張忠俊

(重慶清華中學(xué) 重慶 400054)

1 設(shè)計思想

科學(xué)探究應(yīng)是物理教學(xué)的本質(zhì)特征之一,是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)在動機的有效教學(xué)方式.科學(xué)探究課不能片面地理解為實驗課,其核心評價指標(biāo)應(yīng)該是學(xué)生內(nèi)心知、情、意的變化.科學(xué)探究也不是學(xué)生自發(fā)的研究,而是教師精心策劃與指導(dǎo)的結(jié)果.教師精心創(chuàng)設(shè)的情景和巧妙的提問,能激勵學(xué)生不斷地產(chǎn)生探究物理本質(zhì)的強烈欲望,所以“情景的創(chuàng)設(shè)”和“問題的設(shè)置”應(yīng)該是科學(xué)探究課的關(guān)鍵.

“牛頓第一定律”是在初中學(xué)過的內(nèi)容,也是高中教學(xué)中常被教師忽視的內(nèi)容,有的甚至一帶而過,這導(dǎo)致學(xué)生對牛頓第一定律的理解基本停留在初中的認(rèn)知水平.本設(shè)計從建構(gòu)主義原理和認(rèn)知心理學(xué)出發(fā),緊緊圍繞牛頓第一定律的產(chǎn)生過程,深入挖掘物理學(xué)史中的相關(guān)素材,將牛頓第一定律產(chǎn)生過程的幾個關(guān)鍵問題以原貌的形式展示給學(xué)生,讓他們作為各個歷史時期的“探究者”參與相關(guān)問題的討論.在討論的過程中學(xué)生會發(fā)現(xiàn):“這些看似簡單的問題不僅很難回答,而且蘊藏著深刻的思想方法,所以人類用了幾千年的時間才弄清楚”.通過這樣的探究,不僅讓學(xué)生獲得了物理知識,更讓學(xué)生感受科學(xué)結(jié)論得出的艱難歷程,并感悟科學(xué)之美,從而取得較好的教學(xué)效果.

2 學(xué)生情況分析

學(xué)生經(jīng)過初中的學(xué)習(xí),比較熟悉本節(jié)課的內(nèi)容,也能解釋諸如剎車、套緊錘頭等現(xiàn)象,但他們對慣性概念和牛頓第一定律的認(rèn)識以解釋現(xiàn)象為主.進入高中后,學(xué)生的抽象思維能力得到了較大發(fā)展,但為了引導(dǎo)他們從現(xiàn)象上升到本質(zhì),仍然需要把學(xué)生原有的知識經(jīng)驗作為新知識的生長點.

3 教材和教法的分析

牛頓第一定律是牛頓力學(xué)的基石,它糾正了自亞里士多德以來長達(dá)近兩千年的的錯誤觀點,改變了人類的自然觀和世界觀,對物理學(xué)的發(fā)展有重大影響.慣性和牛頓第一定律都比較抽象,伽利略的理想實驗也是一種重要的思想方法,學(xué)生真正理解起來是有難度的.教學(xué)中我們也發(fā)現(xiàn),讓學(xué)生真正改變“力是運動的原因”這一直覺觀念非常困難,很多同學(xué)在分析物理問題時,總是不自覺地變成亞里士多德的“信徒”.比如看到物體在運動,就認(rèn)為它一定受到力的作用;物體向東運動就認(rèn)為物體必定受向東的力;物體的速度大是因為它受力大的緣故;物體受力為零,它的速度也應(yīng)為零等等.要改變這一現(xiàn)狀應(yīng)該注意以下幾點:其一,讓學(xué)生參與得出牛頓第一定律的思維過程;其二,讓學(xué)生感受科學(xué)的思想方法.

教材按歷史發(fā)展的線索來編寫,但對亞里士多德的觀點闡述過于簡單,從而造成學(xué)生有亞里士多德“很傻”的感覺,本課深入挖掘歷史事實,提出亞里士多德的“虛空理論”,讓學(xué)生明白要駁倒亞里士多德是非常困難的,從而增加對科學(xué)探索的興趣.伽利略和笛卡爾都做出了很大的貢獻,教師反問“為什么不叫伽利略定律或者笛卡爾定律”引起學(xué)生進一步探索的興趣,為牛頓的隆重出場奠定基礎(chǔ).讓學(xué)生思考“牛頓高明在什么地方”,通過分析討論就能加深學(xué)生對“由現(xiàn)象到本質(zhì),由一般結(jié)論到規(guī)律”這一抽象提煉過程的認(rèn)識,否則,學(xué)生會認(rèn)為牛頓只是一個“摘別人果實”的人.

本節(jié)的重點是牛頓第一定律得出的歷史過程,難點是對慣性及力與慣性關(guān)系的理解.

4 教學(xué)目標(biāo)

4.1 知識、技能目標(biāo)

(1)理解牛頓第一定律的內(nèi)容及意義.

(2)理解慣性,知道日常生活中由于慣性而產(chǎn)生的簡單現(xiàn)象,并能解釋.

(3)理解慣性和力的關(guān)系.

4.2 過程、方法目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评砟芰?通過學(xué)生對歷史演變過程的“親身”參與,培養(yǎng)他們深度分析和思考的能力;通過對生活實例的分析,培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力.

4.3 情感、態(tài)度目標(biāo)

讓學(xué)生感受科學(xué)探究過程的艱辛,感受科學(xué)之美和科學(xué)的精神.

5 教學(xué)過程

5.1 引入新課

【教師講解】同學(xué)們,我國的航天事業(yè)取得了舉世矚目的成績,發(fā)射了系列載人飛船.飛船發(fā)射是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,但它仍然用到最基本的物理原理,比如為了保證飛船的平穩(wěn)飛行,就要用第一章靜力學(xué)的知識分析它的受力情況;為確定飛船的位置,就要運用第二章所學(xué)的運動學(xué)知識;而需要確定多大的推力才能將飛船送入預(yù)定軌道,就得研究運動和力的關(guān)系,這就是第三章的知識 ——動力學(xué).

動力學(xué)的奠基人牛頓1687年出版了他的劃時代著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》,他在書中提出三條運動定律,成為整個動力學(xué)的基礎(chǔ);今天我們就來學(xué)習(xí)牛頓第一定律.

(通過章首語讓學(xué)生了解全章將要學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容)

5.2 新課教學(xué)

【投影展示】有一個基本問題,幾千年來都因為它太復(fù)雜而含糊不清,這就是運動的問題 ……

—— 愛因斯坦

良好的開篇是成功的一半.用愛因斯坦這句話作為本節(jié)的引入可以迅速吸引學(xué)生的注意力,因為在他們心中,運動的問題有那么復(fù)雜嗎?愛因斯坦怎么會說這樣的話呢?從而產(chǎn)生求知欲望.

【教師引導(dǎo)】運動問題真如愛因斯坦所說的這樣復(fù)雜嗎?我們先回顧一下歷史.兩千多年前,亞里士多德根據(jù)生活經(jīng)驗得出結(jié)論:力是維持物體運動的原因.一個靜止的小車,用力拉它就動了,不拉它又要停下來.現(xiàn)在我們都知道亞里士多德的觀點是錯的,究竟錯在哪里呢?

現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為,要實現(xiàn)有意義學(xué)習(xí)的條件之一是“先行引導(dǎo)材料”能夠與學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的相關(guān)知識或經(jīng)驗聯(lián)系.從學(xué)生熟悉的問題入手,不僅可以消除畏懼感,更可以找到知識的同化點,使其更加積極參與.一般學(xué)生都會回答:不拉它了,小車還會繼續(xù)運動,所以力不是維持物體運動的原因.

【教師引導(dǎo)】難道被稱為古希臘最博學(xué)的亞里士多德當(dāng)年就沒有考慮到這個問題嗎?其實不然,他當(dāng)時這樣解釋:撤掉力之后,小車由于運動會在它后面產(chǎn)生一個“虛空”——沒有空氣的空間,空氣要填補這個“虛空”,于是對小車產(chǎn)生一個向前的推力,但這個推力小于摩擦力,所以最后停了下來(展示動畫),所以亞里士多德仍然認(rèn)為力是維持物體運動的原因.假如現(xiàn)在我是亞里士多德的代言人,有誰能和我辯論?

提出有價值的問題,是學(xué)生真正思維活動的開始.認(rèn)知心理學(xué)也認(rèn)為,當(dāng)教學(xué)內(nèi)容以問題方式呈現(xiàn)時,將引起認(rèn)知沖突,學(xué)生將面臨新問題的挑戰(zhàn),產(chǎn)生探索的心理傾向,為了解決當(dāng)前的問題,學(xué)生只好改變原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu),從而獲得新知或解決問題,這就是順應(yīng)的學(xué)習(xí)方式,這種方式將引起認(rèn)知結(jié)構(gòu)質(zhì)的改變.通過展示動畫,提出亞里士多德當(dāng)年的虛空理論,它一下抓住了學(xué)生的注意力,促使他們積極思考.通過角色扮演,學(xué)生發(fā)現(xiàn)要駁倒亞里士多德是非常困難的,原來亞里士多德并不“傻”.但絕大部分學(xué)生對反駁虛空理論無計可施.

【教師引導(dǎo)】駁倒亞里士多德的虛空理論并不容易,歷史上很多科學(xué)家都沒有成功,這也是亞里士多德理論統(tǒng)治學(xué)界一千多年的原因之一.1372年,巴黎大學(xué)校長布里丹用一個簡單的玩具 ——陀螺駁到了虛空理論.下面請同學(xué)們玩玩陀螺,看你們能不能從陀螺的旋轉(zhuǎn)中得到啟示,來批駁亞里士多德的虛空理論.

(用學(xué)生熟悉的玩具做實驗,讓學(xué)生感到物理就在身邊.學(xué)生經(jīng)過討論,可以找到與布里丹同樣的認(rèn)識,內(nèi)在動機得到激發(fā),進而產(chǎn)生探究的成就感)

【教師講解】根據(jù)同學(xué)們的分析,當(dāng)陀螺旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的時候,仿佛沒有動.這時陀螺周圍并沒有產(chǎn)生虛空,但他依然在繼續(xù)轉(zhuǎn)動,說明亞里士多德的虛空理論是不成立的.但陀螺為什么還要繼續(xù)轉(zhuǎn)動,最后又停下來呢,布里丹也解釋不清.

層層設(shè)問,將學(xué)生的思維不斷引向深入.

布魯納的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論認(rèn)為,促進學(xué)生學(xué)習(xí)的真正動力不在于他們掌握了多少知識,而在于其內(nèi)部動機的激發(fā).學(xué)生從個人與他人(特別是像科學(xué)家這樣的偉人)的認(rèn)知一致中獲得滿足,學(xué)生在發(fā)現(xiàn)中的成就感都可以激發(fā)其內(nèi)在動機.

【教師提問】伽利略又是怎樣駁倒亞里士多德的呢?

【實驗演示】和學(xué)生一起做伽利略的斜面實驗.

【教師設(shè)問】伽利略實驗中,這個小球在水平面上的運動,有力維持嗎?(沒有),說明力是維持物體運動的原因嗎?(不是)伽利略根據(jù)它的實驗得到一個結(jié)論:

【引導(dǎo)看書】看課本第45頁最后一行.

引導(dǎo)學(xué)生看書,一方面讓學(xué)生養(yǎng)成好的讀書習(xí)慣,另一方面也為和笛卡爾的觀點相比較作鋪墊.這個實驗并不復(fù)雜,其推理過程在現(xiàn)代學(xué)生的眼中也很簡單,所以對實驗本身不要過多停留和講解.

【教師板書】伽利略的觀點:在理想情況下,一個在水平面上運動的物體將沿著水平面以恒定的速度持續(xù)運動下去.

教師用氣墊導(dǎo)軌近似地驗證上述結(jié)論.

【教師講解】伽利略的實驗得到愛因斯坦的高度評價.

【板書】伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端.

(當(dāng)代學(xué)生知識面較廣,他們可能并不覺得這個實驗有什么了不起的地方;這時用最偉大的科學(xué)家的評語,可以讓學(xué)生重新審視這個實驗,從而感悟到伽利略的確貢獻不凡)

【板書】伽利略的貢獻.

其一,推翻了力是維持速度的原因這一幾千年的錯誤觀念(告訴學(xué)生直覺并不總是可靠的,他有時會把我們引導(dǎo)到錯誤的線索上去).

其二,引進了理想實驗這一種重要的科學(xué)研究方法.引導(dǎo)學(xué)生看書,什么是理想實驗.教師問:伽利略貢獻如此之大,但我們?yōu)槭裁床话阉匈だ远赡?

“是啊!連愛因斯坦這樣的大科學(xué)家都給出了高度評價,怎么不叫伽利略定律呢?學(xué)生探究的欲望被再次激發(fā).

【教師引導(dǎo)】我們來看與伽利略同時代的法國科學(xué)家笛卡兒的總結(jié),引導(dǎo)學(xué)生看書.

(學(xué)生帶著急切的心情看課本)

【板書】笛卡兒的觀點:如果沒有其他原因,運動的物體將繼續(xù)以同一速度沿著一條直線運動,既不會停下來,也不會偏離原來的方向.

【教師設(shè)問】課本上說,笛卡兒進一步補充和完善了伽利略的論點,笛卡兒在哪些地方補充和完善了伽利略的論點?

(引導(dǎo)學(xué)生回答;由水平面 —— 任意直線)

【教師設(shè)問】為什么也不叫笛卡兒定律呢?

層層設(shè)問,讓學(xué)生不斷地由清晰到迷茫.教師引導(dǎo)學(xué)生看牛頓的總結(jié).

【板書】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),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止.

【教師設(shè)問】牛頓高明在什么地方?

(教師精心設(shè)計的導(dǎo)引語是啟發(fā)成功的關(guān)鍵.引導(dǎo)學(xué)生討論.)

【教師引導(dǎo)】先來分析前半句,“一切物體”,包含了宇宙萬物,把天上和地上統(tǒng)一起來;“總保持靜止或勻速直線運動”,即每個物體都要保持靜止或勻速直線運動狀態(tài).所有物體都具有的,當(dāng)然是物體本身的一種屬性,就像每一個物體都具有質(zhì)量一樣.牛頓認(rèn)為這種屬性的特征就是不愿改變現(xiàn)狀,有點懶惰,所以牛頓給它取名為Inertia(惰性,遲鈍),翻譯過來就叫慣性.牛頓的第一個貢獻就是引進了慣性這個概念.

【板書】慣性:物體保持原來的勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì).

發(fā)揮學(xué)生的主體性并不是讓學(xué)生胡思亂想,教師恰到好處的引導(dǎo)對提高學(xué)生的思維能力大有裨益.“慣性”是一個很抽象的概念,就“慣性”而談“慣性”,學(xué)生是很難理解的.本課設(shè)計時首先把它回歸到“屬性”這一學(xué)生易理解的概念上去,讓學(xué)生明確“屬性”是物體本身的一種性質(zhì),還可以讓學(xué)生再舉一些“屬性”的例子以加深理解,從而更深刻地認(rèn)識到慣性也是物體的屬性之一.為什么叫慣性呢?由牛頓取的名字Inertia開講,有“四兩撥千斤”之效.

維果茨基“最近發(fā)展區(qū)”理論認(rèn)為,問題的有效性在于學(xué)生能否“跳一跳,摸得到”,從伽利略的“水平面”到笛卡兒的“直線”,從惰性到屬性再到慣性,讓學(xué)生的認(rèn)知始終在“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)發(fā)展.

【教師講解】牛頓認(rèn)為:一切物體都有慣性,慣性是物體的固有屬性.(解釋固有,與物體的運動狀態(tài)無關(guān),與物體的受力狀況無關(guān))

【教師引導(dǎo)分析】教師引導(dǎo)學(xué)生用慣性解釋部分現(xiàn)象,小車的繼續(xù)運動,陀螺旋轉(zhuǎn).

教師引導(dǎo)學(xué)生觀看一個模擬車禍的動畫,讓學(xué)生解釋車停了之后人為什么還要往前沖,教育學(xué)生養(yǎng)成坐車系安全帶的好習(xí)慣.

【學(xué)生實驗】桌上有兩個雞蛋,一個是熟的,一個是生的,要求同學(xué)們運用慣性原理把他們區(qū)分出來,談?wù)劯餍〗M的做法并用物理原理解釋.

(同學(xué)們創(chuàng)造性地做實驗并用所學(xué)知識解釋,最后將雞蛋打爛以驗證.)

【教師引導(dǎo)】牛頓第一定律中還有一句話,直到有外力迫使它改變?yōu)橹?這是牛頓第一定律畫龍點睛之筆,把幾千年都爭論不休的問題解決了.力的作用是什么呢?(請學(xué)生回答)

【板書】力不是維持物體運動的原因,而是改變物體運動狀態(tài)的原因.

【教師引導(dǎo)】用力踢球,球運動起來,因為力迫使球的狀態(tài)發(fā)生了改變;下落的物體速度越來越快,是因為在重力的作用下物體的運動狀態(tài)被不斷改變的結(jié)果.

【教師引導(dǎo)】讓學(xué)生再讀牛頓第一定律,分析該定律講的是物體受力時的狀態(tài)呢還是不受力的的狀態(tài)呢?(學(xué)生回答.)

【板書】物體不受力時將保持靜止或勻速運動狀態(tài).

【教師引導(dǎo)】世界上沒有不受力的物體,但我們?nèi)匀豢吹接械奈矬w處于靜止或勻速運動狀態(tài),這是什么原因呢?引導(dǎo)學(xué)生分析物體受平衡力的時候也將保持靜止或勻速運動狀態(tài).

【教師總結(jié)】牛頓不是簡單地取個名字,而是一種高度的概括、總結(jié)和提升.將物體保持靜止或勻速運動狀態(tài)這種現(xiàn)象上升為物體的一種性質(zhì),將物體不受力時將保持靜止或勻速運動狀態(tài)上升為一種規(guī)律,這是牛頓大大超越前人的地方;可見人類對科學(xué)的認(rèn)識是一步一步接近真理的.

點明這一點很重要,因為有的學(xué)生甚至有個別教師都認(rèn)為牛頓是“摘別人果實”的人,要讓學(xué)生明白這個道理,充分展示歷史發(fā)展進程中的各種觀點事關(guān)重要.

認(rèn)知心理學(xué)強調(diào)學(xué)生要學(xué)好知識必須掌握學(xué)科的知識結(jié)構(gòu),特別是概念和原理.要更好地掌握概念和原理,就要強調(diào)學(xué)習(xí)的過程,而不是結(jié)果,要讓學(xué)生自己去思考,參與知識獲得的過程.

【教師引導(dǎo)】你們覺得牛頓偉大嗎?我對牛頓也佩服得五體投地,曾寫過一首小詩贊頌牛頓:“動靜迷茫唯神知,牛頓一語破天機.宇宙和諧如音律,擎天基石簡如斯.”

(教師對這首詩略作解釋,特別是第一句,在牛頓以前人們認(rèn)為萬物的運動由神在支配,人類無法知道其運行的規(guī)律.教師是學(xué)生精神的引領(lǐng)者,教師要不失時機地施展才華是對學(xué)生引領(lǐng)的最好方式)

【教師引導(dǎo)】同學(xué)們,我的詩不算好,但牛頓第一定律很美,你們發(fā)現(xiàn)了它的美麗嗎?你們會感受音樂之美、欣賞風(fēng)景之美,今天我們來感受科學(xué)之美.牛頓第一定律是人類智慧之美,它是牛頓等科學(xué)家的結(jié)晶.它就像蒙娜麗莎的微笑,就像貝多芬的交響樂,是一件不朽的藝術(shù)品,令科學(xué)家陶醉.它如此簡潔,解決了千年難題,科學(xué)定律都具有簡潔美.如果你以后當(dāng)了科學(xué)家,得到一個很冗長、繁瑣的結(jié)論,那很可能是錯的,因為它不美!牛頓第一定律是如此和諧,就如愛因斯坦所說:讀牛頓三大定律就像聽一首動聽的音樂.愛因斯坦、牛頓都聽懂了宇宙的音樂,做出了偉大的貢獻,我希望我們的同學(xué)中將來也能出一兩個能聽懂宇宙音樂的人.

對學(xué)生進行美的教育是教學(xué)的情感目標(biāo),物理課怎樣進行情感教育呢?其一,讓學(xué)生積極主動探求物理規(guī)律,培養(yǎng)其積極向上的情感.其二,教師本人的情感、態(tài)度和價值觀對學(xué)生的正面影響.其三,讓學(xué)生學(xué)會感受科學(xué)之美:科學(xué)家的精神之美,科學(xué)結(jié)論的創(chuàng)造之美,簡潔和諧對稱之美等.既需要“潤物細(xì)無聲”,有時還得大聲疾呼.

【教師引導(dǎo)】難道我們古人幾千年都沒有人能聽懂宇宙的歌嗎?其實我們古代也有人關(guān)注過慣性現(xiàn)象.《墨經(jīng)·考工記》中寫道:“勸登馬力,馬力既竭,猶能一取也”,意思是說,馬拉車時,馬雖然對車不再施力了,但車還能前進一小段.但古代人沒有去深究原因,這暴露出傳統(tǒng)文化的思維缺陷,不善于刨根問底,我們這一代人一定要改變.下面再來深入討論牛頓第一定律.

既要為我們古代的成就自豪,也要勇于承認(rèn)我們的不足,讓學(xué)生辯證思考問題也是教學(xué)的任務(wù).

【教師提問】

討論1:慣性和慣性定律的區(qū)別.(慣性是物體的固有屬性,而慣性定律是物體不受外力時的運動定律)

討論2:力和慣性的關(guān)系.(力要改變物體的運動狀態(tài),而慣性要保持物體的運動狀態(tài),這是一對矛盾,物體的運動就是這一對矛盾對立統(tǒng)一的結(jié)果)

討論3:小明的設(shè)想.同學(xué)小明設(shè)想可以用熱氣球很方便地完成他環(huán)游世界的美夢.他乘坐熱氣球升到空中,當(dāng)?shù)厍蜣D(zhuǎn)過來時他就下去旅游,然后又到熱氣球上等下一個地方的到來.請問他的設(shè)想能實現(xiàn)嗎?

課后問題4:科學(xué)家馬赫認(rèn)為“根本不存在慣性”,請課后上網(wǎng)查詢“馬赫原理”,遞交你自己的理解報告.

科學(xué)是沒有終點的.“科學(xué)不過是人和自然關(guān)系的一部分”(費曼語).我們所做的科學(xué)結(jié)論只是當(dāng)時的我們對世界的一種認(rèn)識,“也許真實的世界根本就不是那樣(費曼語)”.所以科學(xué)是發(fā)展的,不同的人對同一個問題可能產(chǎn)生不同的看法很正常,科學(xué)是沒有權(quán)威的.既要對科學(xué)家由衷地敬佩,也不要迷信;科學(xué)是沒有終點的的,每個人都是獨特的,后人總是要超越前人的,從而培養(yǎng)他們的自信心.

【教師小結(jié)】

(1)按照歷史的進程重新闡述各位科學(xué)家的主要觀點.

(2)復(fù)習(xí)慣性和牛頓第一定律的內(nèi)容,并加以區(qū)別.

(3)總結(jié)慣性和力的關(guān)系,為下一節(jié)的教學(xué)鋪墊.

根據(jù)建構(gòu)主義教學(xué)觀,本節(jié)課在教學(xué)設(shè)計時,凸顯了學(xué)生的中心地位,重視了教學(xué)情境的營造和真實任務(wù)的安排,讓學(xué)生在問題的牽引下積極參與知識得出的全過程,讓學(xué)生在認(rèn)知沖突中不斷建構(gòu)自己的知識結(jié)構(gòu),使學(xué)生在建構(gòu)知識的過程中獲得解決問題的智慧和能力,提高了思維品質(zhì).