為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)而教
——例談牛頓第一定律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

許 志

(南京市教學(xué)研究室，江蘇 南京 210001)

為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)而教
——例談牛頓第一定律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

許 志

(南京市教學(xué)研究室，江蘇 南京 210001)

義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)在課程性質(zhì)中指出:物理學(xué)不僅含有人類探索大自然的知識成果,而且含有探索者的科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神等．本文以蘇科版物理8年級下冊第9章第2節(jié)“牛頓第一定律”的教學(xué),談?wù)勗谡n堂教學(xué)中如何落實(shí)這一課程性質(zhì),以期達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的．

科學(xué)思想； 科學(xué)方法； 科學(xué)態(tài)度； 科學(xué)精神

在一次師生交流活動(dòng)中,教師提出了這樣一個(gè)話題:兩個(gè)蘋果一重一輕,學(xué)生們有什么簡單的方法能夠區(qū)分他們呢?有不少學(xué)生提出這樣一種方法,將兩個(gè)蘋果從同一高度釋放,先落地的蘋果重,后落地的蘋果輕．學(xué)生為什么會(huì)有這樣的想法,引起筆者深入的思考,在物理學(xué)發(fā)展史中,關(guān)于力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的認(rèn)識經(jīng)歷過漫長的認(rèn)知過程,物體的運(yùn)動(dòng)需要力來維持,這樣的錯(cuò)誤觀點(diǎn)在一般人的思維中根深蒂固．為此,在初中物理教學(xué)中,要使學(xué)生真正理解力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,處理好牛頓第一定律的教學(xué)非常重要,尤其是處理好該內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．以下是筆者執(zhí)教本節(jié)課的一些體會(huì),與各位同行分享．

1 討論“對話”,提煉科學(xué)思想

關(guān)于力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的認(rèn)識,亞里士多德的觀點(diǎn)(物體的運(yùn)動(dòng)需要力來維持)統(tǒng)治了2000多年,為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的狀況?主要是這樣的觀點(diǎn)比較符合人們平時(shí)的生活經(jīng)驗(yàn)．為此在“牛頓第一定律”的課堂教學(xué)中,我們首先要把握教材,理解教材的編寫意圖,提煉科學(xué)思想．教材中有小明和小華的一段對話，如圖1所示:

圖1

你贊成小明和小華的觀點(diǎn)嗎？

課堂教學(xué)中,通過分析小明和小華的對話,要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到由生活現(xiàn)象到結(jié)論判斷,往往具有片面性,甚至有些觀點(diǎn)還是錯(cuò)誤的．教材中小明的話“靜止的小車,如果不去推它,它就不會(huì)運(yùn)動(dòng)”是一種對生活現(xiàn)象的描述,同樣小華的話“風(fēng)吹樹搖,風(fēng)停樹靜”也是對生活現(xiàn)象的描述,但是他們根據(jù)現(xiàn)象所下的結(jié)論就值得推敲了．請看以下的師生對話:

師:小明和小華對生活現(xiàn)象的描述正確嗎?

生:正確.

師:根據(jù)現(xiàn)象他們所得的結(jié)論正確嗎?

生:好像是對的.

師:生活中你們還能舉出一些類似的經(jīng)歷嗎?

生:……

師:如果說“沒有力的作用,物體就不能運(yùn)動(dòng)”這個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的,你能通過實(shí)驗(yàn)來證明嗎?

生:要找到一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,即物體不受力的作用,但物體在運(yùn)動(dòng)．

師:很好,同學(xué)們能設(shè)計(jì)出這樣的實(shí)驗(yàn)嗎?

分析:“物體不受力的作用,但物體在運(yùn)動(dòng)”,如果能找到這樣的實(shí)例,就可以說明,物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持,明確這一點(diǎn),正是科學(xué)思想的體現(xiàn)．學(xué)生通過討論,發(fā)現(xiàn)這樣的實(shí)驗(yàn)很難設(shè)計(jì),因?yàn)樯钪形矬w不受力的情況實(shí)際不存在,至此,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)遇到了困難,怎么解決這個(gè)問題呢?

2 明確思路,理解科學(xué)方法

教材中安排了一個(gè)實(shí)驗(yàn),具體內(nèi)容如圖2所示.

教材中為什么安排這個(gè)實(shí)驗(yàn),不少教師在備課時(shí)缺乏深入的思考,往往直接呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn),這樣的教學(xué)導(dǎo)致學(xué)生對這個(gè)實(shí)驗(yàn)的理解是“知其然而不知其所以然”．以下是筆者在教學(xué)中對這個(gè)實(shí)驗(yàn)的處理:

圖2

師:同學(xué)們能設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明:物體不受力但物體在運(yùn)動(dòng)嗎?

生:好像有困難.

師:同學(xué)們,科學(xué)家在研究力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系時(shí),和你們一樣,也遇到了這樣的困難,那么,科學(xué)家是如何解決這個(gè)問題的呢?

生:處于沉思中.

圖3 聲音能在真空中傳播嗎

師:(啟發(fā))看到圖3所示這幅圖片,能對同學(xué)們實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)有所幫助嗎?

師:在研究聲現(xiàn)象時(shí),我們想研究真空是否能傳聲,絕對的真空,我們做不到,但是我們可以使實(shí)驗(yàn)條件向真空逼近,通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來推測真空能否傳聲．現(xiàn)在物體不受力的情況我們做不到,但我們能不能模仿這個(gè)實(shí)驗(yàn)的做法呢?

生:可以使物體受到的力越來越小,根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來推測物體最終在不受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況.

師:講得好,使物體“受力越來越小”的過程與“真空不能傳聲”實(shí)驗(yàn)中的“抽氣”過程是“等效”的,這就是科學(xué)家經(jīng)常運(yùn)用的一種科學(xué)的思維方法,同學(xué)們想一想,我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)?

生:可以選擇一個(gè)斜面,讓物體從斜面上滑下,通過水平面上時(shí),不斷改變阻力的大小,看物體最終運(yùn)動(dòng)情況的變化趨勢．

分析:以上教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是讓學(xué)生初步經(jīng)歷研究的困難并體會(huì)物理學(xué)研究問題科學(xué)方法的重要性．這樣的教學(xué)使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?同時(shí)實(shí)驗(yàn)器材也是學(xué)生自己設(shè)計(jì)出來的,這比教師直接展示實(shí)驗(yàn)器材,教學(xué)效果要好的多．

3 展示交流,培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,進(jìn)行科學(xué)推理是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度的有效途徑．學(xué)生在完成圖2實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,如何讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的精髓,筆者的思考是變“抽象思維”為“形象思維”,具體方法是通過“舉旗定位”的方法幫助學(xué)生理解“牛頓第一定律”．具體做法如下:

師:請同學(xué)們匯報(bào)一下實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并將結(jié)論填寫在表1所示表格中.

表1

分析:完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)對學(xué)生難度并不大,學(xué)生大多能得到結(jié)論:阻力越小,小車運(yùn)動(dòng)的路程越遠(yuǎn)．問題是如何進(jìn)一步深入引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行推論,即小車不受力的作用時(shí),小車會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)呢?

師:請同學(xué)們觀察圖4,如果我把同學(xué)們剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象用一面小旗來形象表示小車最后停止的位置,那么請同學(xué)們想一想,如果圖中a、b、c3個(gè)位置分別是小車在棉布、木板和玻璃板表面上最后停止的位置,那么同學(xué)們想一想,如果將接觸面再換成比玻璃板更光滑的水平面,那么,小車從A點(diǎn)滑下后,最終會(huì)停在何處?請哪位同學(xué)上來將小旗d插在小車最后所停的位置．

(2) 根據(jù)配變與分支線的關(guān)聯(lián)關(guān)系,取回該分支線下的所有配變以及分支線開關(guān)的狀態(tài),判斷是否為單臺配變故障;

圖4

生:將d小旗插在c小旗后面更遠(yuǎn)的某一地方

師:請同學(xué)們再展開自己的想象能力,如果接觸面沒有摩擦,那么小車再次從A點(diǎn)滑下后,最終會(huì)停在何處?請一位同學(xué)上來用e小旗來表示小車最后停止的位置.

學(xué)生1:手拿小旗上講臺后,面有難色,同時(shí)試圖在d小旗后找到一個(gè)合適的位置.

學(xué)生2:建議講臺上的學(xué)生到門外去找地方(其它學(xué)生一起發(fā)笑).

學(xué)生3:會(huì)停在很遠(yuǎn)的地方.

學(xué)生4:停不下來.

學(xué)生5:一直運(yùn)動(dòng)下去.

師:以上5位學(xué)生的表述,我們能否表述得再準(zhǔn)確一些呢?大家討論一下.

生:小車一直做勻速直線運(yùn)動(dòng).

師:很好,這正是牛頓第一定律所涉及的部分內(nèi)容,同學(xué)們通過自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得到這樣的結(jié)論真是很棒!

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,最終正確表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)論對提高學(xué)生科學(xué)的表述能力,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度很有幫助．本節(jié)課在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,筆者設(shè)想了如下環(huán)節(jié),讓學(xué)生在以下空格中自由填空:

英國著名物理學(xué)家牛頓在伽利略等科學(xué)家研究的基礎(chǔ)上，對大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行深入研究，總結(jié)出一條定律：一切物理，有沒有受到力的作用時(shí),____________________________．

分析:學(xué)生所寫的答案大多是勻速直線運(yùn)動(dòng)．在此基礎(chǔ)上,筆者再引導(dǎo)學(xué)生看書分析學(xué)生自己的表達(dá)和課本的表述有哪些不同的地方,結(jié)果學(xué)生發(fā)現(xiàn)牛頓第一定律還分析了物體靜止的狀態(tài),即原來靜止的物體,如果不受外力作用還保持靜止?fàn)顟B(tài)．讓學(xué)生根據(jù)自己的理解先填空,再對照課本分析“自我表述”和“教材表述”的不同之處,實(shí)際上也是培養(yǎng)學(xué)生的文本閱讀能力．在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,學(xué)生最終能科學(xué)表述實(shí)驗(yàn)的結(jié)論,這一過程也體現(xiàn)了對學(xué)生科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)．

4 精心設(shè)問,培養(yǎng)科學(xué)精神

為了活躍課堂氣氛,下課前我還精心設(shè)計(jì)了4個(gè)問題,引發(fā)學(xué)生做進(jìn)一步思考．設(shè)計(jì)的問題如下:

問題1:如圖5所示,操場上,學(xué)生們正在上體育課,有的在跑步、有的在跳高、有的在跳遠(yuǎn)、教師站在地上休息……如果此時(shí),忽然一切外力消失了,他們會(huì)怎樣呢?

圖5

分析:學(xué)生針對以上問題熱烈討論,教學(xué)效果很好．通過對教師(原來是靜止的)和學(xué)生(原來是運(yùn)動(dòng)的)在外力消失后的情景分析,充分體會(huì)牛頓第一定律,特別是討論到原來跳高的學(xué)生在半空中突然外力消失時(shí)的情景,學(xué)生們暢所欲言,對保持勻速直線運(yùn)動(dòng)的理解比較深刻．即在空中某位置外力突然消失時(shí),該學(xué)生應(yīng)該沿外力突然消失時(shí)的瞬時(shí)速度方向做勻速直線運(yùn)動(dòng),這個(gè)速度的方向可以是斜向上(到達(dá)最高點(diǎn)前)、也可以是水平的(到達(dá)最高點(diǎn))、也可以是斜向下(到達(dá)最高點(diǎn)后)．此時(shí),我們再出現(xiàn)練習(xí)2和練習(xí)3幫助學(xué)生來鞏固對牛頓第一定律的理解．

問題2:如圖6所示是空中飛行的足球,若它所受的力全部消失,它一定沿水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)?你同意這樣的觀點(diǎn)嗎?請做出評價(jià)．

圖6圖7

問題3:如圖7所示,木塊從斜面上A處由靜止滑下,經(jīng)過水平木板表面上的B處,最終停在C處．畫出木塊在B處時(shí)水平方向的受力示意圖．

分析:由于本節(jié)課設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)小車是在水平面上運(yùn)動(dòng)的,所以有部分學(xué)生容易產(chǎn)生物體受到的外力一旦消失,物體總是沿水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)的“慣性思維”．問題2的設(shè)計(jì)有助于學(xué)生克服這一慣性思維．在問題3中,有部分學(xué)生認(rèn)為物體在水平方向還受到一個(gè)向右的作用力,這是因?yàn)椴簧賹W(xué)生總有“物體的運(yùn)動(dòng)需要力來維持”的慣性思維,認(rèn)為物體在B位置在向右運(yùn)動(dòng),所以一定還受到一個(gè)向右的作用力．看來對運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的認(rèn)識不是一步就能到位的,希望通過我們的教學(xué)能夠“震撼”學(xué)生頭腦中一些錯(cuò)誤的前概念．

值得一提的是,在本節(jié)課最后的總結(jié)階段,筆者又畫龍點(diǎn)睛,提出以下問題供學(xué)生討論,將本節(jié)課推向高潮．

問題4:今天我們研究了牛頓第一定律,同學(xué)們,如果你是牛頓,你認(rèn)為牛頓第二定律的研究方向可能是什么內(nèi)容?

生1:第一定律研究的是物體靜止和勻速運(yùn)動(dòng)的情況,第二定律可能要研究物體做加速運(yùn)動(dòng)的情況.

生2:第一定律研究的是物體不受力的情況,第二定律可能要研究物體受力的情況.

生3:……

分析:有的學(xué)生從運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行推測,有的學(xué)生從受力情況進(jìn)行推測．這樣的思維能力培養(yǎng)對學(xué)生終身受益．

教師:通過今天的學(xué)習(xí),你最大的收獲是什么?請用一句話加以概括．

生1:由生活現(xiàn)象憑感覺所作出的判斷不一定可靠.

生2:在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行推理是一種科學(xué)的思維方法.

生3:我覺得今天自己的想象力得到了發(fā)展.

分析:以上4個(gè)問題的設(shè)計(jì)和師生交流的過程,對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神很有幫助．

以上是筆者執(zhí)教的一堂“牛頓第一定律”的教學(xué)體會(huì),這節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)充分考慮到對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)．在一次由國際上組織的青少年科技活動(dòng)中,有20多個(gè)國家參加了這項(xiàng)活動(dòng).有數(shù)據(jù)顯示,中國學(xué)生的想象力是倒數(shù)第一.這不能不引起我們教育工作者的重視,創(chuàng)新能力是一個(gè)名族不竭的動(dòng)力,讓我們共同努力,為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)而教．

1 袁媛，朱寧波.我國科學(xué)素養(yǎng)教育的熱點(diǎn)主題及演進(jìn)研究[J].物理教師，2015(4)：2-5.

2 葉慶.落實(shí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能 提高學(xué)生物理科學(xué)素養(yǎng)[J].物理教師，2014(2)：37-39.

2016-12-02)