提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的教學(xué)探索
——以“牛頓第一定律”的教學(xué)為例

魯 斌 徐志長 龔長流

提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的教學(xué)探索
——以“牛頓第一定律”的教學(xué)為例

魯 斌1徐志長2龔長流1

(1. 浙江省余姚中學(xué)，浙江 寧波 315400； 2. 慈溪市慈中書院，浙江 寧波 315300)

本文以“牛頓第一定律”的教學(xué)為例,闡述在教學(xué)設(shè)計過程中如何引導(dǎo)學(xué)生提升物理核心素養(yǎng)的問題．

教學(xué)設(shè)計；物理核心素養(yǎng)；牛頓第一定律

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì),是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分．

物理學(xué)核心素養(yǎng)包括:物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個方面．在物理課堂教學(xué)中應(yīng)進(jìn)行這4個方面核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與滲透教育.

本文以“牛頓第一定律”的教學(xué)為例,介紹在教學(xué)設(shè)計過程中如何提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．

1 提出問題

實驗1:請兩位學(xué)生將放有紙杯的木板抬起,教師用空氣炮將其擊落(圖1)．

教師:紙杯為什么會運動起來?

實驗2:如何使光盤開始運動(圖2)?

這兩個實驗,使學(xué)生感覺到:物體的運動需要力的作用．

歷史回顧1:亞里士多德的貢獻(xiàn):開始研究力與運動的關(guān)系;觀點:力是維持物體運動的原因．

空氣炮擊落紙杯圖1推光盤實驗圖2

教師:生活中有什么例子和這個觀點相矛盾?

實驗3:輕推小鋼球,鋼球離開手仍能運動一段距離．

實驗4:快速推光盤,光盤離開手也仍能運動一段距離．

由這兩個實驗,引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論:物體的運動不需要力來維持．

教師:為何相同的實驗會有相反的結(jié)論?其實,伽利略也在研究這個問題．伽利略在發(fā)現(xiàn)教堂頂部吊燈擺動的幅度在減小,這究竟是什么原因引起的?

引導(dǎo)學(xué)生將注意力轉(zhuǎn)移到阻力的研究上．

2 摩擦力的影響

實驗5:將光盤、瓶蓋、氣球連在一起,并在瓶蓋上打孔(圖3)．氣球噴出形成空氣薄膜,輕推光盤,可運動很長時間．這就形成了氣墊光盤(圖4)．說明許多現(xiàn)象的差異確實是摩擦力所引起的，然后展示氣墊導(dǎo)軌實驗(原理相同,研究手段不斷提升)．

打孔的瓶蓋圖3氣墊光盤圖4

教師:如果沒有摩擦力,物體將會怎樣運動呢?這個問題,其實很難回答,因為摩擦力為0的情況,現(xiàn)實生活中并不存在．那么我們怎么去研究呢?

學(xué)生討論:類比伽利略對自由落體運動規(guī)律的研究方法．

教師:伽利略對自由落體運動的研究,關(guān)鍵在于時間測量的不準(zhǔn)確．它將重力“稀釋”,在斜面上研究小球的運動規(guī)律,并逐漸增大傾角,繼續(xù)研究其運動規(guī)律,并推理出傾角為90°時的運動規(guī)律(圖5)．

伽利略對自由落體運動的研究圖5

教師:我們可以進(jìn)行類比,設(shè)計實驗,研究有阻力時的運動規(guī)律,然后逐漸減小阻力,觀察其運動情況，并推理出沒有阻力時的運動規(guī)律．我們不妨用擺動的吊燈的物理模型——單擺進(jìn)行研究．在歷史上,伽利略也是通過擺的運動來研究力與運動的關(guān)系問題.

3 摩擦力對擺影響的研究

實驗6:這里有一個用細(xì)線連接的小球,水平線與地面平行,豎直線與之垂直(圖6)．將白板放在傾斜的畫架上,使白板平面與豎直平面呈現(xiàn)于夾角(圖7)．夾角越大,摩擦力也就越大．再將小球偏離中心軸線某一位置釋放,小球能否回到同樣的高度?

白板上的擺動實驗圖6畫架改變摩擦圖7

教師:可以發(fā)現(xiàn),小球在右邊到達(dá)的最高點低于原來的高度,為什么會產(chǎn)生這樣的結(jié)果呢?

學(xué)生:小球與白板接觸存在摩擦．

教師:如果我們控制小球的初始位置不變,減小白板平面的傾角,實驗的結(jié)果是否會有所不同呢?

進(jìn)行實驗此時,我們發(fā)現(xiàn)小球的高度增加,但還是沒有達(dá)到原來的高度．

教師:如果沒有一切摩擦,那么小球就會回到原來的高度．

實驗7:在剛才的實驗中,控制的是所用的器材和小球釋放的位置不變,改變的是摩擦力的這一變量.通過分析實驗現(xiàn)象和推理,可認(rèn)為如果小球不受任何阻力,它一定會回到原來的高度．那么,如果保持阻力為0,改變小球的軌跡,小球是否能夠回到原來的高度呢?

學(xué)生:如果沒有摩擦,根據(jù)剛才的實驗結(jié)果,小球會回到原來的高度．

對于小球的軌跡，可利用另一個擋片實現(xiàn)．將小球從同一高度釋放,在不同的擋片下,小球的軌跡不同,我們發(fā)現(xiàn),小球仍回到了原來的高度．(圖8、圖9)．

改變軌跡圖8實驗理論圖析圖9

4 學(xué)生實驗

教師:現(xiàn)在我們讓小球不在細(xì)線的拉力下運動,而是在這樣一個斜面軌道中運動,會產(chǎn)生怎樣的現(xiàn)象呢?大家可以同桌的兩位同學(xué)用書本設(shè)計成軌道,釋放小球,觀察小球的運動．

學(xué)生設(shè)計的軌道大致可概括為7種(圖10).教師按照軌道“盡量平滑、摩擦盡量小”的要求進(jìn)行點評,選出合理方案，引導(dǎo)學(xué)生按照合理的軌道進(jìn)行實驗研究．

學(xué)生設(shè)計的各種軌道圖10

實驗8:學(xué)生按照如圖11所示的書本軌道進(jìn)行實驗,得到相應(yīng)的實驗結(jié)果．

教師:其實,這就是伽利略理想斜面實驗的設(shè)計方案．剛才同學(xué)們設(shè)計、使用的軌道中摩擦較大,現(xiàn)在我們利用伽利略理想斜面實驗?zāi)M演示儀進(jìn)行研究．

從“書本軌道”到理想實驗圖11

5 伽利略理想實驗

實驗9:伽利略理想斜面實驗?zāi)M演示(圖12)．

演示伽利略理想斜面實驗圖12

(1) 利用軌道進(jìn)行實驗研究,發(fā)現(xiàn)幾乎能到達(dá)原來的高度．

(2) 利用之前的結(jié)論進(jìn)行理論預(yù)測,如果沒有摩擦,小球會回到原來的高度．

(3) 逐步減小斜面的傾角,進(jìn)行實驗和理論預(yù)測．

(4) 小球在斜面上走過的路程可表示為

如果θ減小,那么s增大(圖13)．

斜面上路程與傾角的關(guān)系圖13

(5) 如果θ趨向于0,那么s趨向于無窮大．如果沒有摩擦,小球在水平面上將永遠(yuǎn)運動下去(圖14)．

傾角為0,將永遠(yuǎn)運動下去圖14

教師:伽利略這種實驗與理論相結(jié)合的方法,開啟了物理學(xué)研究的新起點．

歷史回顧2:伽利略的貢獻(xiàn):實驗與理論相結(jié)合的研究方法．觀點:力不是維持物體運動的原因,如果物體不受摩擦力,將永遠(yuǎn)運動下去．

6 笛卡爾的貢獻(xiàn)

教師提出兩個問題:物體所受的阻力難道只有摩擦力提供嗎?永遠(yuǎn)運動下去是怎樣的運動形式?

笛卡爾:如果運動中沒有受到力的作用,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．

歷史回顧3:笛卡爾的貢獻(xiàn):進(jìn)行重要的修正．觀點:如果物體不受力,將做勻速直線運動．將力擴(kuò)充,將運動形式明確．

教師提出兩個問題:一定是勻速直線運動?萬一受力會怎樣?

實驗10:氣墊導(dǎo)軌實驗(圖15)．觀察兩個相距一定距離的光電門測得的擋光片的時間是否一致．并提問,滑塊在哪里運動狀態(tài)發(fā)生了改變,為什么?

學(xué)生:用光電門測量的時間基本一致,說明物體在不受力的情況下做勻速直線運動．物體的運動狀態(tài)在端點處發(fā)生變化,因為受到了力的作用．即力改變了物體的運動狀態(tài)．

氣墊導(dǎo)軌實驗圖15

7 牛頓第一定律

由此教師引出了牛頓第一定律:一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)．

教師:“除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)．”說明力是改變物體運動狀態(tài)的原因．

我們把“一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)”的這種性質(zhì)叫做慣性．那么,一切物體包括固體、液體,氣體．對于固體和液體的問題我們好理解,那么氣體也具有慣性嗎?

實驗11:利用電子煙產(chǎn)生煙霧,將其充入空氣炮中(圖16),關(guān)閉教室中的日光燈,采用兩盞白熾燈提供光源．發(fā)射空氣炮,即可看到明顯的煙圈(圖17)．煙圈能夠保持原來的運動狀態(tài)向前運動一段距離,說明氣體也具有慣性．

空氣炮圖16煙圈圖17

教師:既然一切物體都具有慣性,那么乒乓球、壘球、鉛球、實心球、足球、籃球、橄欖球的慣性一樣嗎?慣性的大小與什么因素有關(guān)?

要研究慣性的大小,是要研究這個物體運動狀態(tài)改變的難易程度．

實驗12:我們要研究壘球與鉛球的慣性大小,只要進(jìn)行碰撞即可(圖18)．

壘球鉛球碰撞實驗圖18

教師:質(zhì)量是慣性的量度．

歷史回顧4:牛頓的貢獻(xiàn):抓住了本質(zhì),形成了體系．觀點:一切物體都具有慣性．力是改變物體運動狀態(tài)的原因．

然后教師進(jìn)行總結(jié)回顧,簡要地梳理了這個問題在物理學(xué)史中的發(fā)展脈絡(luò)．

8 物理核心素養(yǎng)的滲透教育

8.1 關(guān)于物理觀念

“物理觀念”包括物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素．

物質(zhì)的觀念:利用生活中常用的光盤、氣球、鉛球、壘球等生活中常見的事物進(jìn)行演示實驗．在討論慣性問題時,舉例說明固體、液體、氣體都具有慣性的事實．讓物理現(xiàn)象不脫離生活,體現(xiàn)樸素的物質(zhì)觀念．

運動觀念和相互作用的觀念:從用空氣炮導(dǎo)入,說明運動狀態(tài)的改變需要力,到空氣炮進(jìn)行慣性實驗,說明物體的運動不需要力來維持,整堂課都在研究力與運動的關(guān)系．思維深度層層推進(jìn),最后抓住本質(zhì),得到結(jié)論．

能量的觀念:在伽利略的理想實驗中,小球能夠回到原來的高度,涉及到能量的守恒問題并配合“伽利略和小球之間的對話”,為后續(xù)機(jī)械能守恒定律的建立打下基礎(chǔ)(圖19)．

伽利略與小球的經(jīng)典“對話”圖19

8.2 關(guān)于科學(xué)思維

“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素．

模型建構(gòu):將吊燈抽象成單擺進(jìn)行研究．并得到合理的推論結(jié)果,使思維有所突破．將小球從同一高度釋放,觀察在不同傾角斜面上運動的學(xué)生設(shè)計實驗,抽象為伽利略理想斜面模型進(jìn)行研究．

科學(xué)推理與論證:因為摩擦力不可能為0,故沒有摩擦的情況很難分析．我們借用伽利略研究自由落體時的思路,先研究有摩擦的情形,然后使摩擦逐漸減小,觀察運動規(guī)律(圖20),之后進(jìn)過推理,得到理想條件下的結(jié)論．并通過學(xué)生自制軌道與理想實驗儀進(jìn)行論證．

小球逐漸接近原來的高度圖20

質(zhì)疑創(chuàng)新:在前人提出觀點之后,引導(dǎo)學(xué)生思考其觀點是否正確．譬如對于亞里士多德的觀點,提出質(zhì)疑:生活中有物體的運動不需要力來維持．對于伽利略的觀點,提出質(zhì)疑:提供阻力的一定是摩擦力?永遠(yuǎn)運動下去是什么運動?對于笛卡爾的觀點,提出質(zhì)疑:一定是勻速直線運動嗎?受力的情況會是如何?一次次的總結(jié),一次次的質(zhì)疑,才能將理論和方法不斷完善,得到正確的結(jié)論．分析與論證

8.3 關(guān)于實驗探究

科學(xué)探究的一般步驟包括:提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進(jìn)行實驗與收集證據(jù)、評估、交流與合作等7個步驟．在課堂有限的時間內(nèi),可以呈現(xiàn)最重要的幾個環(huán)節(jié)．

本節(jié)課的實驗探究,集中在理想實驗結(jié)論的得到上．利用氣墊光盤引入,提出物理問題:如果沒有摩擦,會產(chǎn)生什么現(xiàn)象．教師設(shè)計白板實驗．并與學(xué)生一起進(jìn)行實驗,觀察現(xiàn)象,收集數(shù)據(jù)(圖21)．先控制變量逐步減小摩擦,得到如果沒有摩擦,小球會回到原來高度的結(jié)論;再控制摩擦不變,改變小球軌跡,得到無論怎樣的軌道,小球?qū)⒒氐皆瓉淼母叨鹊慕Y(jié)論．

與學(xué)生一起合作探究圖21

在學(xué)生實驗環(huán)節(jié),充分發(fā)揮學(xué)生的想象力進(jìn)行軌道設(shè)計(圖22),并在之后的理想斜面實驗儀的演示中,結(jié)合公式進(jìn)行討論,基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋．

學(xué)生自主探究圖22

8.4 關(guān)于科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

在課程的推進(jìn)過程中,不斷完善歷史的發(fā)展成果,不斷提出新的問題,為學(xué)生呈現(xiàn)盡可能完整的發(fā)展脈絡(luò),強(qiáng)調(diào)一代代科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)格和追求真理的科學(xué)態(tài)度(圖23)．

力與運動關(guān)系研究的歷史發(fā)展脈絡(luò)圖23

在課程的素材中,滲透科學(xué)技術(shù)社會環(huán)境之間的聯(lián)系．例如從“氣墊光盤”實驗到氣墊導(dǎo)軌的使用,研究方法相似,研究手段不斷提升．在慣性教學(xué)的這一環(huán)節(jié),介紹了人類如何利用慣性和如何避免慣性,讓學(xué)生領(lǐng)悟到物理學(xué)貼近于生活并應(yīng)用于社會．

1 魯斌.控制變量法在“理想實驗教學(xué)”環(huán)節(jié)中的應(yīng)用與思考[J].物理教師,2015(11):94.

2016-11-06)