基于“問題引導”的牛頓第一定律教學設計*

馬 劍

(江蘇省南京市第九中學，江蘇 南京 210018)

基于“問題引導”的牛頓第一定律教學設計*

馬 劍

(江蘇省南京市第九中學，江蘇 南京 210018)

筆者采用問題引導、探究教學與物理學史教學兩者相結合的方式，將人類數(shù)千年來關于“力與運動關系”的探究歷程飽滿、生動地呈現(xiàn)在課堂教學中，引領學生身臨其境，體驗牛頓第一定律的建立過程.

問題引導；牛頓第一定律；教學設計

牛頓第一定律破除了人類長達近兩千年對運動和力關系的錯誤認識，改變了人類的自然觀和世界觀，在科學發(fā)展的過程中扮演著極其重要的角色.在初中階段的學習中，學生除了“慣性與質(zhì)量”這一問題沒有專門學習外，關于本節(jié)的其他知識都有了大致的了解.但是學生只是簡單地知道亞里士多德的觀點是錯的，認為伽利略做了個理想實驗就得出了牛頓第一定律，程式化地解答相關實際問題.筆者運用問題引導學生進行思考、觀察、討論、歸納、推理，幫助學生糾正一些片面的觀點，進一步深化和提高對相關問題的認識.

1 設置情境，引入課題

師：蘆葦在風中擺動、江水咆哮著奔向遠方、鳥兒在空中飛翔、太陽每天都從東邊升起從西邊落下(如圖1).物體為什么會做這樣或那樣的運動呢？

圖1

生：是力的作用.

師：你是如何知道是力的作用的？

說明：設計該問題并不是真正要學生回答，而是引發(fā)學生思考，激發(fā)求知的欲望.

師：早在2300多年前，古希臘先哲亞里士多德就提出了這個問題，并進行了思考.他通過觀察發(fā)現(xiàn)：要使一個物體運動，必須推它或者拉它.用今天的觀點來看，就是與力有關.他還進一步指出：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.亞里士多德的觀點為：力是維持物體運動的原因.

說明：回顧歷史可以讓學生更為客觀地了解亞里士多德，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題理應值得我們欽佩，以更為全面地了解科學的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展.“運動需要力來維持”與大量的“事實”一致，再加上早期人類依靠直覺和思維進行科學研究，這些都是直接影響科學突破的關鍵，同樣也凸顯伽利略勇于批判、敢于探索的品質(zhì).

師：運動需要力來維持嗎？

說明：學生從初中就了解“力不是維持物體運動原因”這個結論，因此這里不需要再設計實驗.該問題的設計只是為下一個問題創(chuàng)設臺階.

師：你是如何知道“力不是維持物體運動的原因”的？

說明：其實學生是從書本或教師傳授中得知“力不是維持物體運動的原因”，但對科學研究歷程并不了解.在此借助這個問題引入本課的主題——運動與力的關系.

2 新時代處理“老”問題

師：請同學們根據(jù)生活經(jīng)驗回答下列問題：如圖2所示，有一小鐵球沿斜面下滑，運動速度將如何變化？如果小球沿斜面上滑，運動速度又將如何變化？聯(lián)系上面兩種情況，我們能猜想到什么？

圖2

說明：這里并沒有直接提出“在光滑水平面上物體將如何運動”的問題，其目的在于讓學生學會通過邏輯推理，進行合理的科學猜想.

師：“物體在水平面上運動速度將不增不減”，這與實際情況相符合嗎？你覺得是什么原因?qū)е碌模?/p>

生：與實際情況不符合.即使物體沿水平面運動，也會停下來，這是摩擦力作用的結果.

師：那如果物體沿著光滑水平面運動，它是否會永遠運動下去？

說明：學生直覺上會認為物體在光滑水平面上的運動是勻速運動，物體肯定會永遠運動下去.但該問題的設計，就是讓學生反思自己得出結論的依據(jù).

師：能通過實驗來證明嗎？

教師通過問題，引導學生探究.

(1) 先讓小車在墊有毛巾的水平面上滑動，接著撤除毛巾，讓小車在較為光滑的平面運動(如圖3)，隨著接觸面粗糙程度的減小，可以觀察到小車滑行的距離在增大.

圖3

(2) 隨著科學技術的發(fā)展，可以借助氣墊導軌來進一步減小接觸面的粗糙程度，創(chuàng)設幾乎光滑的環(huán)境，讓學生觀察滑塊在氣墊導軌上的運動(如圖4).

圖4

師：如果氣墊導軌足夠長，滑塊是不是就會一直運動不停止？

生：通過比較滑塊通過光電門的時間，可以判斷滑塊在做勻速直線運動.如果導軌足夠長，滑塊會一直運動不停止.

說明：這個問題是在實驗歸納的基礎上進一步提出的，表明我們無法找到?jīng)]有阻力的空間，也無法用實驗直接去驗證我們的假設.

師：該實驗能否說明“運動不需要力來維持”？

生：從實驗可以看出，在其他條件相同的情況下，摩擦越小，物體滑行的水平距離就越大.因此可以推斷，如果沒有摩擦，物體將永遠不會停止.

說明：該實驗就是對“伽利略關于運動思考過程”的一次再現(xiàn)，體現(xiàn)出物理教學的與時俱進.讓學生經(jīng)歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用合理外推的方法研究物理問題，揭示事物的本質(zhì).

3 再現(xiàn)經(jīng)典，還原探究歷程

伽利略對亞里士多德“力是維持物體運動的原因”提出了質(zhì)疑，并提出了“如果物體不受摩擦力作用，將永遠運動下去”的假設.為了說明他的思想，設計了如圖5所示的實驗.

圖5

教師演示實驗：將小球在斜面上某一位置無初速度釋放，請同學們注意觀察小球所能達到的高度.

實驗現(xiàn)象為：小球沿一個斜面從靜止狀態(tài)開始向下運動，接著“沖”上了另一個斜面，末位置的高度相比釋放高度略低.

師：伽利略結合科學研究與科學思維，認為如果沒有摩擦，小球?qū)⑸仙皆瓉淼母叨?如果減小另一斜面的傾角，小球的運動情況會如何變化？

生：小球依然會到達同一高度，但會運動得更遠.由此可以外推：如果把另一個斜面放平，小球?qū)⒂肋h地運動下去.這也就表明運動不需要力來維持.

說明：伽利略是近代科學的奠基者，他創(chuàng)立了科學的受控實驗方法，以可靠的事實為基礎，經(jīng)過抽象思維，抓住主要因素，忽略了次要因素，從而更深刻地反映了自然規(guī)律.他在科學方法論以及運動學、動力學方面的成就，對牛頓的總結有著直接的影響.他對亞里士多德運動和力的觀點提出質(zhì)疑，并指出：任何速度一旦施加給一個運動著的物體，只要除去加速或減速的外因，此速度就可保持不變，不過這是只能在水平面上發(fā)生的一種情形.

4 站在巨人的肩膀上

接著讓學生閱讀課外材料：從笛卡爾到牛頓，科學巨匠對“力與運動關系”認識的歷程.

師：笛卡兒關于運動和力的觀點是什么？

生：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，既不會停下來也不偏離原來的方向.

師：牛頓第一定律與伽利略、笛卡兒的說法有什么區(qū)別？

生：伽利略對物體不受外力時的運動作了準確的描述，但他沒有明確指出運動和力的關系，笛卡兒在伽利略的基礎上更進一步，牛頓在前人工作的基礎上，講清了力是改變運動狀態(tài)的原因，并不是維持運動狀態(tài)的原因.

師：閱讀完這段材料，同學們有些什么感想？

生：任何科學發(fā)現(xiàn)都是需要經(jīng)過數(shù)代人的不懈努力與堅持.科學家們創(chuàng)造性的思維品質(zhì)和敢于質(zhì)疑、堅持真理的精神值得我們學習.

5 小結

本節(jié)的探究實驗體現(xiàn)了高中物理教學的與時俱進，結合物理學史客觀地還原人類的探究歷程，幫助學生糾正一些片面、不恰當?shù)恼J識，力圖在有限的課堂教學時間里，引領學生身臨其境，體驗牛頓第一定律的建立過程，培養(yǎng)學生獨立思考、自主探究等能力.

[1] 徐玲，郭懷中.從伽利略實驗方法創(chuàng)立談培養(yǎng)學生科學素質(zhì)[J].物理教學，2013，(3).

[2] 馬劍.“問題串”在靜摩擦力教學設計中的應用[J].物理之友，2016，32(8).

*本文為南京市玄武區(qū)2016年度教育科學教師個人課題“高一物理概念教學中‘問題串’課堂教學模式”的研究成果.