激情·探究·对话·生成——“牛顿第一定律”教学设计介绍

韦叶平

(江苏省前黄高级中学,江苏 常州 213161)

1 设计背景

2011年10月28日,笔者应邀参加在江苏省天一中学举行的全国第七届“聚焦课堂——生长课堂”教学研讨活动并开设示范课——“牛顿第一定律”.本设计从教师情感、教学方式、知识建构、课堂实验等方面进行了改革创新,受到点评专家和与会同行的肯定.

(1)学生:新课标理念是教学应以教师为主导,学生为主体.因此,在教学时应充分发挥学生的主动性和积极性;激发学生的学习兴趣,营造宽松、和谐的学习气氛;在课堂上让学生主动参与教学过程,使学生亲历思考和探究的过程;在知识的形成、联系、应用过程中养成科学的态度、获得科学的方法.

(2)教材:牛顿第一定律是物理学理论的支柱和基石.教学时,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;其次,引导学生领会牛顿第一定律的含义,明确运动和力的关系,同时提升对力、惯性、质量和惯性的关系等基本概念的理解.

(3)教师:本节的特点是教材内容以大量的文字陈述,没有涉及到数学计算,教师更要注重物理学史教育、理想化实验思想和坚持真理、不迷信权威的科学态度的熏陶;其次,本节内容在初中已经了解,此时,教师除了使学生保持新鲜感,还需加大思维强度,注意知识的深化和科学研究方法、情感态度的教育,让学生对牛顿第一定律及惯性有更深的理解.

2 教学过程

2.1 新课引入

高尔基说:“好奇是了解的开端和引向认识的途径.”笔者用“吹乒乓球的挑战”引入新课.娇小的女生轻易可以吹动乒乓球.

教师:我施加一些魔法,有哪位男生敢于来挑战,将乒乓球吹得更高一些呢？高大的男生用最大的力却也吹不动,如图1所示.(笔者在学生无意间换成一个内部装满小钢珠的乒乓球).

学生活动.

教师:虽然挑战失败,但是敢于挑战的精神是值得我们学习的.希望大家在接下来的学习中,大胆、敢于挑战、敢于质疑.

图1

点评:既增强了课堂的气氛,又为伽利略敢于挑战权威埋下伏笔.

教师:为什么同样施加了力,但前后两次乒乓球的运动状态却不同呢？力和运动到底是什么关系呢？我们带着这个问题学习本节课“牛顿第一定律”.

点评:设计的小游戏,学生既熟悉又好奇,带着悬念进入新课.这样增强了学生的求知欲望、激发了学生的探索兴趣.

2.2 历史回顾

(1)体会亚里士多德的研究方法:直观与经验.

情境:马拉雪橇(用图片).

问题:根据生活的经验说明,怎样使雪橇持续地运动？怎样使雪橇运动得更快？

学生:力和运动关系是维持的关系.

师生活动.亚里士多德认为,力是维持物体运动状态的原因.并简单介绍亚里士多德的事迹与贡献.

(2)学生参与伽利略挑战权威的全过程,感受理想实验的魅力.

情境:引导学生观察生活现实:当一个物体沿斜面向下运动时,它的速度增大,而向上运动时,它的速度减小.

教师:大胆的猜想:当物体沿水平面运动时,它的速度应该既不增大也不减小.

教师指出:“力不是维持物体运动的原因”,得出和亚里士多德截然不同的结论,伽利略向亚里士多德提出了挑战.

教师:你支持谁呢？

现实:即使物体沿水平面运动,速度也越来越慢,最后停了下来.

伽利略的观点仍然占了上风,但是伽利略没有屈服于权威,而是继续深入的观察和分析,寻找原因.

学生:分析原因.伽利略认为这是摩擦阻力作用的结果.

情境:表面越光滑,物体将运动得越远.

讨论:你能根据生活经验来帮助伽利略验证他的观点吗？(请举例说明)

问题:如果物体在更加光滑的水平面上运动,情况会怎么样？

再次体现“推理”的重要思想方法,在真实实验的基础上进行合理外推.

问题:如果物体在绝对光滑(摩擦力为零)的水平面上运动,它会怎么样呢？

产生经典质变.指出“摩擦力为零”在实际生活中很难实现,那么我们怎样才能证明它呢？过渡到“理想实验”.

点评:紧扣教材人教版《物理》必修1课本第68页,突出教材在教学中的重要地位;体会伽利略不畏权威、细致观察、追求真理的精神;学生讨论的基础上,以“问题串”的形式让学生体会物理知识由“合理外推”向“经典质变”的演化过程.

教师介绍理想斜面实验并演示实验探究过程.

①先在轨道上放一块棉布,释放小球,记下小球到达的位置.

②撤去棉布,从同一高度释放小球,记下小球到达的位置.

(让学生比较两次高度的不同,引导学生得出结论:如果忽略一切摩擦阻力,小球将回到等高的位置.提示学生记住这个结论.)

③减小第2个斜面的倾角,释放小球,让学生观察小球在第2个斜面上移动的距离变化——为了达到等高,小球运动的路程更长了.

④继续猜想:如果将第2个斜面的倾角逐渐减小,直到零度,会怎么样呢？

师生活动.指出实际上轨道不可能绝对光滑,也不可能无限长,所以这也是我们在实验基础上的推理.教师和学生共同概括提升理想实验的特点和意义:

①不是凭空捏造的实验,它是以可靠的实验事实为依据的.

②是一种逻辑推理活动,是人们在抽象思维中设想出来,而实际上无法做到的“实验”.

③将实验与逻辑推理相结合的方法有力地推动了科学的发展.这正是理想实验的魅力所在！

爱因斯坦的评价: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的最伟大的发现之一,而且标志着物理学的真正开端.

教师:伽利略就是采用这样的方法得出结论:物体将永远运动下去,却不再需要力去推动它.力不是维持运动状态的原因,这里用的是实验和推理的方法.

点评:笔者主要对“伽利略理想斜面实验”在实验器材的改进、可视性、实验效果、启发性等方面作了精心设计,如图2所示.

图2

实验器材:彩钢板1块(长约150cm,宽约10cm);木地板边线2条(长约150cm);钢球1个(直径约2cm);棉布1块(长约160cm,宽约6cm);书立2个(高约19cm);摄像头1个(大约130万像素)等.

实验优势:彩钢板的韧性适中,斜面的倾斜角可以任意调节;2条边线组成轨道,减小了摩擦力;利用竖立等高的特点规定了小球运动的等高线;摄像头将实验过程同时放大在屏幕上,现象明显直观,效果很好.此实验得到点评专家的高度评价.

(3)笛卡尔的贡献:补充完善.

法国科学家笛卡儿指出:如果运动中的物体没有受到力的作用,它将继续以同一速度沿同一直线运动,既不停下来也不偏离原来的方向.(明确匀速直线运动;指出了匀速直线运动的条件.)

2.3 牛顿的贡献:形成体系

牛顿在伽利略和笛卡儿等人的工作基础上,提出了动力学的一条基本定律.

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,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态.(引导学生分段解析,帮助理解)

现场赠书《自然哲学的数学原理》,并介绍牛顿关于运动的3条定律和《自然哲学的数学原理》一书的价值.

师生活动.

(1)对牛顿第一定律的理解.(以下内容都由教师引导学生回答)

后半句话的意义——力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动状态的原因.

讨论:哪些情景说明物体的运动状态发生了改变？

总结:运动状态由速度决定,速度发生了变化,就说物体的运动状态发生了变化.(注意:速度是一个矢量.)

指明:力是改变速度的原因.(引导学生看课本第68页中的小字内容,体会“牛顿的高明”——提出了重要的科学概念“力”.)

(2)惯性的温故而知新.

前半句话的理解——惯性:物体具有保持原来静止状态或匀速直线运动状态的性质,我们把这个性质叫惯性.

教师:哪些物体具有惯性？在什么时候具有惯性？(请举例说明)

教师:既然生活中一切物体,任何状态下都具有惯性,你能不能举例说明哪些现象体现了惯性？

讨论:我国《道路交通安全法》的规定,在小型车辆前排乘坐的乘客必须系好安全带,为什么要这样规定？

视频:让我们来看一看司机朋友和警察叔叔是怎么讲的.

教师:大家再来思考:惯性是物体具有保持原来静止状态或匀速直线运动状态的性质,其中的关键词是“保持”,而力又是改变物体运动状态的原因.惯性和力是一对矛盾统一体,那我们是不是可以这样理解惯性:惯性是物体抵抗运动状态变化的本领.本领有大小,那惯性有大小吗？

学生:设计小实验或列举生活中的实例,说明质量越大,惯性越大.

教师:展示上课前学生吹的乒乓球,挑战失败的男生体会两个球质量的差异,解释为什么质量大,难以吹动？

教师进一步实验:轻的乒乓球撞重的乒乓球,观察并解释现象.

学生:分组实验.引导学生做“单手撕纸条竞赛”,如图3所示.主要流程是:引起思维冲突(笔者捏住A处甩纸片,很难将纸条B甩断.)→学生分组实验(要求:用最省力的方式,最快速度将A与B甩断.)→分析总结→拓展延伸(用铁夹夹住B处,有异曲同工的效果.)

图3

总结:质量是惯性大小的唯一量度.

点评:时刻关注教材的图片及说明,渗透人文精神的教育;注意前后呼应,用所学知识解决问题,如“吹乒乓球的挑战”;由安全带的使用体现生命教育:珍爱生命、遵守法律、尊重科学;设计新颖的分组实验“单手撕纸条竞赛”,全员参与、气氛活跃,课堂进一步升华.

教师:这些小实验是不是都很简单而且很巧妙啊？生活中,还有哪些体育娱乐项目体现了质量和惯性之间的这种关系吗？

教师引导:为什么乒乓球做得质量比较小,保龄球的质量比较大？(展示图片)

学生:质量越大,惯性就越大,保持原来运动状态的“本领”越大,运动状态越难改变.质量越小,惯性就越小,保持原来运动状态的“本领”就越小,运动状态就容易改变.

教师:生活中像这样的事例还很多,可见,牛顿把惯性作为一个科学概念提出的重要性,牛顿第一定律也叫惯性定律.同学们在课后可以继续体会.

2.4 课堂小结

师生活动:牛顿第一定律我们初中已经学过,现在我们又学了一遍,那么,你这节课学习了哪些内容？

点评:这个环节是本节课画龙点睛之笔,通过学生自由举手回答,基本概括了本节课所有知识点、科学精神和思想方法,如图4所示.

图4

3 教学反思

3.1 关于知识与技能

笔者认为物理学史的介绍是本节课的重点之一,特别是对伽利略理想斜面实验的理解以及实验的设计、改进、探究过程、分析引导、得出结论等科学探究思想是这堂课的一个亮点;对牛顿第一定律的理解和应用是本节内容的另一个重点和难点.通过以上内容的学习使学生知道理想实验的实验基础、推理过程和对推断结果的分析,以及培养学生理论联系实际,灵活运用所学知识的能力.

3.2 关于过程与方法

通过学生对历史演变过程的“亲身”参与,培养学生在实验的基础上通过推理得到结论的方法以及深度分析、思考问题的能力,使学生受到科学方法论的教育.

教学形式上,笔者注重“以趣促学”,用最简单的器材完成最有说服力的创新实验,如“吹乒乓球的挑战”、“单手撕纸条竞赛”等,为学生创设了生动的物理学习情境;同时,在演示实验中教师提供示范,培养了学生良好的实验技能和实验作风.教学内容上,笔者注重知识的首尾呼应,体现物理源于生活,回归生活的特征;精心处理课堂预设与生成的关系,特别善于抓住与学生“对话”过程中的有用资源并与之产生思维碰撞,达到深入理解知识,应用知识的目的.

3.3 关于情感、态度与价值观

通过对物理学史的简介,对学生进行严谨的科学态度的教育;了解人类认识事物的曲折性,感受科学之美;培养学生敢于质疑、坚持真理的科学探究和创新精神.笔者借助丰富的人文修养和知识储备,以激情饱满的姿态吸引学生,诱导学生主动学习、探究学习、合作学习;不断为学生设置成功的台阶,让学生体会成功的喜悦及运用物理知识解决实际问题的成就感.特别值得一提的是,笔者在传授物理知识的过程中渗透德育,如通过了解《道路交通安全法》,培养学生珍爱生命、遵守法律、尊重科学的健康心理.

当然,本节课还有一些地方需要深思或改进,如教师的提问能否在考虑学生最近发展区的基础上更加有深度;能否体现现代科技对物理教学的辅助作用,如气垫导轨、数字毫秒仪、光电门等传感器的使用,进一步使课堂教学得到升华.