创设问题情景 重演求知过程——“牛顿第一定律”的探究式教学设计

张忠俊

(重庆清华中学 重庆 400054)

1 设计思想

科学探究应是物理教学的本质特征之一,是激发学生学习内在动机的有效教学方式.科学探究课不能片面地理解为实验课,其核心评价指标应该是学生内心知、情、意的变化.科学探究也不是学生自发的研究,而是教师精心策划与指导的结果.教师精心创设的情景和巧妙的提问,能激励学生不断地产生探究物理本质的强烈欲望,所以“情景的创设”和“问题的设置”应该是科学探究课的关键.

“牛顿第一定律”是在初中学过的内容,也是高中教学中常被教师忽视的内容,有的甚至一带而过,这导致学生对牛顿第一定律的理解基本停留在初中的认知水平.本设计从建构主义原理和认知心理学出发,紧紧围绕牛顿第一定律的产生过程,深入挖掘物理学史中的相关素材,将牛顿第一定律产生过程的几个关键问题以原貌的形式展示给学生,让他们作为各个历史时期的“探究者”参与相关问题的讨论.在讨论的过程中学生会发现:“这些看似简单的问题不仅很难回答,而且蕴藏着深刻的思想方法,所以人类用了几千年的时间才弄清楚”.通过这样的探究,不仅让学生获得了物理知识,更让学生感受科学结论得出的艰难历程,并感悟科学之美,从而取得较好的教学效果.

2 学生情况分析

学生经过初中的学习,比较熟悉本节课的内容,也能解释诸如刹车、套紧锤头等现象,但他们对惯性概念和牛顿第一定律的认识以解释现象为主.进入高中后,学生的抽象思维能力得到了较大发展,但为了引导他们从现象上升到本质,仍然需要把学生原有的知识经验作为新知识的生长点.

3 教材和教法的分析

牛顿第一定律是牛顿力学的基石,它纠正了自亚里士多德以来长达近两千年的的错误观点,改变了人类的自然观和世界观,对物理学的发展有重大影响.惯性和牛顿第一定律都比较抽象,伽利略的理想实验也是一种重要的思想方法,学生真正理解起来是有难度的.教学中我们也发现,让学生真正改变“力是运动的原因”这一直觉观念非常困难,很多同学在分析物理问题时,总是不自觉地变成亚里士多德的“信徒”.比如看到物体在运动,就认为它一定受到力的作用;物体向东运动就认为物体必定受向东的力;物体的速度大是因为它受力大的缘故;物体受力为零,它的速度也应为零等等.要改变这一现状应该注意以下几点:其一,让学生参与得出牛顿第一定律的思维过程;其二,让学生感受科学的思想方法.

教材按历史发展的线索来编写,但对亚里士多德的观点阐述过于简单,从而造成学生有亚里士多德“很傻”的感觉,本课深入挖掘历史事实,提出亚里士多德的“虚空理论”,让学生明白要驳倒亚里士多德是非常困难的,从而增加对科学探索的兴趣.伽利略和笛卡尔都做出了很大的贡献,教师反问“为什么不叫伽利略定律或者笛卡尔定律”引起学生进一步探索的兴趣,为牛顿的隆重出场奠定基础.让学生思考“牛顿高明在什么地方”,通过分析讨论就能加深学生对“由现象到本质,由一般结论到规律”这一抽象提炼过程的认识,否则,学生会认为牛顿只是一个“摘别人果实”的人.

本节的重点是牛顿第一定律得出的历史过程,难点是对惯性及力与惯性关系的理解.

4 教学目标

4.1 知识、技能目标

(1)理解牛顿第一定律的内容及意义.

(2)理解惯性,知道日常生活中由于惯性而产生的简单现象,并能解释.

(3)理解惯性和力的关系.

4.2 过程、方法目标

培养学生严谨的逻辑推理能力;通过学生对历史演变过程的“亲身”参与,培养他们深度分析和思考的能力;通过对生活实例的分析,培养学生理论联系实际的能力.

4.3 情感、态度目标

让学生感受科学探究过程的艰辛,感受科学之美和科学的精神.

5 教学过程

5.1 引入新课

【教师讲解】同学们,我国的航天事业取得了举世瞩目的成绩,发射了系列载人飞船.飞船发射是一个复杂的系统工程,但它仍然用到最基本的物理原理,比如为了保证飞船的平稳飞行,就要用第一章静力学的知识分析它的受力情况;为确定飞船的位置,就要运用第二章所学的运动学知识;而需要确定多大的推力才能将飞船送入预定轨道,就得研究运动和力的关系,这就是第三章的知识 ——动力学.

动力学的奠基人牛顿1687年出版了他的划时代著作《自然哲学的数学原理》,他在书中提出三条运动定律,成为整个动力学的基础;今天我们就来学习牛顿第一定律.

(通过章首语让学生了解全章将要学习的主要内容)

5.2 新课教学

【投影展示】有一个基本问题,几千年来都因为它太复杂而含糊不清,这就是运动的问题 ……

—— 爱因斯坦

良好的开篇是成功的一半.用爱因斯坦这句话作为本节的引入可以迅速吸引学生的注意力,因为在他们心中,运动的问题有那么复杂吗?爱因斯坦怎么会说这样的话呢?从而产生求知欲望.

【教师引导】运动问题真如爱因斯坦所说的这样复杂吗?我们先回顾一下历史.两千多年前,亚里士多德根据生活经验得出结论:力是维持物体运动的原因.一个静止的小车,用力拉它就动了,不拉它又要停下来.现在我们都知道亚里士多德的观点是错的,究竟错在哪里呢?

现代认知心理学认为,要实现有意义学习的条件之一是“先行引导材料”能够与学生认知结构中的相关知识或经验联系.从学生熟悉的问题入手,不仅可以消除畏惧感,更可以找到知识的同化点,使其更加积极参与.一般学生都会回答:不拉它了,小车还会继续运动,所以力不是维持物体运动的原因.

【教师引导】难道被称为古希腊最博学的亚里士多德当年就没有考虑到这个问题吗?其实不然,他当时这样解释:撤掉力之后,小车由于运动会在它后面产生一个“虚空”——没有空气的空间,空气要填补这个“虚空”,于是对小车产生一个向前的推力,但这个推力小于摩擦力,所以最后停了下来(展示动画),所以亚里士多德仍然认为力是维持物体运动的原因.假如现在我是亚里士多德的代言人,有谁能和我辩论?

提出有价值的问题,是学生真正思维活动的开始.认知心理学也认为,当教学内容以问题方式呈现时,将引起认知冲突,学生将面临新问题的挑战,产生探索的心理倾向,为了解决当前的问题,学生只好改变原有的认知结构,从而获得新知或解决问题,这就是顺应的学习方式,这种方式将引起认知结构质的改变.通过展示动画,提出亚里士多德当年的虚空理论,它一下抓住了学生的注意力,促使他们积极思考.通过角色扮演,学生发现要驳倒亚里士多德是非常困难的,原来亚里士多德并不“傻”.但绝大部分学生对反驳虚空理论无计可施.

【教师引导】驳倒亚里士多德的虚空理论并不容易,历史上很多科学家都没有成功,这也是亚里士多德理论统治学界一千多年的原因之一.1372年,巴黎大学校长布里丹用一个简单的玩具 ——陀螺驳到了虚空理论.下面请同学们玩玩陀螺,看你们能不能从陀螺的旋转中得到启示,来批驳亚里士多德的虚空理论.

(用学生熟悉的玩具做实验,让学生感到物理就在身边.学生经过讨论,可以找到与布里丹同样的认识,内在动机得到激发,进而产生探究的成就感)

【教师讲解】根据同学们的分析,当陀螺旋转稳定的时候,仿佛没有动.这时陀螺周围并没有产生虚空,但他依然在继续转动,说明亚里士多德的虚空理论是不成立的.但陀螺为什么还要继续转动,最后又停下来呢,布里丹也解释不清.

层层设问,将学生的思维不断引向深入.

布鲁纳的发现学习理论认为,促进学生学习的真正动力不在于他们掌握了多少知识,而在于其内部动机的激发.学生从个人与他人(特别是像科学家这样的伟人)的认知一致中获得满足,学生在发现中的成就感都可以激发其内在动机.

【教师提问】伽利略又是怎样驳倒亚里士多德的呢?

【实验演示】和学生一起做伽利略的斜面实验.

【教师设问】伽利略实验中,这个小球在水平面上的运动,有力维持吗?(没有),说明力是维持物体运动的原因吗?(不是)伽利略根据它的实验得到一个结论:

【引导看书】看课本第45页最后一行.

引导学生看书,一方面让学生养成好的读书习惯,另一方面也为和笛卡尔的观点相比较作铺垫.这个实验并不复杂,其推理过程在现代学生的眼中也很简单,所以对实验本身不要过多停留和讲解.

【教师板书】伽利略的观点:在理想情况下,一个在水平面上运动的物体将沿着水平面以恒定的速度持续运动下去.

教师用气垫导轨近似地验证上述结论.

【教师讲解】伽利略的实验得到爱因斯坦的高度评价.

【板书】伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一,而且标志着物理学的真正开端.

(当代学生知识面较广,他们可能并不觉得这个实验有什么了不起的地方;这时用最伟大的科学家的评语,可以让学生重新审视这个实验,从而感悟到伽利略的确贡献不凡)

【板书】伽利略的贡献.

其一,推翻了力是维持速度的原因这一几千年的错误观念(告诉学生直觉并不总是可靠的,他有时会把我们引导到错误的线索上去).

其二,引进了理想实验这一种重要的科学研究方法.引导学生看书,什么是理想实验.教师问:伽利略贡献如此之大,但我们为什么不把它叫伽利略定律呢?

“是啊!连爱因斯坦这样的大科学家都给出了高度评价,怎么不叫伽利略定律呢?学生探究的欲望被再次激发.

【教师引导】我们来看与伽利略同时代的法国科学家笛卡儿的总结,引导学生看书.

(学生带着急切的心情看课本)

【板书】笛卡儿的观点:如果没有其他原因,运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动,既不会停下来,也不会偏离原来的方向.

【教师设问】课本上说,笛卡儿进一步补充和完善了伽利略的论点,笛卡儿在哪些地方补充和完善了伽利略的论点?

(引导学生回答;由水平面 —— 任意直线)

【教师设问】为什么也不叫笛卡儿定律呢?

层层设问,让学生不断地由清晰到迷茫.教师引导学生看牛顿的总结.

【板书】牛顿第一定律:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止.

【教师设问】牛顿高明在什么地方?

(教师精心设计的导引语是启发成功的关键.引导学生讨论.)

【教师引导】先来分析前半句,“一切物体”,包含了宇宙万物,把天上和地上统一起来;“总保持静止或匀速直线运动”,即每个物体都要保持静止或匀速直线运动状态.所有物体都具有的,当然是物体本身的一种属性,就像每一个物体都具有质量一样.牛顿认为这种属性的特征就是不愿改变现状,有点懒惰,所以牛顿给它取名为Inertia(惰性,迟钝),翻译过来就叫惯性.牛顿的第一个贡献就是引进了惯性这个概念.

【板书】惯性:物体保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质.

发挥学生的主体性并不是让学生胡思乱想,教师恰到好处的引导对提高学生的思维能力大有裨益.“惯性”是一个很抽象的概念,就“惯性”而谈“惯性”,学生是很难理解的.本课设计时首先把它回归到“属性”这一学生易理解的概念上去,让学生明确“属性”是物体本身的一种性质,还可以让学生再举一些“属性”的例子以加深理解,从而更深刻地认识到惯性也是物体的属性之一.为什么叫惯性呢?由牛顿取的名字Inertia开讲,有“四两拨千斤”之效.

维果茨基“最近发展区”理论认为,问题的有效性在于学生能否“跳一跳,摸得到”,从伽利略的“水平面”到笛卡儿的“直线”,从惰性到属性再到惯性,让学生的认知始终在“最近发展区”内发展.

【教师讲解】牛顿认为:一切物体都有惯性,惯性是物体的固有属性.(解释固有,与物体的运动状态无关,与物体的受力状况无关)

【教师引导分析】教师引导学生用惯性解释部分现象,小车的继续运动,陀螺旋转.

教师引导学生观看一个模拟车祸的动画,让学生解释车停了之后人为什么还要往前冲,教育学生养成坐车系安全带的好习惯.

【学生实验】桌上有两个鸡蛋,一个是熟的,一个是生的,要求同学们运用惯性原理把他们区分出来,谈谈各小组的做法并用物理原理解释.

(同学们创造性地做实验并用所学知识解释,最后将鸡蛋打烂以验证.)

【教师引导】牛顿第一定律中还有一句话,直到有外力迫使它改变为止,这是牛顿第一定律画龙点睛之笔,把几千年都争论不休的问题解决了.力的作用是什么呢?(请学生回答)

【板书】力不是维持物体运动的原因,而是改变物体运动状态的原因.

【教师引导】用力踢球,球运动起来,因为力迫使球的状态发生了改变;下落的物体速度越来越快,是因为在重力的作用下物体的运动状态被不断改变的结果.

【教师引导】让学生再读牛顿第一定律,分析该定律讲的是物体受力时的状态呢还是不受力的的状态呢?(学生回答.)

【板书】物体不受力时将保持静止或匀速运动状态.

【教师引导】世界上没有不受力的物体,但我们仍然看到有的物体处于静止或匀速运动状态,这是什么原因呢?引导学生分析物体受平衡力的时候也将保持静止或匀速运动状态.

【教师总结】牛顿不是简单地取个名字,而是一种高度的概括、总结和提升.将物体保持静止或匀速运动状态这种现象上升为物体的一种性质,将物体不受力时将保持静止或匀速运动状态上升为一种规律,这是牛顿大大超越前人的地方;可见人类对科学的认识是一步一步接近真理的.

点明这一点很重要,因为有的学生甚至有个别教师都认为牛顿是“摘别人果实”的人,要让学生明白这个道理,充分展示历史发展进程中的各种观点事关重要.

认知心理学强调学生要学好知识必须掌握学科的知识结构,特别是概念和原理.要更好地掌握概念和原理,就要强调学习的过程,而不是结果,要让学生自己去思考,参与知识获得的过程.

【教师引导】你们觉得牛顿伟大吗?我对牛顿也佩服得五体投地,曾写过一首小诗赞颂牛顿:“动静迷茫唯神知,牛顿一语破天机.宇宙和谐如音律,擎天基石简如斯.”

(教师对这首诗略作解释,特别是第一句,在牛顿以前人们认为万物的运动由神在支配,人类无法知道其运行的规律.教师是学生精神的引领者,教师要不失时机地施展才华是对学生引领的最好方式)

【教师引导】同学们,我的诗不算好,但牛顿第一定律很美,你们发现了它的美丽吗?你们会感受音乐之美、欣赏风景之美,今天我们来感受科学之美.牛顿第一定律是人类智慧之美,它是牛顿等科学家的结晶.它就像蒙娜丽莎的微笑,就像贝多芬的交响乐,是一件不朽的艺术品,令科学家陶醉.它如此简洁,解决了千年难题,科学定律都具有简洁美.如果你以后当了科学家,得到一个很冗长、繁琐的结论,那很可能是错的,因为它不美!牛顿第一定律是如此和谐,就如爱因斯坦所说:读牛顿三大定律就像听一首动听的音乐.爱因斯坦、牛顿都听懂了宇宙的音乐,做出了伟大的贡献,我希望我们的同学中将来也能出一两个能听懂宇宙音乐的人.

对学生进行美的教育是教学的情感目标,物理课怎样进行情感教育呢?其一,让学生积极主动探求物理规律,培养其积极向上的情感.其二,教师本人的情感、态度和价值观对学生的正面影响.其三,让学生学会感受科学之美:科学家的精神之美,科学结论的创造之美,简洁和谐对称之美等.既需要“润物细无声”,有时还得大声疾呼.

【教师引导】难道我们古人几千年都没有人能听懂宇宙的歌吗?其实我们古代也有人关注过惯性现象.《墨经·考工记》中写道:“劝登马力,马力既竭,犹能一取也”,意思是说,马拉车时,马虽然对车不再施力了,但车还能前进一小段.但古代人没有去深究原因,这暴露出传统文化的思维缺陷,不善于刨根问底,我们这一代人一定要改变.下面再来深入讨论牛顿第一定律.

既要为我们古代的成就自豪,也要勇于承认我们的不足,让学生辩证思考问题也是教学的任务.

【教师提问】

讨论1:惯性和惯性定律的区别.(惯性是物体的固有属性,而惯性定律是物体不受外力时的运动定律)

讨论2:力和惯性的关系.(力要改变物体的运动状态,而惯性要保持物体的运动状态,这是一对矛盾,物体的运动就是这一对矛盾对立统一的结果)

讨论3:小明的设想.同学小明设想可以用热气球很方便地完成他环游世界的美梦.他乘坐热气球升到空中,当地球转过来时他就下去旅游,然后又到热气球上等下一个地方的到来.请问他的设想能实现吗?

课后问题4:科学家马赫认为“根本不存在惯性”,请课后上网查询“马赫原理”,递交你自己的理解报告.

科学是没有终点的.“科学不过是人和自然关系的一部分”(费曼语).我们所做的科学结论只是当时的我们对世界的一种认识,“也许真实的世界根本就不是那样(费曼语)”.所以科学是发展的,不同的人对同一个问题可能产生不同的看法很正常,科学是没有权威的.既要对科学家由衷地敬佩,也不要迷信;科学是没有终点的的,每个人都是独特的,后人总是要超越前人的,从而培养他们的自信心.

【教师小结】

(1)按照历史的进程重新阐述各位科学家的主要观点.

(2)复习惯性和牛顿第一定律的内容,并加以区别.

(3)总结惯性和力的关系,为下一节的教学铺垫.

根据建构主义教学观,本节课在教学设计时,凸显了学生的中心地位,重视了教学情境的营造和真实任务的安排,让学生在问题的牵引下积极参与知识得出的全过程,让学生在认知冲突中不断建构自己的知识结构,使学生在建构知识的过程中获得解决问题的智慧和能力,提高了思维品质.