學(xué)生的求知欲望、激發(fā)了學(xué)生的探索興趣.

2.2 歷史回顧

(1)體會亞里士多德的研究方法:直觀與經(jīng)驗.

情境:馬拉雪橇(用圖片).

問題:根據(jù)生活的經(jīng)驗說明,怎樣使雪橇持續(xù)地運動？怎樣使雪橇運動得更快？

學(xué)生:力和運動關(guān)系是維持的關(guān)系.

師生活動.亞里士多德認為,力是維持物體運動狀態(tài)的原因.并簡單介紹亞里士多德的事跡與貢獻.

(2)學(xué)生參與伽利略挑戰(zhàn)權(quán)威的全過程,感受理想實驗的魅力.

情境:引導(dǎo)學(xué)生觀察生活現(xiàn)實:當一個物體沿斜面向下運動時,它的速度增大,而向上運動時,它的速度減小.

教師:大膽的猜想:當物體沿水平面運動時,它的速度應(yīng)該既不增大也不減小.

教師指出:“力不是維持物體運動的原因”,得出和亞里士多德截然不同的結(jié)論,伽利略向亞里士多德提出了挑戰(zhàn).

教師:你支持誰呢？

現(xiàn)實:即使物體沿水平面運動,速度也越來越慢,最后停了下來.

伽利略的觀點仍然占了上風(fēng),但是伽利略沒有屈服于權(quán)威,而是繼續(xù)深入的觀察和分析,尋找原因.

學(xué)生:分析原因.伽利略認為這是摩擦阻力作用的結(jié)果.

情境:表面越光滑,物體將運動得越遠.

討論:你能根據(jù)生活經(jīng)驗來幫助伽利略驗證他的觀點嗎？(請舉例說明)

問題:如果物體在更加光滑的水平面上運動,情況會怎么樣？

再次體現(xiàn)“推理”的重要思想方法,在真實實驗的基礎(chǔ)上進行合理外推.

問題:如果物體在絕對光滑(摩擦力為零)的水平面上運動,它會怎么樣呢？

產(chǎn)生經(jīng)典質(zhì)變.指出“摩擦力為零”在實際生活中很難實現(xiàn),那么我們怎樣才能證明它呢？過渡到“理想實驗”.

點評:緊扣教材人教版《物理》必修1課本第68頁,突出教材在教學(xué)中的重要地位;體會伽利略不畏權(quán)威、細致觀察、追求真理的精神;學(xué)生討論的基礎(chǔ)上,以“問題串”的形式讓學(xué)生體會物理知識由“合理外推”向“經(jīng)典質(zhì)變”的演化過程.

教師介紹理想斜面實驗并演示實驗探究過程.

①先在軌道上放一塊棉布,釋放小球,記下小球到達的位置.

②撤去棉布,從同一高度釋放小球,記下小球到達的位置.

(讓學(xué)生比較兩次高度的不同,引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論:如果忽略一切摩擦阻力,小球?qū)⒒氐降雀叩奈恢?提示學(xué)生記住這個結(jié)論.)

③減小第2個斜面的傾角,釋放小球,讓學(xué)生觀察小球在第2個斜面上移動的距離變化——為了達到等高,小球運動的路程更長了.

④繼續(xù)猜想:如果將第2個斜面的傾角逐漸減小,直到零度,會怎么樣呢？

師生活動.指出實際上軌道不可能絕對光滑,也不可能無限長,所以這也是我們在實驗基礎(chǔ)上的推理.教師和學(xué)生共同概括提升理想實驗的特點和意義:

①不是憑空捏造的實驗,它是以可靠的實驗事實為依據(jù)的.

②是一種邏輯推理活動,是人們在抽象思維中設(shè)想出來,而實際上無法做到的“實驗”.

③將實驗與邏輯推理相結(jié)合的方法有力地推動了科學(xué)的發(fā)展.這正是理想實驗的魅力所在！

愛因斯坦的評價:伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上的最偉大的發(fā)現(xiàn)之一,而且標志著物理學(xué)的真正開端.

教師:伽利略就是采用這樣的方法得出結(jié)論:物體將永遠運動下去,卻不再需要力去推動它.力不是維持運動狀態(tài)的原因,這里用的是實驗和推理的方法.

點評:筆者主要對“伽利略理想斜面實驗”在實驗器材的改進、可視性、實驗效果、啟發(fā)性等方面作了精心設(shè)計,如圖2所示.

圖2

實驗器材:彩鋼板1塊(長約150cm,寬約10cm);木地板邊線2條(長約150cm);鋼球1個(直徑約2cm);棉布1塊(長約160cm,寬約6cm);書立2個(高約19cm);攝像頭1個(大約130萬像素)等.

實驗優(yōu)勢:彩鋼板的韌性適中,斜面的傾斜角可以任意調(diào)節(jié);2條邊線組成軌道,減小了摩擦力;利用豎立等高的特點規(guī)定了小球運動的等高線;攝像頭將實驗過程同時放大在屏幕上,現(xiàn)象明顯直觀,效果很好.此實驗得到點評專家的高度評價.

(3)笛卡爾的貢獻:補充完善.

法國科學(xué)家笛卡兒指出:如果運動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動,既不停下來也不偏離原來的方向.(明確勻速直線運動;指出了勻速直線運動的條件.)

2.3 牛頓的貢獻:形成體系

牛頓在伽利略和笛卡兒等人的工作基礎(chǔ)上,提出了動力學(xué)的一條基本定律.

牛頓第一定律:一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài),除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài).(引導(dǎo)學(xué)生分段解析,幫助理解)

現(xiàn)場贈書《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》,并介紹牛頓關(guān)于運動的3條定律和《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書的價值.

師生活動.

(1)對牛頓第一定律的理解.(以下內(nèi)容都由教師引導(dǎo)學(xué)生回答)

后半句話的意義——力是改變物體運動狀態(tài)的原因,而不是維持物體運動狀態(tài)的原因.

討論:哪些情景說明物體的運動狀態(tài)發(fā)生了改變？

總結(jié):運動狀態(tài)由速度決定,速度發(fā)生了變化,就說物體的運動狀態(tài)發(fā)生了變化.(注意:速度是一個矢量.)

指明:力是改變速度的原因.(引導(dǎo)學(xué)生看課本第68頁中的小字內(nèi)容,體會“牛頓的高明”——提出了重要的科學(xué)概念“力”.)

(2)慣性的溫故而知新.

前半句話的理解——慣性:物體具有保持原來靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì),我們把這個性質(zhì)叫慣性.

教師:哪些物體具有慣性？在什么時候具有慣性？(請舉例說明)

教師:既然生活中一切物體,任何狀態(tài)下都具有慣性,你能不能舉例說明哪些現(xiàn)象體現(xiàn)了慣性？

討論:我國《道路交通安全法》的規(guī)定,在小型車輛前排乘坐的乘客必須系好安全帶,為什么要這樣規(guī)定？

視頻:讓我們來看一看司機朋友和警察叔叔是怎么講的.

教師:大家再來思考:慣性是物體具有保持原來靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì),其中的關(guān)鍵詞是“保持”,而力又是改變物體運動狀態(tài)的原因.慣性和力是一對矛盾統(tǒng)一體,那我們是不是可以這樣理解慣性:慣性是物體抵抗運動狀態(tài)變化的本領(lǐng).本領(lǐng)有大小,那慣性有大小嗎？

學(xué)生:設(shè)計小實驗或列舉生活中的實例,說明質(zhì)量越大,慣性越大.

教師:展示上課前學(xué)生吹的乒乓球,挑戰(zhàn)失敗的男生體會兩個球質(zhì)量的差異,解釋為什么質(zhì)量大,難以吹動？

教師進一步實驗:輕的乒乓球撞重的乒乓球,觀察并解釋現(xiàn)象.

學(xué)生:分組實驗.引導(dǎo)學(xué)生做“單手撕紙條競賽”,如圖3所示.主要流程是:引起思維沖突(筆者捏住A處甩紙片,很難將紙條B甩斷.)→學(xué)生分組實驗(要求:用最省力的方式,最快速度將A與B甩斷.)→分析總結(jié)→拓展延伸(用鐵夾夾住B處,有異曲同工的效果.)

圖3

總結(jié):質(zhì)量是慣性大小的唯一量度.

點評:時刻關(guān)注教材的圖片及說明,滲透人文精神的教育;注意前后呼應(yīng),用所學(xué)知識解決問題,如“吹乒乓球的挑戰(zhàn)”;由安全帶的使用體現(xiàn)生命教育:珍愛生命、遵守法律、尊重科學(xué);設(shè)計新穎的分組實驗“單手撕紙條競賽”,全員參與、氣氛活躍,課堂進一步升華.

教師:這些小實驗是不是都很簡單而且很巧妙??？生活中,還有哪些體育娛樂項目體現(xiàn)了質(zhì)量和慣性之間的這種關(guān)系嗎？

教師引導(dǎo):為什么乒乓球做得質(zhì)量比較小,保齡球的質(zhì)量比較大？(展示圖片)

學(xué)生:質(zhì)量越大,慣性就越大,保持原來運動狀態(tài)的“本領(lǐng)”越大,運動狀態(tài)越難改變.質(zhì)量越小,慣性就越小,保持原來運動狀態(tài)的“本領(lǐng)”就越小,運動狀態(tài)就容易改變.

教師:生活中像這樣的事例還很多,可見,牛頓把慣性作為一個科學(xué)概念提出的重要性,牛頓第一定律也叫慣性定律.同學(xué)們在課后可以繼續(xù)體會.

2.4 課堂小結(jié)

師生活動:牛頓第一定律我們初中已經(jīng)學(xué)過,現(xiàn)在我們又學(xué)了一遍,那么,你這節(jié)課學(xué)習(xí)了哪些內(nèi)容？

點評:這個環(huán)節(jié)是本節(jié)課畫龍點睛之筆,通過學(xué)生自由舉手回答,基本概括了本節(jié)課所有知識點、科學(xué)精神和思想方法,如圖4所示.

圖4

3 教學(xué)反思

3.1 關(guān)于知識與技能

筆者認為物理學(xué)史的介紹是本節(jié)課的重點之一,特別是對伽利略理想斜面實驗的理解以及實驗的設(shè)計、改進、探究過程、分析引導(dǎo)、得出結(jié)論等科學(xué)探究思想是這堂課的一個亮點;對牛頓第一定律的理解和應(yīng)用是本節(jié)內(nèi)容的另一個重點和難點.通過以上內(nèi)容的學(xué)習(xí)使學(xué)生知道理想實驗的實驗基礎(chǔ)、推理過程和對推斷結(jié)果的分析,以及培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際,靈活運用所學(xué)知識的能力.

3.2 關(guān)于過程與方法

通過學(xué)生對歷史演變過程的“親身”參與,培養(yǎng)學(xué)生在實驗的基礎(chǔ)上通過推理得到結(jié)論的方法以及深度分析、思考問題的能力,使學(xué)生受到科學(xué)方法論的教育.

教學(xué)形式上,筆者注重“以趣促學(xué)”,用最簡單的器材完成最有說服力的創(chuàng)新實驗,如“吹乒乓球的挑戰(zhàn)”、“單手撕紙條競賽”等,為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了生動的物理學(xué)習(xí)情境;同時,在演示實驗中教師提供示范,培養(yǎng)了學(xué)生良好的實驗技能和實驗作風(fēng).教學(xué)內(nèi)容上,筆者注重知識的首尾呼應(yīng),體現(xiàn)物理源于生活,回歸生活的特征;精心處理課堂預(yù)設(shè)與生成的關(guān)系,特別善于抓住與學(xué)生“對話”過程中的有用資源并與之產(chǎn)生思維碰撞,達到深入理解知識,應(yīng)用知識的目的.

3.3 關(guān)于情感、態(tài)度與價值觀

通過對物理學(xué)史的簡介,對學(xué)生進行嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度的教育;了解人類認識事物的曲折性,感受科學(xué)之美;培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑、堅持真理的科學(xué)探究和創(chuàng)新精神.筆者借助豐富的人文修養(yǎng)和知識儲備,以激情飽滿的姿態(tài)吸引學(xué)生,誘導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí);不斷為學(xué)生設(shè)置成功的臺階,讓學(xué)生體會成功的喜悅及運用物理知識解決實際問題的成就感.特別值得一提的是,筆者在傳授物理知識的過程中滲透德育,如通過了解《道路交通安全法》,培養(yǎng)學(xué)生珍愛生命、遵守法律、尊重科學(xué)的健康心理.

當然,本節(jié)課還有一些地方需要深思或改進,如教師的提問能否在考慮學(xué)生最近發(fā)展區(qū)的基礎(chǔ)上更加有深度;能否體現(xiàn)現(xiàn)代科技對物理教學(xué)的輔助作用,如氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字毫秒儀、光電門等傳感器的使用,進一步使課堂教學(xué)得到升華.