初中物理實驗選材順序的研究及啟示①
——以“探究阻力對物體運動的影響”為例

(江蘇省南京市溧水區(qū)第一初級中學(xué)，江蘇 南京 211200)

筆者在進行“探究阻力對物體運動的影響”實驗教學(xué)時，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對該實驗中“在水平面鋪設(shè)不同材料(棉布、木板、玻璃板)的先后順序”這一問題認識不清，命制了一道測試題作調(diào)查，分析學(xué)生出現(xiàn)的思維偏差，提出實驗教學(xué)的一些想法。

1 試題調(diào)查

圖1

試題:如圖1所示，在“探究阻力對物體運動的影響”實驗中，為了改變阻力。小華認為選用的水平面材料應(yīng)該依次是：棉布、木板、玻璃板；小明認為選用的水平面材料應(yīng)該依次是：玻璃板、木板、棉布；小強認為這三種材料可以按照任意順序進行實驗。你贊成誰的觀點？說出你的理由。

解析：本試題的邏輯推理思路是：選用的水平面材料依次是棉布、木板、玻璃板，水平面越來越光滑，小車從同一斜面、同一高度自由滑下，在水平面運動的路程越來越遠，小車的速度減小得越來越慢。接著進行理想化推理，由三種特殊情況變成理想情況：當(dāng)水平面(無限長)絕對光滑(不受阻力)時，小車將永遠運動下去(做勻速直線運動)。進而進一步推理：由“小車”到“一切物體”，由“水平面不受力”到“不受任何力”的情況，物體總是做勻速直線運動。最后進一步結(jié)合物理學(xué)史把這條“力與運動”的規(guī)律補充完善，得出著名的牛頓第一定律。

該試題源自蘇科版初中物理八年級下冊教材，對九年級1班學(xué)生在第一學(xué)期初用5分鐘答題時間進行抽樣調(diào)查，結(jié)果分析如表1所示。

表1

錯誤分析：只選小強的同學(xué)在學(xué)習(xí)中缺乏邏輯條理性；只選小明的同學(xué)僅意識到實驗?zāi)康谋旧怼疤骄孔枇ξ矬w運動的影響”，認為阻力越大，小車運動速度減小得越快，即阻力對物體運動的影響越大；同時選小華和小明的同學(xué)，在學(xué)習(xí)中具有一定的邏輯條理，但缺乏“進一步”(由粗糙到光滑)的推理意識?？傊贿x小華的同學(xué)是沒有真正認識到本實驗的探究意圖，沒有注意到本實驗的最終目的是將水平面由粗糙到絕對光滑的情況進行理想化推理，進而得出牛頓第一定律。

原因分析：近一半的學(xué)生雖然已經(jīng)學(xué)習(xí)探討過這一實驗，但仍缺乏分析歸納與推理思維能力，對教材的教學(xué)設(shè)計沒有真正理解。正因為學(xué)生在生活中欠缺這種理性的分析與推理能力，反而具有與之相悖的錯誤的生活經(jīng)驗(有力就運動，沒有力就不運動)，所以主要還要靠教師的引導(dǎo)與解讀，以及學(xué)生自身的領(lǐng)悟與糾錯。

2 教學(xué)啟示

2.1 認清學(xué)生的問題

初中生的頭腦里存在大量的前概念，在遇到問題時，他們經(jīng)常用日常概念代替科學(xué)概念。筆者曾經(jīng)問過學(xué)生：兩個蘋果一重一輕，有什么簡單的方法能夠區(qū)分他們呢？有不少學(xué)生贊同這樣一種方法：將兩個蘋果從同一高度釋放，先落地的蘋果重，后落地的蘋果輕。持有這種想法的人，主要是因為這樣的觀點比較符合人們平時的生活經(jīng)驗。在物理學(xué)發(fā)展史中，關(guān)于力和運動關(guān)系的認識經(jīng)歷過漫長的過程，物體的運動需要力來維持的錯誤觀點在有些人的觀念中根深蒂固。

2.2 厘清教與學(xué)的思路

2.2.1 簡介物理學(xué)發(fā)展史

關(guān)于運動與力的探討是人類認識自然的重要過程，見證了由錯誤到正確的觀念轉(zhuǎn)變。從公元前5世紀的德謨克利特、伊壁鳩魯?shù)牟孪?，到公元?世紀希臘哲學(xué)家亞里士多德指出：力是維持物體運動的原因。對此結(jié)論，布菲洛彭諾斯、里丹、阿爾伯特、奧里斯姆等人對此進行了長期的爭論。直到17世紀，伽利略設(shè)想了理想斜面實驗，推翻了這個結(jié)論。1644年，笛卡爾在他的《哲學(xué)原理》一書中彌補了伽利略的不足。最終，在1687年牛頓終結(jié)了爭論，提出：一切物體總保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)，除非有外力迫使它改變運動狀態(tài)為止。

2.2.2 充分挖掘教材素材

在“牛頓第一定律”的教學(xué)中，教材編寫體現(xiàn)了從具體到抽象、由特殊到一般的設(shè)計思路，對學(xué)生的邏輯思維和抽象思維能力要求較高。教師要理解教材編寫意圖，充分挖掘與提煉科學(xué)思想與方法。

(1) 擺出觀點，進行初步討論

教材中首先給出一段對話(如圖2)，教師提出問題：你贊成他們的觀點嗎？

圖2

在課堂教學(xué)中，教師可以通過分析這段對話，引導(dǎo)學(xué)生認識到由生活現(xiàn)象到結(jié)論往往具有片面性，甚至是錯誤的。教材中小明的話“靜止的小車，如果不去推它，它就不會運動”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。

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：你們還能舉出一些類似的事例嗎？

生：……

(2) 正反雙方進行辯論

教材中給出了問題解決的提示：“踢出去的足球，腳不再對它施力，為什么它還會運動？足球最終會靜止，這又是為什么呢？”

如果學(xué)生沒有舉出此類事例進行反駁，可以提問：你同意上述觀點嗎？

如果學(xué)生舉出此類反對上述觀點的事例，教師可以因勢利導(dǎo)提出：“沒有施加力的作用，物體仍能向前運動”“力沒有維持物體運動，反而是阻礙了物體運動”，供學(xué)生討論。

(3) 進行實驗驗證

教材設(shè)計了探究“阻力對物體運動的影響”的實驗，意在推理得出牛頓第一定律，可以設(shè)計以下師生對話。

師：你能依據(jù)此事例，通過實驗來證明這兩個觀點嗎？

生：要找到一個實驗現(xiàn)象，即物體不受力的作用，但它在運動；或者物體受到阻力，它的運動發(fā)生改變。

師：很好，同學(xué)們能設(shè)計出這樣的實驗嗎？

生：第一個有困難，找不到不受力的物體。第二個可以做到。

師：好，那就先驗證第二觀點。怎么做？

生：可以選擇一個斜面，讓物體從斜面上滑下，通過水平面上時，不斷改變阻力的大小，看物體運動情況的變化。

師：斜面容易準備。那么選擇什么物體作為研究對象更利于下滑？如何改變水平面上的阻力？至少改變幾次？將要通過觀察到什么現(xiàn)象來驗證這個結(jié)論？實驗中，還需要控制哪些實驗條件？請同學(xué)們進行實驗，并將結(jié)論填寫在表2中。

表2

師生討論后小結(jié)：力不僅能使物體運動起來，也能阻礙物體運動。

(4) 進一步推理

師：我們能否在此實驗的基礎(chǔ)上來證明第一個觀點。實驗中，小車在水平方向上受到了一個阻力的作用，能否使這個力盡可能地減小，直到變?yōu)榱?？在不受力的條件下，小車將怎樣運動？

生：換水平面的材料，使水平面更光滑，這樣，小車運動的路程越遠，小車越不容易停下來。由此，我們可以大膽地推理：當(dāng)阻力變?yōu)榱銜r，小車仍將運動。

師：小車此時做什么樣的運動？你是怎么想到的？

生：小車將做勻速直線運動。我是仿照“真空不能傳聲”的實驗推理而想到的。

教師再利用PPT展示人類的探索歷程，進一步推理得出牛頓第一定律。

點評：筆者在教學(xué)中對這個實驗進行了有理有據(jù)的處理，運用了科學(xué)思維方法，如控制變量法、理想化方法、歸納法、類比法等，同時，培養(yǎng)了學(xué)生的分析能力、語言表達能力，樹立其正確的科學(xué)態(tài)度和價值觀。

2.3 有效鞏固提升

問題1：運動會上，有同學(xué)在賽跑、跳高、跳遠，教師在場外觀看，如果此時一切外力都突然消失了，他們會怎樣呢？

學(xué)生針對以上問題展開熱烈討論，通過對教師(原來是靜止的)和學(xué)生(原來是運動的)在外力消失后的情景分析，充分體會牛頓第一定律，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的情景，學(xué)生們暢所欲言，對保持勻速直線運動的理解比較深刻。即在空中某位置外力突然消失時，該學(xué)生應(yīng)該沿外力突然消失時的速度方向做勻速直線運動，這個速度的方向可以是斜向上(到達最高點前)、可以是水平的(到達最高點時)、也可以是斜向下(到達最高點后)。此時，再提出問題2和3幫助學(xué)生來鞏固。

問題2：如圖3所示是空中飛行的足球，若它所受的力全部消失，則一定沿水平方向做勻速直線運動。你同意這樣的觀點嗎？

圖3

圖4

問題3：如圖4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處時水平方向的受力示意圖。

分析：由于本節(jié)課設(shè)計的實驗，小車是在水平面上運動的，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動的“慣性思維”。問題2的設(shè)計有助于學(xué)生克服這一思維定勢。在問題3中，有部分學(xué)生認為物體在水平方向還受到一個向前的作用力，這是因為不少學(xué)生總有“物體的運動需要力來維持”的思維定勢，認為物體在B位置在向右運動，所以一定還受到一個向右的作用力?？磥韺\動和力的關(guān)系的認識不是一步就能到位的，希望通過我們的教學(xué)能夠“撼動”學(xué)生頭腦中一些錯誤的前概念。

3 結(jié)語

綜上所述，教育不論怎么轉(zhuǎn)型，宏觀的是理論思索，微觀的是智慧實踐。最有價值的轉(zhuǎn)型是在現(xiàn)實教學(xué)環(huán)境下，讓學(xué)生在高度參與和互動中充分發(fā)揮想象、表達思想、豐富情感、提升智慧，培養(yǎng)其積極思考、善于分析、敢于創(chuàng)新、獨立而自信的科學(xué)素養(yǎng)，實現(xiàn)科學(xué)教育目標。這就要求我們一線教育工作者必須要從細微入手、從學(xué)生的實際出發(fā)，把教學(xué)工作做實、做好。