引導學生自主學習的物理教學實踐
——以“牛頓第一定律”為例

龔立江 喬范均 劉 丹

(1.四川省南充市高坪區(qū)教育科學研究所，四川 南充 637100;2.四川省南充市高坪中學，四川 南充 637100;3.四川省南充市白塔中學，四川 南充 637100)

1 引言

“引導學生自主學習，提倡教學方式多樣化”是新一輪高中物理課程改革的基本理念。自主學習是以學生為學習的主體，通過學生獨立思考、分析、探索、實踐、質(zhì)疑、創(chuàng)造等方式來達成學習目標?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準(2017年版)》明確提出：“高中物理課程通過創(chuàng)設學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習情境，培養(yǎng)和發(fā)展學生的自主學習能力?！盵1]筆者在“牛頓第一定律”的教學中，通過問題串、任務群引導學生獨立思考，大膽質(zhì)疑，自主探究，形成運動與相互作用觀念，促進學生科學思維和科學探究能力的發(fā)展，培養(yǎng)學生嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態(tài)度，使學生的物理學科核心素養(yǎng)得到提高。

2 巧置情境，打開科學思維之閥

物理規(guī)律的探究需要創(chuàng)設問題情境。[2]通過創(chuàng)設與物理學習聯(lián)系密切的情境，激發(fā)學生主動學習的心理狀態(tài)，可以充分調(diào)動學生學習的積極性，促使學生自主學習。在教學引入時首先使用自制空氣炮將“時光之門”(疊放的泡沫塊墻)轟塌，并展示亞里士多德當年生活的情境，將學生帶入公元前4世紀。引導學生思考：是什么力量打開了“時光之門”？物體的運動需要力來維持嗎？力和運動的關系究竟是怎樣的？人類經(jīng)歷了怎樣的探索過程呢？帶著這些問題我們一起來探究“力與運動”的關系。

2.1 創(chuàng)設情境，還原亞里士多德的思考過程

讓學生扮演亞里士多德，展示出行的情境。提出問題：沒有馬拉車，怎么能讓車運動呢？通過“亞里士多德”的獨白引導學生思考。

問題1:亞里士多德要讓靜止的馬車運動起來，你有什么辦法？運動與什么因素有關？

問題2:亞里士多德用四匹馬拉車比用兩匹馬拉車運動得更快，說明了什么？

問題3:亞里士多德在水平面上用力推車，車運動；停止用力，車靜止。由此你能得出什么結論？

設計意圖：用以上情境引導學生學習，關注學生的科學思維起點和最近發(fā)展區(qū)，貼近學生的生活經(jīng)驗，學生很容易形成“物體的運動是與力相聯(lián)系的，如果不再用力，原來運動的物體就將停止”的直覺。同時告訴學生，2000多年前古希臘的亞里士多德根據(jù)大量的生活現(xiàn)象和經(jīng)驗提出了關于力和運動的觀點：力是維持物體運動的原因。

2.2 質(zhì)疑反思，引發(fā)認知沖突

在學生根據(jù)生活的直覺建立起“力是維持物體運動的原因”的運動觀后，引導學生思考。

問題4:停止用力后，小車是否立即停止？

問題5:怎樣增加小車繼續(xù)運動的距離？

問題6:運動一定需要力來維持嗎？

問題7:你覺得亞里士多德的運動觀有問題嗎？

問題8:我們又該如何去修正亞里士多德的觀點呢？

設計意圖：通過問題串引導學生質(zhì)疑討論，引起學生對直覺經(jīng)驗的反思，通過對問題4～6的思考討論，學生發(fā)現(xiàn)停止用力后小車還會運動，而且運動的距離與小車的初速度有關，運動似乎又不需要力來維持，動搖了學生已有的認知，產(chǎn)生了認知沖突，激發(fā)了學生進一步探究的興趣。

2.3 客觀評價,養(yǎng)成實事求是的科學態(tài)度

問題9:通過學習，我們已多次發(fā)現(xiàn)亞里士多德的觀點有誤，你心目中的亞里士多德是怎么樣的一個人呢？我們該如何正確看待物理學發(fā)展進程中的這些錯誤？

筆者在課前安排學生收集亞里士多德的相關資料，通過討論交流認識到：亞里士多德是古代偉大的哲學家、科學家和教育家，是第一個倡導研究自然現(xiàn)象、并提出“物理學”名稱的人。他力圖以世界的本來面目說明各種自然現(xiàn)象，但由于當時的研究方法只是靠直覺和觀察，所以他在物理方面的很多論述在今天看來是錯誤的，但是當時能夠擺脫神的意志，形成一套自圓其說的體系，這是很大的進步。[3]正如愛因斯坦所說：提出一個問題往往比解決一個問題更重要。

設計意圖：通過自由落體運動和本節(jié)的學習，學生感覺到在物理學的發(fā)展進程中亞里士多德似乎總是提出一些錯誤的觀點，認為亞里士多德是一個錯誤的“集大成者”。通過問題9的討論交流，糾正了學生的錯誤認識，培養(yǎng)了學生辯證的科學思維和實事求是的科學態(tài)度，促進了學生物理觀念的形成。

3 實驗探究，走向科學真相

3.1 伽利略第一次把物理實驗與理性思維相結合

(1)提出問題

引起亞里士多德錯誤觀點的“罪魁禍首”是什么呢？應該尋找怎樣的方法去糾正維持了兩千多年的錯誤觀點？

(2)設計實驗與制定方案

學生閱讀伽利略理想斜面實驗方案，了解其思想精髓：運用實驗加推理的科學方法。引導學生根據(jù)伽利略的想法設計出本節(jié)課的實驗方案，利用摩擦力和坡度大小可調(diào)的凹形鋁合金導軌進行實驗。

(3)實驗探究一

學生在凹形鋁合金導軌上分兩種情況研究小球運動的整個過程：在凹形鋁合金導軌上鋪上布條；拿掉布條后重做剛才的實驗。

學生通過觀察發(fā)現(xiàn)：兩次小球都不能達到與釋放點等高的地方，拿掉布條后小球上升的高度更高。筆者引導他們合理外推：如果導軌對小球的摩擦力越來越小，小球上升的高度將怎樣變化？當沒有摩擦時，小球能到達與釋放點等高的地方嗎？

通過實驗觀察和理性思考，使學生認識到：小球在沒有受到摩擦力的情況下將能到達與釋放點等高的地方，初步體會實驗加邏輯推理的科學研究方法。

(4)實驗探究二

學生改變凹形導軌傾角，探究小球的運動情況。他們通過實驗發(fā)現(xiàn)：當斜面傾角越來越小時，小球運動的路程越來越遠。教師引導他們合理外推：如果導軌水平，小球?qū)⒃趺催\動？伽利略關于理想斜面實驗的結論是否得到了驗證？

學生通過實驗探究二發(fā)現(xiàn)：不受力的小球?qū)⒀厮矫嬗肋h運動下去。即運動不需要力來維持(伽利略的觀點)。同時也明白了：伽利略關于理想斜面實驗的結論是不可能用實驗直接驗證的，但這是建立在可靠實驗事實的基礎上經(jīng)過合理推理而得到的正確結論。讓學生加深對實驗加邏輯推理方法的認識，學生通過對前面問題的探究，有一種“柳暗花明”的感覺，獲得極大的成就感,從而激起他們進一步探究的欲望。

(5)介紹伽利略理想實驗的意義

伽利略第一次把物理實驗與理性思維結合起來，為后人提供了一種科學的方法。愛因斯坦曾高度評價伽利略的工作：“這個理想實驗指出了真正建立動力學基礎的線索?！蓖瑫r，還引用了伽利略對亞里士多德的評價：“老實說，我贊成亞里士多德的著作，并精心進行研究，但我責備那些把自己淪為亞里士多德奴隸的人?！盵3]

通過介紹伽利略理想實驗的意義，促進學生養(yǎng)成科學的研究態(tài)度，尊重權威但不迷信權威，敢于獨立思考，大膽質(zhì)疑，進一步加深學生對亞里士多德的正確認識。

3.2 笛卡爾對伽利略的觀點進行補充完善

伽利略通過實驗和推理的方法形成了力與運動初步的正確觀點：運動不需要力來維持。

問題1:伽利略認為不受力的物體將沿水平面永遠運動下去，這個觀點完全正確嗎？

引導學生通過討論發(fā)現(xiàn)：沿水平面永遠運動下去，從地球整體角度看最終將是一個繞地球的曲線運動。

問題2:不受力的物體究竟怎么運動呢？

教師介紹：笛卡爾對力和運動的關系進行了深入研究，對伽利略的觀點進行了補充完善，指出：如果運動中的物體沒有受到力的作用，將繼續(xù)以同一速度沿直線運動，既不會停下來，也不會偏離原來的方向。

問題3:如何模擬不受力的條件，驗證笛卡爾觀點的正確性？

教師介紹氣墊導軌的原理，讓學生利用氣墊導軌驗證笛卡爾的觀點。

通過對笛卡爾工作的介紹，讓學生明白：運動物體不受力時做勻速直線運動，認識到伽利略運動觀的局限性。利用氣墊導軌實驗，讓學生知道：通過技術創(chuàng)新，可以模擬理想實驗的條件，驗證運動物體不受力時將保持勻速直線運動狀態(tài)的觀點，感受到科學前輩思維的深邃和前瞻性。

3.3 牛頓站在巨人的肩膀上，總結科學定律

(1)提出問題

在前面的實驗中，我們只探究了運動的物體，靜止的物體在受外力和不受外力時又會怎樣？

(2)牛頓的歸納完善

牛頓通過深入分析認為：靜止的物體不受外力時保持靜止狀態(tài)；力的作用是改變物體的運動狀態(tài)；一切物體都有保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質(zhì)，這是物體的一種固有屬性(慣性)。

(3)實驗探究

問題1:液體有慣性嗎？如何驗證？

利用自制的器材引導學生在小車靜止、起動、勻速、突然停止等情況下，探究固定在小車上的玻璃管中液體的運動情況，通過觀察，認識到液體也具慣性。

回顧解釋引入時空氣炮打開“時光之門”的原理，加深學生對一切物體(固體、液體、氣體)都具有慣性的理解。

問題2:慣性的大小與什么因素有關？

視頻展示汽車滿載和空載時制動距離的變化，引導學生自主分析，通過討論得到結論：慣性大小只與物體的質(zhì)量有關。

(4)交流總結

牛頓在總結前人研究成果的基礎上，建立了牛頓力學體系，第一次提出了力的概念，發(fā)現(xiàn)了力與運動的規(guī)律，于1687年發(fā)表《自然哲學之數(shù)學原理》，其中牛頓第一定律的表述為：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?yōu)橹埂?/p>

學生自主體驗探究過程，培養(yǎng)了他們的科學探究能力、科學態(tài)度和科學精神。他們也體會到：一條定律的提出，并非一蹴而就，它是幾代物理學家共同探索的結果。正如牛頓自己所說：我之所以比別人看得更遠，是因為我站在巨人的肩膀上。

4 學以致用，解決實際問題

教師用多媒體展示沙漠圖片，解釋沙漠的成因：因為人和自然的作用，土壤中質(zhì)量較小的有機物顆粒在風力作用下被吹走了，剩下質(zhì)量較大的沙土礦物質(zhì)顆粒。

任務1:如何利用老師提供的米粒和麥片模擬沙漠的形成原因？

學生討論后提出：用米粒模擬土壤中沙土礦物質(zhì)顆粒，用麥片模擬土壤中的有機物顆粒，裝入盤中，用嘴吹氣，觀察“沙漠”的形成過程。

任務2:你能設計出沙漠治理的方案嗎？

引導學生根據(jù)生活經(jīng)驗，結合所學知識，設計出治理沙漠的方案：植樹和澆水。

師：植樹有何作用？

生：防風，減少外力，同時增加土壤濕度。

師：澆水有何作用？

生：有機物顆粒吸水后質(zhì)量增大，慣性增大，不易被吹走。

任務3:讓學生利用米粒和麥片，通過減小風力(吹氣)和澆水的方法，驗證方案的可行性。

用視頻展示塞罕壩從荒漠沙地到青山綠水的圖片，對學生進行環(huán)保生態(tài)教育，滲透“綠水青山就是金山銀山”的理念教育，深化他們對運動與相互作用的認識。

學生把課堂所學知識、科學思維方法用于分析、解決生活問題，體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向生活”的課程理念，學生在問題解決中進一步提高了探究能力，增強了實踐意識，形成了實事求是的科學態(tài)度，進而促進了學生物理學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

5 結語

物理學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成不是一蹴而就的，需要教師在平時的教學中有針對性地進行教學設計，創(chuàng)設物理規(guī)律的探究情境，設置好問題串、任務群，充分調(diào)動學生學習的積極性，促進學生自主學習和探究。讓學生在自主探究的過程中，提升科學探究能力，培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力。加強物理與生產(chǎn)生活的聯(lián)系，增強學生的實踐意識，在學以致用中促進學生物理學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。