自制簡易實驗儀器 彰顯課改教學理念
——新課程理念下新粵教版教材中“牛頓第一定律”教學實驗的創(chuàng)新設計

廣東省陽山縣陽山中學(513100) 譚 程

1 問題的提出

眾所周知，“牛頓第一定律”是高中物理中非常重要的一節(jié)教學內(nèi)容，而本節(jié)內(nèi)容的一個核心實驗就是伽利略理想斜面實驗，該實驗蘊含著非常豐富的科學思維以及邏輯推理思想，是物理學史上“觀察實驗與科學推理”相結合的典范，是對學生科學方法教育的典型素材，是牛頓第一定律的關鍵點。但是當我們反觀教材以及高中物理教師的課堂教學時，就不難發(fā)現(xiàn)，無論是教材對該實驗的描述，還是教師在課堂上對該實驗的分析，都只告訴學生一個這樣的歷史事實：那就是伽利略通過自己構思出來的理想斜面實驗推翻了亞里士多德的“物體的運動需要力來維持”的觀點，卻都不提伽利略是如何建構理想斜面實驗進而得出結論的。更不可思議的是很多教師在分析伽利略理想斜面實驗時，都是“照本宣科”，機械地按照教材的編排演示一下伽利略斜面實驗，便立即得出牛頓第一定律。《普通高中物理課程標準(2017年版)》(以下簡稱《新課標》)中對“牛頓第一定律”一節(jié)教學內(nèi)容所制定的教學要求和目標為：“在物理教學中教師應抓住伽利略理想斜面實驗這一探究的關鍵點，通過重演伽利略的探索過程、思維過程(教學要求)，讓學生經(jīng)歷伽利略理想斜面實驗的設計過程，領悟觀察實驗、科學想象和科學推理相結合的巧妙之處(教學目標)”。筆者在仔細地分析了新粵教版教材必修一中的“牛頓第一定律”這一節(jié)的教材內(nèi)容以及《新課標》對本節(jié)內(nèi)容的教學目標后認為：對于新粵教版教材中的“牛頓第一定律”，如果還是按上述教學模式來傳授，必將出現(xiàn)以下兩個嚴重的弊端：

弊端1：無法落實《新課標》對“牛頓第一定律”一節(jié)中關于伽利略理想斜面實驗提出的教學要求，更無法把伽利略“研究斜面實驗的思想和方法”滲透到學生大腦中。

弊端2：難以達成《新課標》對“牛頓第一定律”一節(jié)中關于伽利略理想斜面實驗提出的教學目標。

基于以上原因，筆者依據(jù)《新課標》要求對新粵教版教材必修一中“牛頓第一定律”實驗教學進行了以下創(chuàng)新實驗設計：

2 基于“類比、等效和極限思維”的創(chuàng)新實驗設計

伽利略理想斜面實驗的建構，歸納起來主要經(jīng)歷了單擺實驗的啟發(fā)——不同傾角斜面對接實驗——理想實驗構想等幾個重要的科學思維過程。筆者依托新課程理念，基于類比思維、等效思維和極限思維，對新粵教版教材必修一中“牛頓第一定律”一節(jié)課的教學實驗進行了創(chuàng)新設計，將“伽利略構建理想斜面實驗的建構過程”展示出來，引導學生重溫科學家的探索過程。教學實驗的設計原理及過程如下所述：

2.1 類比單擺——尋找打開伽利略理想斜面實驗之門的鑰匙

為了重演伽利略建構理想斜面實驗的過程，筆者首先設置了單擺實驗和斜面實驗，具體實驗設置如下：

創(chuàng)新設計1：單擺與米尺的完美組合

傳統(tǒng)的單擺如圖1所示，由于擺球運動到最高點停留的時間很短，不便于學生觀察，于是筆者自制了一個創(chuàng)新的單擺，如圖2所示：用一實心發(fā)光彈力球(質量比較大、體積較小)替代了擺球，實驗時用手觸碰一下彈力球使其發(fā)光，這樣可以明顯地觀察到彈力球擺動時達到的高度。為了便于觀察彈力球“始末高度關系”，可在鐵架臺上沿水平方向固定一把米尺：實驗時讓彈力球從米尺的左端由靜止釋放，當彈力球擺到右端最高點時，通過米尺就可判斷小球“始末高度關系”。

圖1 單擺裝置

圖2 改進的單擺裝置

單擺學生并不陌生，那么單擺的運動又有什么基本規(guī)律呢？為此筆者引導學生參與下列實驗，然后由學生闡述實驗事實。具體操作如下：

實驗設計：如圖2所示，用手觸碰一下實心發(fā)光彈力球使其發(fā)光，然后將發(fā)光彈力球從米尺的一端(如左端)由靜止釋放，讓學生仔細觀察發(fā)光彈力球擺動的“始末高度關系”以及基本的運動規(guī)律。

實驗事實：在細繩的約束下，擺球的運動軌跡是一段圓弧，在擺動時間不長時，擺球的“始末高度”幾乎相等。

依據(jù)學生分析的實驗事實，筆者進一步向學生提出下列探究問題：根據(jù)擺球運動軌跡，能否用別的器材來替代擺繩對小球的約束，同樣使小球的運動軌跡為一段曲線軌跡呢？

創(chuàng)新設計2：小球與斜面的完美替代

為了完成上述探究問題，筆者給學生提供了PVC塑料槽和固定支架，然后設計了如圖3所示的實驗裝置，為了便于學生觀察，筆者在緊靠斜槽的豎直板上沿水平方向貼了2條紅色的塑料膠布，稱為“等高線”，用于判斷小球的“始末高度關系”。實驗操作如下：

圖3 自制圓弧線槽軌道

實驗設計：將小球從圖3裝置中斜槽左端最高點處由靜止釋放，讓學生仔細觀察小球運動到右端最高點時的高度?！笆寄└叨鹊年P系”可根據(jù)斜槽旁邊的等高線來判斷。

實驗事實：小球在斜槽左端由靜止釋放后，小球向斜槽右端運動，當小球第一次在右端上升到最高點時，上升的高度略小于在左端靜止釋放時的高度(后面往復上升的高度不斷減小)。

通過以上兩個實驗的設置與演示，學生發(fā)現(xiàn)這兩個實驗裝置有等效的地方：單擺中的小球幾乎能從一端擺到另一端的等高點處，而斜面實驗也具有類似的實驗現(xiàn)象。

接著繼續(xù)向學生提出：如果我們改變單擺的運動情況，又將給我們在“分析小球在斜面上的運動”帶來什么啟示呢？為此筆者又設計了如下2個教學實驗：

創(chuàng)新設計3：在單擺中垂線上釘釘子

為了改變單擺擺球的運動情況，筆者設計了如下實驗：如果在單擺的中垂線上的適當位置上釘一顆釘子或者固定一根硬的細金屬桿(這個釘或金屬桿我們稱為“伽利略針”)，那么當擺球從米尺左端的最高點由靜止釋放后，擺球遇到“伽利略針”后，擺球擺到右邊時的高度情況會發(fā)生什么變化呢？

實驗設計：在圖2的基礎上，在單擺的中垂線上固定好“伽利略針”，并與水平米尺相互垂直，如圖4所示，我們習慣上將圖4這個裝置稱為伽利略針和單擺實驗裝置，其效果圖如圖5所示，這樣當擺球從米尺左端A點由靜止釋放后，擺線遇到“伽利略針”后，擺球的懸點發(fā)生了變化，這就導致單擺擺長發(fā)生了變化。那么此時擺球向右擺動所能到達的最高點將在哪里呢？

實驗事實：通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，當單擺擺動到豎直位置擺線碰到“伽利略針”后，擺球會繼續(xù)往右向上擺動，且擺球擺到右端最高點時，能上升到與A點等高位置的B點處，擺球運動的軌跡由兩段半徑不同的圓弧段構成。如圖6所示，設O1點為“伽利略針”的初始位置。

接著把“伽利略針”向上移動到另一位置，如圖6中由O1到O2，并重復上述實驗，讓學生認真觀察以上重復的實驗。擺球的運動軌跡分別如圖7中的AO′B、AO′C、AO′D。

圖4 伽利略針和單擺裝置實物圖

圖5 伽利略針和單擺裝置效果圖

通過上面的實驗和學生進一步的分析會發(fā)現(xiàn)：雖然“伽利略針”的位置上移了，但每次實驗中小球擺到右端時最高點的高度與靜止釋放點的高度幾乎相同。所不同的就是隨著“伽利略針”位置的上移，擺球的水平位移在不斷增加。

圖6 兩段半徑不同的圓弧構成的軌跡

圖7 擺球的運動軌跡

學生發(fā)現(xiàn)隨著“伽利略針”位置的上移，擺球的水平位移在不斷增加，這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，為探究牛頓第一定律奠定了基礎。于是筆者緊接著給學生設置了下列問題并安排學生分組實驗(此實驗完全放手給學生)：如何使斜面上的小球運動時在水平方向上的位移也增加呢？

創(chuàng)新設計4：不同傾角斜面對接

要增加小球在斜面上運動的水平距離，絕大部分學生經(jīng)過討論后認為能夠實現(xiàn)。如圖3所示，線槽左端高度固定，而線槽右端高度可通過可調(diào)旋鈕來改變，學生通過實驗發(fā)現(xiàn)，改變圖3中BC部分的傾角，就可改變小球在斜面上運動的水平距離。事實上整個線槽可看作是由左、右兩個傾角不同的斜面對接而成，示意圖如圖8所示。

圖8 兩個不同傾角的斜面對接

實驗時不斷減小圖8中BC斜面的傾角，學生發(fā)現(xiàn)：小球從左邊斜面A點由靜止釋放，每次實驗中小球的“始末高度”在誤差范圍內(nèi)近似相等(事實上hA略大于hB)。減小右邊斜面BC的傾角后，以上結論依然成立，但小球通過的水平位移會變長。

基于上述分析，然后向學生提出以下探究問題：實驗中如果我們將右邊的斜面放置于水平位置，那么小球的運動將會怎樣呢？

2.2 極限思維——推開牛頓第一定律緊閉之門的神奇力量

為了探究上述問題，筆者又設置了如下2個實驗：

實驗設計1：如圖9 所示，為了便于觀察，筆者更換了一個較長的線槽軌道。當右邊斜面調(diào)成水平面、小球仍從線槽左端最高點由靜止釋放后，小球的運動將會怎樣呢？

圖9 右端斜面調(diào)節(jié)為水平軌道

通過實驗，部分學生得出了如下結論：小球從斜面左端下滑到水平面后，小球會一直沿水平面向右運動，直到碰到水平軌道最右端的擋板為止。

這個結論可靠嗎？按這個結論我們可以這樣推理：如果小球不碰到水平軌道最右端的擋板，線槽軌道足夠長，那么小球將一直運動下去。事實上導致學生得出上述結論的重要原因在于：教師演示的線槽軌道比較短，而小球釋放的高度也比較高，小球下滑到水平面上時具有較大的速度，當它滑到線槽最右端時，仍未停止。而不可思議的是在實際的教學中的確有不少教師在課堂上就是按照上述操作演示給學生觀察的，更滑稽的是不少教師就以此為準，直奔牛頓第一定律，然后美其名曰“實驗探究成功”。這是典型的虛假實驗探究教學。

事實上對于以上“部分學生的結論”，仍然還會有很多學生提出質疑：小球真的會一直向右運動嗎？生活經(jīng)驗告訴他們，實際運動的物體總會停止下來，可見學生對本實驗的結論產(chǎn)生質疑并非毫無依據(jù)。為了解開學生心中的疑惑，筆者進一步設置以下實驗。

實驗設計2：在圖9中，保持右邊斜面處于水平狀態(tài)，然后不斷減小小球從左邊由靜止釋放的高度，讓學生觀察小球運動的結果。

通過實驗，學生有了新的發(fā)現(xiàn)：當小球從左端斜面較高點由靜止釋放時，小球滑到水平面上時，會一直往前滑，直到碰到線槽右端固定擋板；當小球從斜面左端由靜止釋放時的高度較小時，小球下滑到水平面運動一段距離后會自動停下來，小球在水平線槽上停下來的原因是因為受到線槽的摩擦力。

2.3 邏輯推理——通向揭開牛頓第一定律面紗的階梯

為了引導學生探究出牛頓第一定律，筆者讓學生對單擺實驗和斜面實驗進行對比、抽象和綜合，最后引導學生進行邏輯推理(見表1)。

由以上邏輯推理，學生已經(jīng)明白了物體的運動不需要力來維持。

那么力的作用又是什么呢？為此，筆者引導學生分析日常生活中的現(xiàn)象：用手將靜止在桌面上的小球輕推一下，它就運動起來。若過一會兒用手擋住它，它就停止運動。這就會讓學生回想起初中學過的知識點(力的效果是改變物體的運動狀態(tài))。通過以上的實驗探究、分析，終于得出了下列實驗結論：一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止，這就是牛頓第一定律。

表1 基于單擺實驗和斜面實驗的實驗事實的邏輯推理

2.4 伽利略理想斜面實驗的改進——“一個更好的引導學生進行猜想的改進實驗”

為了更好地引導學生分析小球在水平面上的運動并得出結論，現(xiàn)對圖3的實驗進行改進，如圖10所示，將圖3中的斜面改為曲面，且曲面最底端與水平面相切，用氣墊導軌替代水平線槽軌道，滑塊上方固定一個小紙盒，紙盒左端開口，其余三個側面有護欄，這樣當小球滑入紙盒時，可以防止小球滑出去。實驗時調(diào)節(jié)氣墊導軌高度，使小紙盒沒護欄的左端與曲面底端水平相切并緊靠。實驗時將小球從曲面上由靜止釋放(小球質量要小，筆者在實驗中發(fā)現(xiàn)小球質量太大會壓住滑塊不動)，注意高度不宜過高，目的就是為了使小球以一個較小的速度滾入紙盒內(nèi)。當小球滾入紙盒后，從而使滑塊獲得一個比較小的速度，這樣滑塊在氣墊導軌上運動的時間會變得更長，更直觀的是當滑塊與氣墊導軌的左右兩端發(fā)生輕碰后滑塊還會在氣墊導軌上往復運動一段時間，讓學生觀察到有“一直運動下去”的傾向。

圖10 改進后的伽利略斜面實驗實物圖

3 一個讓學生體驗慣性的實驗——坐在運動的車上上拋小球

牛頓第一定律也稱慣性定律，為了讓學生更加容易理解這一定律，筆者設計一個“讓學生坐在運動的小車上上拋小球”的實驗。目的是為了讓學生親身體驗物體的慣性。如圖11所示，小車是筆者自制的實驗小車(可坐人，安全起見四周有1.2 m高的不銹鋼護欄)。實驗時讓一學生坐在小車上，然后讓另一學生推著小車做勻速直線運動，小車穩(wěn)定運動后坐在小車上的學生將手中拿著的小球豎直上拋，其他學生觀察小球的下落情況。注意拋球學生豎直向上拋球時，手沿豎直方向拋出去球后立即沿豎直方向回落到自己的大腿上方不動，并保持接球的姿勢，以便學生判斷落點與拋出點的位置關系。注意每次實驗時保持小球有一定的上拋高度(0.7 m左右)。

圖11 自制實驗小車

從本實驗中學生可看到小球每次都能落回到拋出點。此時引導學生分析：小球被向上拋出后，坐在小車上的學生水平方向上做勻速直線運動，而小球能落回到拋出點，說明小球在豎直方向上運動的同時，在水平方向上還保持著與小車在水平方向上相同的運動速度，而這個“坐在運動的車上上拋小球”的實驗很好地證實了“小球被拋出后還保持沿水平方向運動的狀態(tài)”，讓學生親歷慣性的真實存在，并在真實的情景中理解慣性的概念以及慣性定律。

4 新課程理念下親歷牛頓第一定律實驗教學設計的啟示

新粵教版物理教材中的“牛頓第一定律”實驗教學設計給我們帶來的不僅僅是一個實驗結論，更重要的是一些有價值的教學啟示。結合新課程理論，筆者認為“牛頓第一定律”實驗教學設計更應給我們帶來以下教學啟示：

4.1 明確新課程理念下物理學史的教學意義

法國物理學家保羅·朗之萬說：“在科學教學中，加入歷史的觀點是有百利而無一弊的?！闭驹谛抡n程理念的角度來看，達成物理學史教育意義的主要教學手段歸納起來見圖12。

圖12 達成物理學史教育意義的主要教學手段

4.2 彰顯物理學史的真正教學價值

物理學史蘊涵著豐富的人文精神和豐富的人文知識，記錄了人類探索物理規(guī)律的過程，因此物理學史的教學應體現(xiàn)出以下兩個典型的教育價值：

(1)把物理學家的研究方法和思維轉化為學生的認知能力。對于物理學史的教學，不僅僅要告訴學生某個物理現(xiàn)象的過程、探究方法，更重要的是使學生學到分析問題的思維，使學生把物理學家的研究方法和思維轉化為一種認知的能力，提高他們分析問題和解決問題的能力，而并不是簡單地告訴學生一個硬生生的結論。比如在伽利略理想斜面實驗的教學中，我們除了要培養(yǎng)學生的質疑精神，更重要的是培養(yǎng)學生的科學思維。比如學生在分析交通事故時，要學會抓住問題的主要矛盾——分析剎車痕跡、查閱資料找出車輪與地面的動摩擦系數(shù)、常人的反應時間，建立勻變速直線運動模型，從而判斷司機是否超速。

(2)把物理學家的科學態(tài)度和精神轉化為學生的行為準則。從物理學史中我們可以看到，物理學家不但具有十分嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，而且具有堅持不懈、永不言敗的拼搏精神。這種嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和頑強拼搏精神正是科學家取得成功的奧秘。為此我們可以通過物理學史告訴學生，無論做任何一件事情，我們都得像科學家那樣，秉持嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和頑強的拼搏精神，方能取得成功。

4.3 倡導學生提出質疑

質疑是推動社會持續(xù)發(fā)展的動力，物理學上每邁出一大步、每一個重大發(fā)現(xiàn)，都源于質疑。質疑精神不但古人重視，現(xiàn)代教育更加提倡，但結果怎樣？事實上學生幾乎提不出高質量的質疑，因此教學中要倡導學生提出“高質量的質疑”。如果是“因為知識理解不透導致不能解決遇到的問題，提出疑問”，這屬于低層次質疑。如果是“發(fā)現(xiàn)所觀察到的現(xiàn)象與已有認知發(fā)生沖突，或者發(fā)現(xiàn)已有認知之間不能自洽，從而對現(xiàn)有認知的科學性和合理性提出疑問，以至于萌發(fā)出新的猜想”，這是高層次的質疑，這種質疑會促使學生經(jīng)歷邏輯推理、演繹計算、進行實驗等重要的科學探究過程，有助于促進學生科學思維的形成。

5 結束語

從新課程理念上來看，物理教學的核心價值主要體現(xiàn)在以下三個關鍵的轉化，具體見圖13。

圖13 物理教學的核心價值體現(xiàn)

事實上以上三個轉化就是新課程改革中提出的教學目標——要將學生培養(yǎng)為當今社會所需要的人才，從物理學科角度來看，實質上就是培養(yǎng)學生的物理學科素養(yǎng)，而物理實驗教學的創(chuàng)新設計在課堂上的應用，正是培養(yǎng)學生物理學科素養(yǎng)的有效方式之一。